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shRNA表达克隆

培养皿中的病理模型

Dec 20, 2010 No Comments

患者来源的重编程细胞让科学家们又有了一种构建疾病模型的新方法,现在,各大制药公司正在开展这方面的工作。

作为美国南圣弗朗西斯科(South San Francisco)一家生物技术公司的CEO Michael Venuti现在想重现安排一下新药开发的工作流程。通常来说,在新药的临床试验阶段患者都是在最后环节才会参与进来,但是,现在iPierian 公司的总经理Venuti希望调整一下。因为iPierian等生物技术公司现在可以利用来自患者的重编程干细胞在实验室里构建出疾病病理模型,这样,药物研发人员就可以在培养皿里研究“患者”了。Venuti介绍说:“虽然我们并没有将真正的患者提前纳入到新药研发过程当中,但是我们将他们的替身提前给招募进来了。”

这些并不是大家对干细胞奇迹般的期望,比如利用干细胞重建器官或者彻底治愈糖尿病等等,当然,这些奇迹在将来的某一天一定也会实现的。不过,自从人类胚胎干细胞出现之后,科学家们就一直盼望能够利用这些细胞来研究各种绝症。

现在,这种梦想已经变成了现实,至少美国哈佛大学的干细胞生物学家Kevin Eggan是这么认为的。不过他也承认:“我们现在还只是刚刚入门而已。”科学家们仍然有许多困难需要克服,但是也已经证实,来自患者自身的重编程细胞因为携带了许多罕见的遗传异常情况,因此特别适合进行疾病病理研究,可以给科研人员提供很多新的线索,帮助我们发现疾病的致病机制。已经有好几个这样的研究工作发现了一些非常有希望的新疗法了。

转折点出现在2006年,因为发现成体细胞可以被人工重编程为胚胎干细胞样细胞,即iPS细胞,它的出现彻底改变了干细胞相关研究领域。iPS细胞不仅可以避开传统胚胎干细胞研究会碰到的伦理道德问题,而且还能为科研人员提供大量的与被研究疾病相关(就是来自患者本身)的干细胞研究材料。“iPS重编程技术的出现使得世界上几乎每一个实验室都能开展干细胞方面的研究了。我们有史以来第一次能够对任何一种疾病开展研究,只需要从患者身上取几个细胞,然后到培养皿里去培养就行了。我相信,在几年之类,相关的论文一定会铺天盖地的出现。”美国波士顿大学医学院(Boston University School of Medicine)的干细胞学家Gustavo Mostoslavsky这样评价iPS技术。

现在,在世界上已经有几十家实验室在开展这方面的工作,他们从患者身上取出体细胞,然后重编程为iPS细胞,甚至继续培养出患病组织。比如利用肌萎缩性脊髓侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)患者的体细胞获得患病的神经元细胞等。这样,研究人员就可以对ALS神经元和正常神经元进行比较,找出肌萎缩性脊髓侧索硬化病的真正发病原因。还有一些制药公司利用iPS细胞获得了心肌细胞,用这些细胞来检测新药的毒副作用。另一些制药公司则利用“虚拟的临床试验”对成千上万的新药进行检测,他们使用的也是来自正常人和患者iPS细胞分化出来的各种细胞系。

第一起利用iPS细胞在培养皿中研究疾病并取得成功的案例是大约两年前,美国威斯康辛大学的Clive Svendsen(他现在已经是美国加利福尼亚州洛杉矶市Cedars-Sinai再生医学研究所的主任)开展的一项工作,他们当时研究的是单基因功能异常(single gene malfunction)这种比较少见的遗传案例。他们成功地利用遗传性疾病脊髓性肌萎缩病(spinal muscular atrophy,SMA,该疾病主要侵犯幼儿,一般患儿的生命不会超过两岁)患者体细胞得到了iPS细胞。然后,科研人员们需要将iPS细胞诱导分化成受损组织,并且这些受损组织的细胞必须表现出和患者体内病损细胞一样的性状,这样才算构建出了病理模型,才能利用iPS细胞在培养皿中对该病进行研究。

