2016年疾病模型研究进展

细胞之家

2017年1月16日讯 /生物谷BIOON /——疾病模型，作为各种疾病的替代物，在研究疾病发生发展的过程及机制、药物筛选及开发、药物药效及作用机制等过程中发挥着至关重要的作用。而建立和人类疾病状态相当的疾病膜型并不容易，各种模式动物在基因水平、生活习惯、体内微生物组成等方面都与人类有着相当大的差别，而疾病模型与真实疾病接近程度决定了我们的疾病生物学研究和药物检测的准确性。因此，建立与真实疾病相似甚至相同的疾病膜型一直是科学家们追求的目标。下面，小编将为大家盘点2016年科学家们建立的新型疾病膜型。/ M  B9 \7 ?+ I/ g# C
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【1】PNAS：科学家开发出肠炎模型微芯片$ K6 W' f4 h+ }% j) N8 @

4 k" Y( N% w- `, V3 a原文：Contributions of microbiome and mechanical deformation to intestinal bacterial overgrowth and inflammation in a human gut-on-a-chip8 w3 E( w* l* y6 g, Q
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炎症性肠病（Inflammatory bowel disease），包括克罗恩氏病与溃疡性肠炎，都伴随着慢性的肠道炎症、粘膜层损伤等症状。这类疾病被认为与肠道微生物种群以及肠道周围的淋巴细胞有密切的联系。然而，目前的技术很难在动物体内对这些因素进行独立分析；另外，这些微生物很难通过常规的培养系统在体外进行培养。为了解决这一问题，来自哈佛大学生物工程系的Donald E. Ingber课题组发明了一套可以进行肠道表皮细胞体外培养的设备。在该设备中，肠道表皮细胞能够在类似于肠道生理环境中得到培养，并且能偶展现出类似于肠道蠕动的特性。另外，这一系统能够承受较长时间的细菌共培养，从而便于模拟细菌在体内的作用特性。之后，作者利用该设备进行了肠道炎症反应以及微生物功能的一系列研究与模拟，相关实验结果发表在最近一期的《PNAS》杂志上。* T0 i0 m6 Q! d* ~

9 P. R* X3 x' U首先，作者利用该肠道模型与大肠杆菌进行共同培养。结果显示，在初期加入时，大肠杆菌定植在接种部位，之后24小时内，细菌快速蔓延整个肠道上皮层。然而，在接下来的4天内，大肠杆菌未能影响肠道防护层的正常生理功能。之后，为了模拟肠炎的发病特征，作者向该模型中加入PBMC（含有各类淋巴细胞）进行共同孵育，结果显示：单独加入PBMC并不能引起肠道上皮的损伤，但同时加入细菌与PBMC时会引起肠道粘膜层的明显损伤，这一特征与肠炎的发病症状十分相似。: Z6 N1 ^& Q; L. J
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之后，作者检测了在肠道受损的情况下细胞分泌各类细胞因子的情况。结果显示：在加入细菌与PBMC时，细胞分泌的IL-8，IL-1beta，IL-6以及TNF-a会有明显的上升。之后，作者单独将纯化的上述细胞因子加入没有接受刺激的肠道细胞模型中。结果显示：在四类细胞因子同时加入时，肠道模型表现出与上述刺激相同的受损特征。这一结果说明这些细胞因子对于微生物引发的肠道炎症反应具有关键的作用。最后，作者在大肠杆菌刺激的基础上加入了几种不同类型的益生菌进行复合刺激。结果显示，这些益生菌能够有效抑制大肠杆菌以及PBMC引发的肠道炎症反应。这一结果说明了肠道微生物种群对免疫反应的复杂的调节功能。
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综上，作者利用新开发的肠道细胞体外重构模型成功再现了体内的肠炎发病过程，这对于将来的基础研究以及转化研究都具有重要的意义。
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  p2 x6 O. p8 o9 z  P. S# t【2】PNAS：CRISPR-Cas9系统构建心脏衰竭小鼠模型5 F4 H: v1 \( X9 ~8 u
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原文：A mouse model for adult cardiac-specific gene deletion with CRISPR/Cas9
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最近，来自西南医学中心再生医学研究中心的Eric N. Olson研究组构建了在心肌细胞中特异性表达Cas9的小鼠，之后利用腺病毒介导的针对Myh6基因的sgRNA的感染，成功得到了心肌细胞特异性Myh6基因敲除的小鼠。相关结果发表在最近一期的《PNAs》杂志上。
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首先，作者介绍了他们构建Myh6基因条件性敲除小鼠的过程，方法已经在上述内容中介绍过了。之后他们通过生化与成像的方法证明该小鼠在心肌细胞内Myh6基因得到了敲除。进一步，作者发现这一突变体小鼠患有心脏衰竭与异常肥大症。相比野生小鼠，突变体小鼠心肌缩短率有明显的降低。之后，作者从小鼠体内分离出Cas9阳性的心肌细胞，进行体外sgRNA刺激。结果显示，Myh6特异性的sgRNA诱导能够造成心肌细胞的增大与延长。) H$ S! B$ i! t: b; E
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综上，作者利用心肌细胞特异性CRISPR-cas9基因编辑技术构建了小鼠心脏疾病模型，该技术对于后续的组织特异性基因修饰具有重要的指导意义。
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【3】Cancer Cell:科学家成功构建忠实度更高的乳腺癌PDX模型
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原文：A Preclinical Model for ERα-Positive Breast Cancer Points to the Epithelial Microenvironment as Determinant of Luminal Phenotype and Hormone Response' g$ z0 h; ]& d3 _% `1 A
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8 ?# E/ p. Y0 k; J  f近日，来自瑞士EPFL的科学家开发出一种新的乳腺癌动物模型，这种模型能够更加忠实地还原疾病特征。经过检测研究人员认为这是至今为止最具临床可行性的乳腺癌模型。相关研究结果发表在国际学术期刊Cancer Cell上。
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1 S) L# Q5 H( g) `) g$ K+ N& l  f* Y6 m研究人员表示几乎90%的癌症新药最终都失败了，部分原因在于用于药物检测的动物模型经常不能还原癌症的复杂生物学特征。利用这种不准确的动物模型得到的研究数据经常无法与人类匹配。EPFL的科学家们开发出了一种能够更好地表现人类雌激素受体阳性乳腺肿瘤生物学特征的异种移植模型，研究表明这种小鼠模型的输乳管是雌激素受体阳性乳腺肿瘤进行正常生长的关键，相比于传统方法，这种小鼠模型的输乳管能够为注射的癌细胞提供一个更加适宜的生长和增殖环境。将雌激素受体阳性的乳腺癌细胞注射到小鼠模型的输乳管可以显著地提高肿瘤细胞的存活率。为了对这种异种移植模型进行检测，研究人员将乳腺癌细胞系和从雌激素受体阳性乳腺癌病人获得的肿瘤组织直接注射到小鼠模型的输乳管，结果非常令人振奋：几乎所有的异种移植模型都能够忠实地还原病人肿瘤的组织生理学甚至是分子生物学特征。
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1 F# }$ m3 H! U0 h! @* Y# z【4】Nature：科学家利用CRISPR-Cas9技术成功构建出细胞疾病模型
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, Q6 B) R7 `9 W( i原文：Efficient introduction of specific homozygous and heterozygous mutations using CRISPR/Cas96 x0 O6 }$ ]* }* l( w) K7 e

