胸心外科

梳理心脏重编程最新研究进展

作者:佚名 来源:生物谷 日期:2017-10-28
导读

         在心脏病发作后,死亡的心肌组织会由瘢痕组织替代。不过,瘢痕组织与心肌的搏动方式不相同,因而心脏的“泵血”能力下降。近年来,科学家们采用多种手段将心脏瘢痕组织和其他组织中的成纤维细胞直接重编程为心肌细胞。这一突破性的成果为未来的临床试验和心脏病患者治疗奠定基础。

关键字:  心脏 

        在心脏病发作后,死亡的心肌组织会由瘢痕组织替代。不过,瘢痕组织与心肌的搏动方式不相同,因而心脏的“泵血”能力下降。近年来,科学家们采用多种手段将心脏瘢痕组织和其他组织中的成纤维细胞直接重编程为心肌细胞。这一突破性的成果为未来的临床试验和心脏病患者治疗奠定基础。基于此,小编针对这一方面的最新进展,进行一番盘点,以飨读者。

        1.Nature:重大突破!利用单细胞转录组分析揭示成纤维细胞转化为心肌细胞机制

        doi:10.1038/nature24454

        图片来自Qian Lab, UNC School of Medicine。

        如今,在一项新的研究中,来自美国北卡罗来纳大学的研究人员将微流体单细胞RNA测序与数学建模、遗传方法和化学方法结合在一起,描述了从成纤维细胞到心肌细胞的细胞命运转化期间逐步发生的分子变化。在北卡罗来纳大学医学院病理学与实验室医学助理教授Li Qian博士的领导下,这些研究人员不仅成功地重建了单个成纤维细胞在这个过程中选择的路径,而且还鉴定出在成纤维细胞转化为心肌细胞期间发挥着重要作用的分子通路和关键性调节物。相关研究结果于2017年10月25日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte”。

        Qian实验室开创直接心脏重编程(direct cardiac reprogramming)方法,并且在过去几年对这种方法进行优化。作为心脏再生和疾病建模的一种有前景的方法,它涉及将心脏中的非心肌细胞直接转化为非常类似于内源性心肌细胞的诱导性心肌细胞(induced cardiomyocytes, iCM)。就像任何重编程过程那样,接受重编程的很多细胞并不会同时发生重编程。这意味着这是一种“异步(asynchronous)”过程。转化在不同的时间发生。因此,在这个过程的任何阶段,细胞群体总是含有未转化的细胞、部分重编程细胞和完全重编程细胞。换言之,细胞重编程是“异质的(heterogeneous)”,这就使得很难利用传统方法开展分析。

        在这项新的研究中,通过利用微流体单细胞RNA测序技术,Qian实验室解决了“异步”编程和异质细胞群体这两个主要的问题。他们在从成纤维细胞到iCM的命运转化期间分析了全局转录组变化。

        利用数学算法,这些研究人员在这种重编程过程中鉴定出具有不同分子特征的细胞亚群。随后,他们基于模拟和实验验证,重建了iCM形成路径。这些路径为他们提供了前所未有的高分辨率路线图,以便在未来研究这种细胞转化机制。

        通过进一步分析重编程期间的全局基因表达变化,这些研究人员意料之外地鉴定出参与mRNA加工和剪接的因子发生下调。Qian团队继续对最优先考虑的候选因子---剪接因子Ptbp1---开展详细的功能分析。有证据提示着它是成纤维细胞获得心肌细胞特异性的剪接模式的一种关键的阻碍物。Qian团队的研究证实剔除Ptbp1促进更多的iCM产生。

        进一步的定量分析揭示出每种重编程因子(即Mef2、Gata4、Tbx5和DsRed,让成纤维细胞表达这四种重编程因子,会让它们转化为iCM)的表达与单个成纤维细胞的重编程过程进展存在着一种很强的关联性,而且导致发现新的富集iCM的表面标志物。

        2.Circulation:重磅!科学家成功将结缔组织细胞重编程为心肌细胞

        doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.116.024692

        最近,来自格莱斯顿研究所(Gladstone Institutes)的科学家们通过研究鉴别出了两种化学物质或能改善心脏瘢痕组织转化成为健康心肌组织的能力,相关研究刊登于国际杂志Circulation上,该研究或将帮助研究人员开发新型有效的治疗心力衰竭的疗法。