脊髓性肌萎缩病就非常适合进行体外建模试验。因为科学家们已经知道如何诱导胚胎干细胞分化成运动神经元细胞,而且也在理论上知道该怎么治疗这种疾病(脊髓性肌萎缩病是著名的应该最能够治愈但目前却没能治愈的神经系统疾病)。

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Patient cell:患者体细胞; iPS cells:iPS细胞  Hepatocytes:肝细胞;  Cardiac cells:心脏细胞; Neural cells:神经细胞;
Cellular studies(disease in vitro):进行细胞学研究(即体外疾病模型);Drug or genetic screens:进行药物筛查或遗传学筛查;  Candidate drugs:发现候选药物;MODEL PATIENTS:患者模型;

在脊髓性肌萎缩病患者体内,SMN1(Survival Motor Neuron 1,该基因是人体运动神经元细胞存活必需的基因)基因出现了问题,于是患者的运动神经元细胞就不能合成足够的SMN1蛋白,运动神经元细胞死亡,患者出现肢体瘫痪。人体内还有一种SMN2基因,它也能编码SMN蛋白,但是蛋白产量不高。有一些脊髓性肌萎缩病患者体内SMN2基因的拷贝数较多,因此他们的临床症状也较轻,一般都能存活至30多岁甚至40多岁。知道了脊髓性肌萎缩病的病因,治疗方案就很容易确定了,比如我们可以发明一种药物,促进SMN2基因大量表达,生成足够的SMN1蛋白,这样不就可以治疗脊髓性肌萎缩病了吗?

由于小鼠等模型动物体内都缺乏SMN2基因,因此很难为脊髓性肌萎缩病构建合适的动物模型。过去,科研人员一直在利用人体皮肤成纤维细胞筛选能够提高SMN蛋白产量的药物,但是成纤维细胞合成并利用SMN蛋白的途径与运动神经元细胞其实是不一样的。现在,随着iPS技术的出现,科研人员们终于有了大量的、合适的研究材料——患病的运动神经元细胞,来开展研究了。

另外,Svendsen等人还利用脊髓性肌萎缩病患儿正常母亲来源的iPS细胞作为对照进行了科学研究。最开始,对照细胞和患儿细胞的表现比较相似,都表现为正常的运动神经元细胞。但是在体外培养数周之后发现,患儿来源的运动神经元细胞开始出现生长缓慢现象,能够继续生长的神经元细胞越来越少,这已经开始表现出脊髓性肌萎缩病的表型了。然后,科研人员在培养皿中加入了两种已知的,能够促进SMN蛋白表达的药物,看看细胞会出现什么反应,结果非常可喜,药物组相比对照组,患病细胞内SMN蛋白的表达量上升了3倍。

目前,已经有好几家机构开始利用Svendsen他们构建的脊髓性肌萎缩病细胞系和其他脊髓性肌萎缩病患者来源的细胞系开展筛药工作了。iPierian公司也把目光投向了脊髓性肌萎缩疾病,据Venuti介绍,他们开展的初筛工作已经初见成效,已经有药物特异性的对运动神经元细胞显示出了非常好的治疗效果。

另一种被广泛研究的疾病就是罕见的遗传性疾病——家族性植物神经功能障碍症(familial dysautonomia,FD)这种外周神经退行性变疾病。美国纽约斯隆-凯特林研究所(Sloan-Kettering Institute)的发育生物学家Lorenz Studer利用FD患者体细胞制备出了iPS细胞。Studer将他们的工作发表在了2009年9月的《自然》(Nature)杂志上。

