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世界生命科學(xué)前沿動態(tài)周報（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。年齡較小時缺乏癥狀使得研究人員極難研究ARVD/C的發(fā)病機制以及開發(fā)治療手段。2012年諾貝爾獎得主山中伸彌（Shinya Yamanaka）博士開發(fā)的一項以干細(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)，因而更適合用于對該疾病進行研究及檢測新療法。
“要證實培養(yǎng)皿中的疾病模型與成人發(fā)作性疾病具有臨床相關(guān)性這點是相當(dāng)困難的。但在這里我們?nèi)〉昧艘粋€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，我們才能重現(xiàn)該疾病缺陷。這是一個重要的突破，因為ARVD/C癥狀通常要到成年早期才會出現(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
為了在實驗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，無論他們怎么努力，研究小組也無法讓他們的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，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。
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)的研究團隊協(xié)作開展臨床前研究，為這一致命性心臟病尋找新療法。
點評: 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，其結(jié)果是否能夠適用于人體仍是未知。
相關(guān)文獻(xiàn)：
Studying arrhythmogenic right ventricular dysplasia with patient-specific iPSCs
【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