        心力衰竭每年影响着570万美国人的健康,而且每年能够花费国家307亿美元,最关键的是目前并无疗法治疗心力衰竭;当心肌受损时,机体就无法修复死亡或损伤的细胞,文章中,研究者就深入分析了心脏中细胞的重编程机制,以此来对心肌细胞进行再生,这或许有望治疗并且治愈患者的心力衰竭。

        仅需要三种转录因子就能够将小鼠机体的结缔组织细胞重编程为心肌细胞,当心脏病发作后,结缔组织就会在损伤部位形成疤痕组织,从而诱发心力衰竭的发生,这三种转录因子Gata4,Mef2c,Tbx5(GMT因子)能够互相协作开启结缔组织细胞中的基因表达,同时关闭其它不必要基因的表达,最终对损伤的心肌细胞进行有效修复,但这种方法并不简单,而且也仅有10%的细胞能够从疤痕组织细胞转化成为心肌组织细胞。

        3.Cell Stem Cell:重大突破!心肌细胞转分化率提高10倍!

        doi:10.1016/j.stem.2016.02.003

        心力衰竭病人的心脏经常拥有堆积的瘢痕组织,这种瘢痕组织导致心脏功能逐渐丧失。在一项新的研究中,来自美国北卡罗来纳大学医学院的研究人员报道了他们在心脏病研究中取得的重大进展。这一进展有助人们开发出一种新的能够显著缩小心脏瘢痕组织同时补充健康心肌细胞的治疗方法。相关研究结果发表在2016年3月3日那期Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Bmi1 Is a KeyEpigeneticBarrier to Direct Cardiac Reprogramming”。

        论文通信作者、北卡罗来纳大学医学院病理学与实验室医学助理教授Li Qian博士说,“我们过去的研究已带来希望:我们可能有朝一日通过将瘢痕组织转化为跳动的心肌来改善心肌衰竭病人的心脏功能。但是,那更多的是一种概念验证研究,因为这种转化率非常低。如今,我们发现这种转化的障碍,通过移除这种障碍,我们能够显著增加心肌细胞样细胞(muscle-like cell)的产量。”

        2012年,Qian和她的同事们开发出一种能够将组成瘢痕组织的成纤维细胞转化为心肌细胞的蛋白混合物,其中所产生的心肌细胞自主跳动的方式完全与正常的心肌细胞一样。显著地,这种方法并不需要将成纤维细胞转化为干细胞,而这通常是其他的组织再生技术所需要的,因而它也就降低了不受控制的细胞生长和肿瘤形成的可能性。

        当研究人员发现基因Bmi1干扰将成纤维细胞转化为心肌细胞所需的其他关键基因的表达时,这个新的突破便降临了。在此之前,人们已研究了Bmi1在神经干细胞和癌细胞中的作用,但是这是首次研究它在与心源性基因相互作用中的角色。

        当研究人员剔除基因Bmi1时,这种转化率显著增加:转化为心肌细胞的成纤维细胞比例增加了10倍。抑制Bmi1表达也允许Qian和她的团队降低这种蛋白混合物中不同蛋白的数量,从而得以简化这种混合物。

        4.Cell Stem Cell:科学家将成纤维细胞成功重编程形成心脏祖细胞

        doi:10.1016/j.stem.2015.12.001

        通过遗产性地重编程哺乳动物机体中常见类型的细胞,来自威斯康星大学的研究人员成功地制造出了主要的心脏细胞,即用于形成发育心脏的原始祖细胞,相关研究刊登于国际杂志Cell Stem Cell上。文章中研究者报道了他们可以将小鼠的成纤维细胞成功编程产生诱导的心脏祖细胞(cardiac progenitor cells),他们所利用的技术可以有效控制并且制造心脏中的三种主要的心脏细胞,如果其可以在人类细胞中复现,那么有一天或许就可以帮助治疗多种心脏疾病。

        利用5种基因研究人员就可以将成纤维细胞推回至发育阶段,进而转变成为制造心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞的心脏祖细胞,这种诱导性的心脏祖细胞可以制造数亿万个关键的心脏细胞,从而提供丰富的原料来供研究者们在培养皿中对心脏细胞进行研究,进而进行多种化合物的安全性及有效性的测试。

