世界生命科學(xué)前沿動(dòng)態(tài)周報(bào)（八十八）

使用由患者自己的皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)換成的心臟細(xì)胞來制作培養(yǎng)皿疾病模型

     Science Daily 2013年1月27日：大多數(shù)罹患致心律失常性右心室心肌病(arrhythmogenic right ventricular dysplasia/cardiomyopathy, ARVD/C) 這一遺傳性心臟病的患者，都是到20歲出頭才知道他們的身體有問題。年齡較小時(shí)缺乏癥狀使得研究人員極難研究ARVD/C的發(fā)病機(jī)制以及開發(fā)治療手段。2012年諾貝爾獎(jiǎng)得主山中伸彌（Shinya Yamanaka）博士開發(fā)的一項(xiàng)以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的新技術(shù)，可幫助解決這一問題。利用這一技術(shù)，研究人員能夠用患者自身的皮膚細(xì)胞生成心肌細(xì)胞。然而，這些新生心臟細(xì)胞大多是不成熟的，這不禁讓研究人員提出質(zhì)疑：是否能夠利用這些細(xì)胞來模擬成年期發(fā)生的疾病呢？

     在發(fā)表于1月27日《自然》（Nature）雜志上的一篇論文中，斯坦福-伯納姆醫(yī)學(xué)研究所(Sanford-Burnham)和約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員將第一個(gè)基于成熟的ARVD/C 的“培養(yǎng)皿中的疾病”（disease in a dish）模型公諸于世。這一模型是利用山中伸彌的技術(shù)生成，生成的細(xì)胞代謝更接近成人心臟，從而為模擬疾病細(xì)胞成熟提供了一種新方法。相比于其它模型，這一模型有可能與人類ARVD/C更相關(guān)，因而更適合用于對(duì)該疾病進(jìn)行研究及檢測新療法。
 
     “要證實(shí)培養(yǎng)皿中的疾病模型與成人發(fā)作性疾病具有臨床相關(guān)性這點(diǎn)是相當(dāng)困難的。但在這里我們?nèi)〉昧艘粋€(gè)重要的發(fā)現(xiàn)——只有當(dāng)我們誘導(dǎo)成人樣代謝發(fā)生時(shí)，我們才能重現(xiàn)該疾病缺陷。這是一個(gè)重要的突破，因?yàn)锳RVD/C癥狀通常要到成年早期才會(huì)出現(xiàn)；而且我們正在研究的干細(xì)胞在本質(zhì)上是胚胎狀態(tài)，”該研究的資深作者、斯坦福-伯納姆醫(yī)學(xué)研究所副教授Huei-Sheng Vincent Chen說。
 
     為了建立這一模型，Chen與約翰霍普金斯大學(xué)的ARVD/C心臟病學(xué)專家Daniel Judge博士、Joseph Marine博士和Hugh Calkins展開了協(xié)作。 “目前還沒有能夠阻止ARVD/C疾病進(jìn)程的治療手段。有了這一新模型，我們期望能為這一危及生命的疾病開發(fā)出更好的治療方法，” 約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳性心臟病中心的醫(yī)學(xué)顧問Judge副教授說。
 
培養(yǎng)皿中的疾病

     為了在實(shí)驗(yàn)室中重建患者特異性ARVD/C，研究小組首先從ARVD/C患者身上獲得了皮膚樣本。這些患者均攜帶有據(jù)信與該疾病相關(guān)的某些突變。隨后他們采用了Yamanaka的技術(shù)：添加一些分子撥回這些成人皮膚細(xì)胞的發(fā)育時(shí)鐘，以使它們生成胚胎樣的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)。之后研究人員誘導(dǎo)這些iPSCs生成了可無限供應(yīng)的患者特異性心肌細(xì)胞。這些心肌細(xì)胞實(shí)質(zhì)上大多處于胚胎狀態(tài)，只是還攜帶著患者原有的基因突變。
 
     然而，近一年來，無論他們?cè)趺磁Γ芯啃〗M也無法讓他們的ARVD/C心肌細(xì)胞呈現(xiàn)出任何該疾病的征象。缺乏成人發(fā)作ARVD/C的實(shí)際征象，這些不成熟的、患者特異性的心肌細(xì)胞也就不能用于研究疾病或測試新治療藥物。

加快速度
 
     最終，研究小組獲得了靈感。他們發(fā)現(xiàn)代謝成熟是誘導(dǎo)他們的胚胎樣細(xì)胞出現(xiàn)ARVD/C（成人?。┱飨蟮年P(guān)鍵。葡萄糖是人類胎兒心肌細(xì)胞的主要能量來源。相比之下，成體心肌細(xì)胞則更喜歡利用脂肪來生成能量。因此Chen研究小組利用幾種雞尾酒來誘導(dǎo)他們模型中的這種成體代謝轉(zhuǎn)變。