论文主要介绍了他们如何促进FD患者来源的iPS细胞分化成为神经管嵴前体细胞(neural crest precursor cell),这种在FD疾病中主要受累的细胞(神经管嵴主要形成于胚胎发育早期,可以分化出颌面骨、平滑肌、外周神经以及其它组织)。在患者来源的iPS细胞中,参与神经发育的基因表达量极低,而且相比正常对照组细胞,分化形成的神经细胞也要少得多。当然,Studer他们制备的患病iPS细胞也通过了严格的疾病建模检验。科研人员用透明质酸酶(kinetin)这种植物荷尔蒙(已知该物质能够影响与FD疾病有关的基因表达)处理患病iPS细胞,细胞内原本表达低下的蛋白表达量骤升,分化形成的神经元细胞数量也大增。用透明质酸酶处理细胞数周之后,观察到了明显的效果。Studer介绍说,这些实验数据对于设计早期临床试验,检验透明质酸酶对FD患者的疗效具有重要价值。

Studer等人开发出了大量制备iPS细胞的方法,然后利用机器人将细胞分散到显微镜用的玻片上,再在玻片上进行筛药工作。Studer他们还对早期发病患者来源的细胞和晚期发病患者来源的细胞进行了比较,看看是否能够找出影响发病时间的原因。Eggan对此评价说:“Studer的确让FD研究领域向前迈进了一大步。”

还有一些遗传性综合征(genetic syndrome)可以帮助科研人员更好的了解比较常见的疾病。比如本月(2010年11月),美国圣地亚哥(San Diego)加利福尼亚立大学(University of California)的神经生物学家Alysson Muotri就在《细胞》(cell)上发表了一篇文章,介绍他们利用Rett综合征(Rett syndrome)患者来源的iPS细胞分化得到了神经元细胞,这些神经元细胞具有多种缺陷。Rett综合征患者通常在出生后6至18个月时发育还是正常的,但是之后就会逐渐丧失对肌肉的控制力,出现癫痫发作(seizures),并且逐渐出现自闭(autistic behavior)等症状。Muotri等人希望利用iPS技术构建出Rett综合征病理模型,帮助科研人员更好地了解其它自闭性疾病。

还有一些研究小组对遗传性心脏病比较有兴趣,他们也为这些疾病,比如长QT综合症(long QT syndrome,该疾病可导致致死性心律失常)、LEOPARD综合症(该疾病可导致心肌肥厚)等构建了iPS细胞。不过,据荷兰莱顿大学医学中心(Leiden University Medical Center)的发育生物学家Christine Mummery介绍,目前还不能利用这些iPS细胞为比较常见的心脏疾病构建合适的病理模型。但是由于缺乏相关的动物模型,iPS细胞的出现已经算是一大进步了。

还有一些实验室利用iPS技术对其它常见疾病开展研究,比如帕金森氏病、肌萎缩侧索硬化症、精神分裂症(schizophrenia)以及老年痴呆症等。但是,研究这些疾病的难度较大,因为这些疾病都是遗传因素和环境因素共同作用的结果,我们现在还不清楚iPS细胞能不能反应环境因素对来源人体的影响作用,能够在多大程度上反应环境因素的影响作用。但是能够无限制地利用患者来源的细胞对疾病进行研究这还是有史以来头一遭。最近,Eggan说:“我们还没有找到一种方法对散发的,但是很明显有遗传因素参与的疾病进行研究。”

美国麦迪逊市(Madison)威斯康辛大学(University of Wisconsin)的干细胞学者James Thomson提醒道,科研人员们还没有充分意识到各个iPS细胞系之间的差异,如果两个iPS细胞系表现不同,那么我们就很难说清楚到底哪些是异常是与疾病相关,哪些是与重编程过程相关了。对此,Studer也表示同意,Studer说道:“在iPS研究领域最大的问题就是变异问题。”

尽管存在许多困难,但是iPS技术仍然参与到了越来越多疾病的研究工作当中。Eggan预测说:“这虽然比较困难,但只是迟早的事情。考虑到重编程技术出现不过只有短短5年的时间,我们可能很难在数年之内取得令人欣喜的成果。”

 
原文检索:
GRETCHEN VOGEL. (2010) Diseases in a Dish Take Off. Science, 330:1172-1173.

筱玥/编译

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