        5.Sci Rep:重编程技术产生心肌细胞

        doi:10.1038/srep03474

        密歇根大学科学家通过重编程技术,成功的采用纤维母细胞修复了受损的心脏。相关报道发表在近期的Scientific Reports杂志上。之前采用重编程方法修复心肌细胞的成功率很低。密歇根大学生物医学工程学系的Andrew Putnam教授认为他找到了重编程技术的关键因素。

        为了研究细胞环境对重编程效率的影响,Yen Peng Kong博士将纤维母细胞混如心肌细胞中,并在不同硬度的胶上培养这些细胞。他发现在含有中等强度胶原纤维的凝胶上生长的细胞更多的表达血小板相关的蛋白,而在含高强度纤维的凝胶上生长的细胞会表达结构蛋白。

        纤维母细胞来自于小鼠胚胎。科学家将干细胞的基因转入到该细胞后,纤维母细胞转化为干细胞样前体细胞。几天之后,Kong博士加入促进心脏组织生长的物质,再过几天有些细胞克隆就会呈现心肌细胞样。该转化过程在含纤维蛋白和纤维-胶原复合物中更容易实现,有大于一半的克隆都会转化为心肌细胞。

        6.Cir. Res:microRNA可变疤痕组织为心肌细胞

        doi:10.1161/ CIRCRESAHA.112.269035

        4月26日出版的美国心脏协会会刊《循环研究》(Circulation Research)报道,美国科学家不借助干细胞移植过程,而使用名为微核糖核酸(microRNA)的分子,在实验室器皿中首次将实验鼠心脏病发作后留下的疤痕组织变成心肌细胞。最新研究一旦在人类身上试验成功,将有助于科学家们研发出新的心脏衰竭疗法。

        为了开启该心肌组织再生过程,杜克大学医学教授维克多·祖领导的科研团队使用了微核糖核酸,这种分子可以扮演主调节器的角色,控制多个基因的活动。他们采用一种特定的组合形式,将微核糖核酸递入名为纤维原细胞(心脏病发作后,纤维原细胞会发育并损害组织的泵血能力)的疤痕组织细胞中。

        一旦将微核糖核酸分子部署好,它们就会对纤维原细胞进行重新编程,让其变成与心肌细胞类似的细胞。科学家们不仅在实验室证明了这一概念可行,而且也证明这种细胞转化能在老鼠体内发生,而这一点对再生医学成为一种有潜力的治疗方法非常重要。

        7.Cell:一种直接培育心肌细胞的方法

        doi:10.1016/j.cell.2010.07.002

        8月6日,美国和日本的研究人员在《细胞》(Cell)杂志网络版上发表论文称,他们通过在成纤维原细胞中植入特定的Gata4, Mef2c和Tbx5种基因,成功培育出心肌细胞。研究人员发现,在小鼠胚胎的心脏中,有3种基因是生成心肌细胞必不可少的。通过向纤维原细胞中植入这3种基因,可以获得驱动心跳的心肌细胞。与利用诱导多能干细胞(ips细胞)培育心肌细胞相比,这种方法更加安全、简捷。

        据新华社记者采访该项研究负责人家田真树,这位日本庆应大学助教说:“今后将确认是否可以用同样方法制造出人类心肌细胞。如果可行,心肌梗塞患者将无需接受开胸手术,而只需通过导入这些基因,让那里的纤维原细胞直接生成健康的心肌细胞。”

        8.荷兰研究者培育心肌细胞取得进展

        兰研究人员日前宣布,他们利用成人心脏细胞成功培育出了心肌细胞,这意味着不靠移植心脏而修复心脏缺陷的医学研究又向前迈进了一步,而且回避了此前同类研究中由胚胎干细胞引发的伦理争议。

        据荷兰国际广播电台报道,荷兰乌特勒支大学医学中心和胡布雷希特实验室的研究人员介绍说,心肌细胞迄今只能由胚胎干细胞培养而成,但这种方法不仅会因采用胚胎干细胞而在一些欧美国家招致伦理争议,而且还可能引发排异反应。但荷兰研究者则从心脏病患者自己的心脏中提取出一些细胞,在经过相应处理后最终培养成心肌细胞,回避了伦理争议和排异反应这两个问题。

