世界生命科学前沿动态周报（八十八）

使用由患者自己的皮肤细胞转换成的心脏细胞来制作培养皿疾病模型

     Science Daily 2013年1月27日：大多数罹患致心律失常性右心室心肌病(arrhythmogenic right ventricular dysplasia/cardiomyopathy, ARVD/C) 这一遗传性心脏病的患者，都是到20岁出头才知道他们的身体有问题。年龄较小时缺乏症状使得研究人员极难研究ARVD/C的发病机制以及开发治疗手段。2012年诺贝尔奖得主山中伸弥（Shinya Yamanaka）博士开发的一项以干细胞为基础的新技术，可帮助解决这一问题。利用这一技术，研究人员能够用患者自身的皮肤细胞生成心肌细胞。然而，这些新生心脏细胞大多是不成熟的，这不禁让研究人员提出质疑：是否能够利用这些细胞来模拟成年期发生的疾病呢？

     在发表于1月27日《自然》（Nature）杂志上的一篇论文中，斯坦福-伯纳姆医学研究所(Sanford-Burnham)和约翰霍普金斯大学的研究人员将第一个基于成熟的ARVD/C 的“培养皿中的疾病”（disease in a dish）模型公诸于世。这一模型是利用山中伸弥的技术生成，生成的细胞代谢更接近成人心脏，从而为模拟疾病细胞成熟提供了一种新方法。相比于其它模型，这一模型有可能与人类ARVD/C更相关，因而更适合用于对该疾病进行研究及检测新疗法。
 
     “要证实培养皿中的疾病模型与成人发作性疾病具有临床相关性这点是相当困难的。但在这里我们取得了一个重要的发现——只有当我们诱导成人样代谢发生时，我们才能重现该疾病缺陷。这是一个重要的突破，因为ARVD/C症状通常要到成年早期才会出现；而且我们正在研究的干细胞在本质上是胚胎状态，”该研究的资深作者、斯坦福-伯纳姆医学研究所副教授Huei-Sheng Vincent Chen说。
 
     为了建立这一模型，Chen与约翰霍普金斯大学的ARVD/C心脏病学专家Daniel Judge博士、Joseph Marine博士和Hugh Calkins展开了协作。 “目前还没有能够阻止ARVD/C疾病进程的治疗手段。有了这一新模型，我们期望能为这一危及生命的疾病开发出更好的治疗方法，” 约翰霍普金斯大学医学院遗传性心脏病中心的医学顾问Judge副教授说。
 
培养皿中的疾病

     为了在实验室中重建患者特异性ARVD/C，研究小组首先从ARVD/C患者身上获得了皮肤样本。这些患者均携带有据信与该疾病相关的某些突变。随后他们采用了Yamanaka的技术：添加一些分子拨回这些成人皮肤细胞的发育时钟，以使它们生成胚胎样的诱导多能干细胞(iPSCs)。之后研究人员诱导这些iPSCs生成了可无限供应的患者特异性心肌细胞。这些心肌细胞实质上大多处于胚胎状态，只是还携带着患者原有的基因突变。
 
     然而，近一年来，无论他们怎么努力，研究小组也无法让他们的ARVD/C心肌细胞呈现出任何该疾病的征象。缺乏成人发作ARVD/C的实际征象，这些不成熟的、患者特异性的心肌细胞也就不能用于研究疾病或测试新治疗药物。

加快速度
 
     最终，研究小组获得了灵感。他们发现代谢成熟是诱导他们的胚胎样细胞出现ARVD/C（成人病）征象的关键。葡萄糖是人类胎儿心肌细胞的主要能量来源。相比之下，成体心肌细胞则更喜欢利用脂肪来生成能量。因此Chen研究小组利用几种鸡尾酒来诱导他们模型中的这种成体代谢转变。

     经历多次试验，他们发现代谢失常是ARVD/C疾病的核心。此外，Chen研究小组可以使患者特异性心肌细胞像患病ARVD/C心脏一样具有同样的表现，这是该研究的最后一个难题：一种称作PPAR蛋白质的异常过度激活。科学家们从前将ARVD/C的病因归结于心肌细胞之间的连接减弱，而这种情况只发生在半数的ARVD/C患者中。有了这个新建的模型，他们不仅可在培养皿中重现这一成人发作疾病，还可为治疗ARVD/C提供了新的潜在药物靶点。
 
下一步做什么？

     Chen的研究小组近期获得了加州再生医学研究所的新研究资助，以构建其它的基于iPSC的ARVD/C模型。随着更多的ARVD/C模型诞生，他们将能够确定是否所有的患者都是由该研究中发现的相同代谢缺陷所致。
 
     Chen也希望与约翰霍普金斯大学的研究团队协作开展临床前研究，为这一致命性心脏病寻找新疗法。

点评: 用Yamanaka的技术产生的患者特异性心肌细胞属于改造的新物种细胞，在此基础上建立的模型也与患者本身细胞特性不同，尽管研究小组利用几种鸡尾酒来诱导模型中的这种成体代谢转变，提供新的潜在药物靶点，其结果是否能够适用于人体仍是未知。
 
相关文献：

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