研究人员创造细胞系来帮助治疗儿童线粒体疾病

 

   

图片:一个可视化的CRISPR-Cas9过程，包括一个6孔板和克隆的引导RNA被引入人类细胞(上)，在96孔板中收获的细胞(中)

线粒体因其“细胞动力源”的作用而享有盛誉。这些微小但强大的细胞器扮演着各种维持生命的角色，从为我们自己的细胞和器官提供能量到为化学和生物过程提供燃料。但当它们不能正常工作时，就会发生一些罕见的疾病。

线粒体疾病是一组使人衰弱的遗传疾病，全世界每5000人中就有一人患病，其中大多数是儿童。伴随这些疾病而来的是各种各样的健康问题，包括但不限于心脏病、发育和认知障碍、呼吸问题、生长不良，甚至过早死亡。从现在起，没有治愈方法。

但是最近的研究发表在期刊线粒体和BMC分子和细胞生物学Aloka服从Bandara,研究生物医学科学系的副教授和病理学Virginia-Maryland兽医学院和他的团队提供了线粒体疾病患者和他们的父母一线希望。

班达拉与来自布莱克斯堡和罗阿诺克的弗吉尼亚理工大学研究人员一起，成功地创建了模仿线粒体疾病细胞的活细胞模型。这些细胞将为药物研究和线粒体疾病的未来研究奠定基础。

“我们的细胞模型将让我们看到，当一个孩子患上线粒体疾病时，细胞及其过程到底发生了什么。除了这些因素，我们将能够对新候选药物的毒性和有效性进行进一步研究，”班达拉说，他也是弗拉林生命科学研究所的附属教员。

我们的身体从我们吃的食物和呼吸的空气中产生维持生命的能量。氧气和营养物质，如葡萄糖，在身体的器官、组织和细胞中流动，直到它们到达它们的最终目的地:线粒体。当营养物质到达线粒体的内膜时，一系列独特的蛋白质复合物，称为电子传递链，开始运转。

通过一系列的反应，电子传递链能够将电子从营养物中移除，并推动它们通过线粒体膜，从而形成质子梯度。当这种情况发生时，身体产生三磷酸腺苷，也就是广为人知的ATP，它是细胞内携带能量的分子。

班达拉说:“有时，你可以看到电子传递链蛋白质内部的破坏或突变。”“结果是，蛋白质复合物不能运输电子，然后能量生产被中断。几乎所有器官都将受到影响——心脏、眼睛和肌肉——它们将不能正常工作。”

电子传递链由五个蛋白质复合物或蛋白质组组成。复合物I和复合物II是两个主要负责从营养物质中移除电子的蛋白质复合物。如果它们不能履行职责，整个电子传递链就会失效，身体就不能产生ATP。

线粒体疾病患者可能有复合体I或复合体II的缺陷。复杂I型紊乱的患者通常有神经问题，如癫痫发作和大脑功能异常。那些复杂II分裂的人可能会发展成许多其他疾病，更有可能发展成几种癌症。

尽管研究人员能够精确定位缺陷的位置，但为这些线粒体疾病创造治疗方法一直是一个挑战。治疗、维生素和膳食调整已经能够帮助缓解症状和减缓疾病的进展;但是，线粒体疾病本身并没有治愈方法。因此，需要创造、测试和改进新药。

班达拉希望他的细胞系不仅能支持即将进行的研究，还能支持正在经历线粒体疾病及其所有直接影响的患者及其家属。

班达拉说:“父母常常很无助，因为他们不能去药店买药。”“希望他们能看到，弗吉尼亚理工大学在找到治疗这些疾病的方法方面取得了巨大的飞跃。也许他们会觉得自己不再孤单，大学和科学正在与他们并肩作战。”

为了测试候选药物，研究人员必须首先创建细胞模型，作为人工“生病”细胞。细胞模型是发现药物的极好工具，因为线粒体疾病可以在不需要从患者身上提取细胞的情况下进行研究。

为了创造模拟线粒体疾病的细胞，班达拉必须使用CRISPR/Cas9技术“敲除”生成复合物I和复合物II编码的基因组部分。

首先，研究人员确定了基因组中需要删除的部分。然后，他们设计了一段RNA，以此作为自己的“基地”。然后，该RNA“引导”一种名为Cas9的酶到该基因的home base。Cas9能够绑定到那个点并“切断”它。

在这一过程完成后，班达拉进行了基因组测序，以确认该部分已成功从基因组中删除。经过几个月的努力，班达拉和他的团队创造了两种突变细胞系，一种去掉了复合物I，另一种没有复合物II。

班达拉是弗吉尼亚理工大学布莱克斯堡校区为数不多的使用CRISPR/Cas9技术治疗线粒体疾病的研究人员之一。

在培育出突变细胞系后，班达拉将它们置于一个疾病模型中，在该模型中，他测试了“患病”细胞系与由健康细胞组成的“亲本”细胞系的功能。通过仔细分析，班达拉证实，患病细胞消耗的氧气少得多，生长非常缓慢，不能产生足够的ATP使细胞正常工作——线粒体疾病细胞的三个标志。

一旦他们证实了敲除细胞系正确地模拟了线粒体疾病的细胞功能障碍，他们就能够测试一种新开发的药物，叫做伊地苯酮。班达拉研究表明，通过这种处理可以在一定程度上恢复细胞生长和耗氧。

这些细胞系是来自人类营养、食品和运动系和弗吉尼亚理工大学Carilion医学院的专家们卓有成效的合作的产物。

突变细胞系的构建是由大卫·布朗指导和支持的，大卫·布朗是弗吉尼亚理工大学农业和生命科学学院人类营养、食品和运动系的前副教授，现在是Stealth BioTherapeutics的科技创新高级主任。波士顿的一家生物技术公司。

通过这项工作，该团队已经为他们的细胞获得了两项临时专利。其中一种细胞系已经获得专利并授权给一家制药公司，该公司将为线粒体疾病患者开发新的疗法。

这些细胞已经通过Ximbio提供给全球有兴趣的研究人员和制药公司使用，Ximbio是世界上最大的非营利组织，专门从事所有类型的生命科学研究工具。

“线粒体复合体I和II缺陷的细胞模型具有很高的社会和经济影响，作为以成本和时间有效的方式测试线粒体功能障碍治疗候选药物的模型，”Justin Perry说，他是弗吉尼亚理工大学的毕业生，现在是Ximbio的业务发展经理。

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