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发光细胞成为心脏病治疗的法宝



作者:Julian Cribb 和 Alexandra Roginski

一种从深海水母中分离出来的荧光蛋白已帮助科学家们在实验室中完成了对心脏细胞的分离,其不仅成为了辅助心脏病治疗的一项法宝,同时也为世界各地的干细胞研究者创造了前所未有的机遇。

这是联邦快递送达的一个包裹,大小不过普通鞋盒的一半,上面赫然注明了“生物”字样,里面是用塑料泡胶包裹着的 96 个培养皿。这种室温包裹的国际快递费用大约为 250 澳元,但这对于生物医学而言。这个包裹的意义却是无价的。

蒙纳士大学大卫·埃利奥特(David Elliott)的研究小组向其国际合作伙伴发送的每一个盒子里都包含了约五十万个纯化的人体心脏肌肉细胞。它们是采用一种创新的技术从其他类型的细胞中分离出来的材料,研究人员可以借助这种材料对心脏功能进行研究,同时也能针对攻击人体发动机——心脏的相关疾病进行治疗测试。

要最终成功找到治疗心脏病的有效方法的关键因素之一是要深入了解心肌壁内所含心肌细胞的受损与修复原理。多年来,科学家们和制药公司一直是在采用非纯化的细胞系进行研究,但对他们所观察到的效果并无十足的把握,例如细胞死亡,究竟是因心肌细胞(心脏肌肉细胞)自身的反应导致的,还是由环境或支持细胞而导致的。

2011 年,由埃利奥特博士领导并有蒙纳士大学安德鲁·埃乐范提(Andrew Elefanty)教授及埃德·斯坦利(Ed Stanley)教授共同参与的国际研究小组在《自然方法》(Nature Methods)上发表了一篇论文,阐述了有可能为心脏细胞提供一个取之不尽、用之不竭的来源的研究方案。这不仅使研究人员因获得干细胞科学领域的重大进步而显得光彩熠熠,这一个个的细胞同样也是光彩熠熠。

“研究人员需要研究体外心肌细胞,以进一步了解各种疾病的进展,”埃利奥特博士说道,“他们需要对新药进行安全的筛选,需要确定其对心脏组织是否具有毒性——然而,事实证明,要想获得完全成熟且存活的心肌细胞来完成这些工作是具有相当大难度的。”

为了应对这一挑战,来自蒙纳士大学、沃尔特和伊丽莎·霍尔研究所(Walter and Eliza Hall Institute)、贝克 IDI 心脏与糖尿病研究所(Baker IDI Heart and Diabetes Institute)、荷兰莱顿大学医学中心(Leiden University Medical Centre)及荷兰蛋白质组学研究中心(Netherlands Proteomics Centre)的 26 名科学家对此展开了一项为期四年的研究。

这项研究得益于一种水母,即维多利亚多管发光水母,一种生长于北美和欧洲大西洋海域的几乎如水晶般透明的水母。自二十世纪 90 年代以来,干细胞科学家一直在利用一种来自水母的绿色荧光蛋白,通过它使细胞在紫外光照射下发出绿光,从而作为标记细胞的一种有效方法。

“在培养胚胎干细胞时,你可以利用某些特定的生长因素来刺激其产生专门的心肌细胞。”埃利奥特博士说道,“但问题的关键在于,如何才能对平滑的肌肉细胞与其他类型的细胞进行识别与分离?这是我们面临的第一大挑战。”

通过一种基因程序,团队利用水母荧光蛋白改变了人类胚胎干细胞的培养方法,从而使其能够专门与一种名为 NKX2-5 的基因联系一起。当细小的心脏开始成形之时,这种基因会在胚胎发育的早期阶段发挥作用,以促使生长的组织发育成一个成熟的器官。这样一来,研究人员便能通过紫外线照射下呈现的亮绿色识别出潜在的心肌细胞。更为绝妙的是,这些细胞在成熟地发育为跳动的心脏细胞之前会提前几天完成上述演变,这意味着研究小组可以对已完全发育成熟的心肌细胞及即将分化成心脏细胞的心脏祖细胞进行有效的识别。