        研究人员没有详细介绍具体的研究过程,但指出这是心脏病研究方面的一项“重要突破”。“这样,我们就能大量培养心肌细胞了,而且其来源是病人自己。我们认为,这是一项真正的突破。”参与试验的荷兰研究者说。

        9.J Thorac Cardiov Sur:心脏病患者的福音!科学家发现Gata4或可还你一颗健康的心脏!

        doi:10.1016/j.jtcvs.2017.06.035

        在贝勒医学院教授兼分子和细胞生物学教授Todd K. Rosengart博士领导的心脏再生实验室中,一组研究人员表明,用转录因子Gata4,Mef2c和Tbx5(GMT)导致较少的瘢痕组织或纤维化,并且在该疾病的小动物模型中心脏功能增加高达50%。

        该结果被认为主要是将心脏成纤维细胞重新编程成心肌细胞样细胞的结果。有趣的是,Rosengart团队注意到减少的纤维化和改善的心脏功能远远超过诱导的新的心肌细胞样细胞的程度。 Rosengart说:“这一观察表明存在未开发和未优化的基础机制。”

        研究小组更详细地调查了GMT鸡尾酒如何激活减少纤维化的机制。他们发现了第一个证据,在GMT鸡尾酒的三个组成部分,只有Gata4能够减少心脏病发作纤维化,并改善大鼠心脏病发作模型的心脏功能。

        “Gata4在心脏再生中起着复杂的作用:作为GMT鸡尾酒的一部分,它有助于将成纤维细胞重新编程成心肌细胞样细胞;我们知道它有助于心脏肥大 - 心脏扩大的发展 - 现在我们发现它可以减轻心脏纤维化,“Mathison说。 “其他人报道说,Gata4也可以抑制肝纤维化,在将这些发现转移到临床之前还有很多工作要做,但它们是重要的第一步。”

        10.Cell子刊:将人类心脏成纤维细胞转化为心肌细胞

        doi:10.1016/j.stemcr.2013.07.005

        在心脏病发作后,受害最严重部位的心肌细胞会丧失跳动能力,埋没在疤痕组织里。但是最近,美国加利福尼亚大学格莱斯顿研究所科学家称,这种损害不再是永久性的,他们找到一种方法,能把形成人类疤痕组织的细胞重新转变为极接近心脏细胞的会跳动的细胞。相关论文发表在最新出版的Stem Cell Reports期刊上。

        该研究小组去年曾在《自然》杂志发表论文,提出在小鼠身上通过重编程把成纤维细胞转变为跳动心脏细胞只需注射3种基因,合称GMT。但这次在人类细胞实验中,单独GMT组合效果并不理想。论文第一作者、格莱斯顿研究员傅继东(音译)说,于是他们重新开始寻找能促进转变的其他基因。

        研究小组把范围缩小到16个可能的基因,经过系统排除,最终找到了一种5个基因的组合:3个GMT组合加上ESRRG和MESP1,这5基因组合已足够把成纤维细胞变成类心脏细胞。随后他们发现,再添加MYOCD和ZFPM2两个基因,细胞会转变得更完全。此外,他们还创新了重编程早期阶段的一种化学反应,叫作TGF-β信号路径,能进一步提高重编程的成功率。

        11.Cell Res:利用化学混合物诱导成纤维细胞直接重编程为心肌细胞

        doi:10.1038/cr.2015.99

        来自同济大学、中科院上海药物研究所的研究人员报告称,他们利用化学混合物成功地将小鼠成纤维细胞直接重编程为心肌细胞。这一研究突破发布在Cell Research期刊上。

        这些研究人员利用化学混合物让小鼠成纤维细胞转化为可自发跳动的心肌细胞样细胞。这些化学诱导心肌细胞样细胞(CiCMs)表达心肌细胞特异性标志物,具有典型的心肌钙流及电生理特征。遗传谱系追踪证实这些CiCMs源自成纤维细胞。进一步的研究证实CiCMs生成经过了一个心脏祖细胞阶段,而非多能阶段。这一概念验证研究为在体内采用化学混合物实现心肌细胞转分化,及开发出更安全的心理衰竭疗法奠定基础。

        12.Science & Cell子刊:丁胜突破性成果!利用特殊药物将皮肤细胞成功转化为心脏和大脑细胞

        doi:10.1126/science.aaf1502; doi:10.1016/j.stem.2016.03.020

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