     經(jīng)歷多次試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)代謝失常是ARVD/C疾病的核心。此外，Chen研究小組可以使患者特異性心肌細(xì)胞像患病ARVD/C心臟一樣具有同樣的表現(xiàn)，這是該研究的最后一個(gè)難題：一種稱作PPAR蛋白質(zhì)的異常過度激活?？茖W(xué)家們從前將ARVD/C的病因歸結(jié)于心肌細(xì)胞之間的連接減弱，而這種情況只發(fā)生在半數(shù)的ARVD/C患者中。有了這個(gè)新建的模型，他們不僅可在培養(yǎng)皿中重現(xiàn)這一成人發(fā)作疾病，還可為治療ARVD/C提供了新的潛在藥物靶點(diǎn)。
 
下一步做什么？

     Chen的研究小組近期獲得了加州再生醫(yī)學(xué)研究所的新研究資助，以構(gòu)建其它的基于iPSC的ARVD/C模型。隨著更多的ARVD/C模型誕生，他們將能夠確定是否所有的患者都是由該研究中發(fā)現(xiàn)的相同代謝缺陷所致。
 
     Chen也希望與約翰霍普金斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)協(xié)作開展臨床前研究，為這一致命性心臟病尋找新療法。

點(diǎn)評(píng): 用Yamanaka的技術(shù)產(chǎn)生的患者特異性心肌細(xì)胞屬于改造的新物種細(xì)胞，在此基礎(chǔ)上建立的模型也與患者本身細(xì)胞特性不同，盡管研究小組利用幾種雞尾酒來誘導(dǎo)模型中的這種成體代謝轉(zhuǎn)變，提供新的潛在藥物靶點(diǎn)，其結(jié)果是否能夠適用于人體仍是未知。
 
相關(guān)文獻(xiàn)：

Author: Changsung Kim, Johnson Wong, Jianyan Wen, Shirong Wang, Cheng Wang, Sean Spiering, Natalia G. Kan, Sonia Forcales, Pier Lorenzo Puri, Teresa C. Leone, Joseph E. Marine, Hugh Calkins, Daniel P. Kelly, Daniel P. Judge & Huei-Sheng Vincent Chen

【Abstract】Cellular reprogramming of somatic cells to patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) enables in vitro modelling of human genetic disorders for pathogenic investigations and therapeutic screens1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. However, using iPSC-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) to model an adult-onset heart disease remains challenging owing to the uncertainty regarding the ability of relatively immature iPSC-CMs to fully recapitulate adult disease phenotypes. Arrhythmogenic right ventricular dysplasia/cardiomyopathy (ARVD/C) is an inherited heart disease characterized by pathological fatty infiltration and cardiomyocyte loss predominantly in the right ventricle8, which is associated with life-threatening ventricular arrhythmias. Over 50% of affected individuals have desmosome gene mutations, most commonly in PKP2, encoding plakophilin-2 (ref. 9). The median age at presentation of ARVD/C is 26 years8. We used previously published methods1, 10 to generate iPSC lines from fibroblasts of two patients with ARVD/C and PKP2 mutations11, 12. Mutant PKP2 iPSC-CMs demonstrate abnormal plakoglobin nuclear translocation and decreased β-catenin activity13 in cardiogenic conditions; yet, these abnormal features are insufficient to reproduce the pathological phenotypes of ARVD/C in standard cardiogenic conditions. Here we show that induction of adult-like metabolic energetics from an embryonic/glycolytic state and abnormal peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR-γ) activation underlie the pathogenesis of ARVD/C. By co-activating normal PPAR-alpha-dependent metabolism and abnormal PPAR-γ pathway in beating embryoid bodies (EBs) with defined media, we established an efficient ARVD/C in vitro model within 2 months. This model manifests exaggerated lipogenesis and apoptosis in mutant PKP2 iPSC-CMs. iPSC-CMs with a homozygous PKP2 mutation also had calcium-handling deficits. Our study is the first to demonstrate that induction of adult-like metabolism has a critical role in establishing an adult-onset disease model using patient-specific iPSCs. Using this model, we revealed crucial pathogenic insights that metabolic derangement in adult-like metabolic milieu underlies ARVD/C pathologies, enabling us to propose novel disease-modifying therapeutic strategies.

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature11799.html