然而,在确定了这些细胞之后,研究人员又当如何对其进行物理隔离呢?在解决第二个难题时,研究小组所采用的方法是对在发光的心肌细胞表面形成的一对蛋白质进行识别,以将其作为生化“手柄”。然后利用专门的抗体对其进行提取,从而以一种廉价而有效的方式将心肌细胞与其他细胞分离开来。

伟大的发现满足不同的应用需求

除了有助于对研究用心脏细胞的培养进行纯化处理,这项技术还可以让心脏专家对采用个体患者的干细胞所培养的心脏细胞进行分离。埃利奥特博士透露,目前已有多家生物科技公司正在投资研发这种“个性化”的医药技术。

假想一种潜在的应用:某些化疗手段会导致 20-30% 的患者出现心脏肌肉的损伤。然而,目前还没有任何一种方法可以预知某位个体患者是否容易出现这种损伤。尽管科学家们现在已经可以从患者身上提取皮肤样本,并用它来培养干细胞,但使用这种方式培养出来的并不是纯化的细胞。这项新技术意味着可以对通过这种方式培养出来的心脏肌肉细胞进行分离:然后直接将药物作用于培养皿中跳动的心脏肌肉细胞,以对效果进行观察。

在实验室中,可以采用这样的细胞对新一代的心脏药物进行试验。在开展对动物或人体的试验之前,或在药物副作用太强而终止试验的情况下,我们可以通过培养皿中的细胞获得关于药物有效性和安全性方面的重要信息。这样以来,便可极大地缩短研发过程所需的时间。

“对于研究人员而言,其意义在于这是第一次获得了纯化的人类心脏细胞,没有受到动物产物或可能携带的病原体的污染。”埃利奥特博士说道。

研究小组已就此项技术申请了临时专利,并已将细胞系提供给欧洲、美国及亚洲各大一流的实验室使用。

在干细胞操作与分化领域(即,使干细胞分化发育成专门的细胞——心脏、皮肤等),埃乐范提教授与斯坦利教授两人可谓是享誉国际的领军人物。从进入蒙纳士大学免疫学与干细胞实验室(MISCL)开始,埃利奥特博士便一直在自己的实验室里从事心肌细胞方面的研究,去年更是组建了一支自己的 MISCL 研究小组。这些心脏细胞是埃乐范提—斯坦利实验室培育出来的第六号细胞系。目前,他们正在采用类似的技术来分离糖尿病治疗所需的胰岛素分泌细胞、以及白血病治疗所需的血细胞。

尽管此项技术的直接价值还仅仅只能体现在培养研究与药物试验所使用的实验细胞,但在埃利奥特博士看来,这项技术日后很有可能会发挥直接的医学应用价值,即利用患者自身的心脏分离然后培养出健康的细胞系,以替换那些因疾病而严重受损的心脏细胞,从而能避免心脏移植手术以及出现组织排斥反应的风险。不过,他也强调说,这仍将是条漫长的征途。

就目前而言,他们所取得的成果已为世界各地的干细胞研究者提供了难能可贵的机会。荷兰有一支研究小组目前正在利用埃利奥特博士实验室提供的细胞进行 QT 间期延长综合症方面的研究——一种与调节心跳的电路相关的疾病。而对于具有生化“手柄”功能的细胞表面蛋白质,其目前也被广泛地应用于世界各地的实验室,以用于心脏病领域的相关研究。

来自威斯康星-麦迪逊大学(University of Wisconsin–Madison)的蒂莫西·坎普(Timothy Kamp)副教授针对于此项研究所产生的影响,在《自然方法》中所发表了评论文章,或许这是对此所做的最好总结。“心血管领域的干细胞研究正在不断取得良好的效果……这盏明亮的聚光灯让我们看到,采用革命性的创新方法进行研究与治疗将成为可能。然而,这其中涉及到关键性的基础建设工作,就如本文中所描述的这些研究,只有凭借这些研究所提供的必要工具与相关知识,我们才能真正实现对未来的憧憬。”

2012年 10 月

蒙纳士社交媒体

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