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为了阐明特殊基因错误如何引发疾病，科学家们需要在细胞中进行实验来研究具体突变对细胞的影响，如今来自洛克菲勒大学（Rockefeller University）和纽约干细胞研究所等机构的研究人员通过研究，利用基于CRISPR的基因编辑技术成功在细胞中重现了疾病发生的过程，相关研究刊登于国际著名杂志Nature上。文章中研究人员Dominik Paquet及其同事首次尝试利用CRISPR-Cas9技术在细胞中插入两种遗传突变，而这两种遗传突变和引发阿尔兹海默氏症疾病的β淀粉样蛋白的产生直接相关，随后研究者发现，这种方法的成功率较低，仅有一小部分细胞会携带上理想的基因突变。主要的问题就是CRISPR-Cas9可以持续切割细胞的DNA，而细胞的自身修复细胞会不断修复每一个切割处直到细胞产生一种可以抑制切割的错误，而这种错误一旦产生就会在细胞中不断产生很多新型未知的问题。5 [( y6 G) [- o, i% s; `
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随后科学家们评估了另外一种方法，即引入大块的突变来抑制后期的切割现象，通过在CRISPR-Cas9靶向检测的DNA不同部位中引入大块突变后，研究者发现这可以明显减少意外错误产生的数量。当研究人员利用CRISPR-Cas9引入阿尔兹海默氏症的任意一种遗传突变后，他们仔细观察遗传序列后发现了一种特殊的模式，也就是说在CRISPR-Cas9切割位点和研究者引入受体细胞的突变之间存在一段序列上的距离。随后研究者Kwart说道，序列距离较短会产生出更易于包含两种突变的细胞，而随着距离增加，编辑的成功率就会降低，而一种突变的比率和其原始基因版本的峰值之间的距离就会开始拉大；更为重要的是研究者发现了特殊的距离关系，这样他们就有可能制造出大量的杂合细胞；而利用上述技术研究人员就可以对干细胞的基因组进行编辑使细胞包含两种阿尔兹海默氏症基因中的任意一种，随后诱导这些干细胞转化成为神经元细胞并且产生大量β淀粉样蛋白，从而模拟阿尔兹海默氏症的疾病表现。
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0 q6 E5 b6 \  k* H" ~# h2 h【5】科学家利用人类诱导多能干细胞成功建立非酒精脂肪肝模型, a  l0 {6 u) p

8 {8 a5 h4 i5 s' A. k. x原文：Modelling NAFLD with human pluripotent stem cell derived immature hepatocyte like cells reveals activation of PLIN2 and confirms regulatory functions of PPARα
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近日，来自德国杜塞尔多夫大学干细胞研究和再生医学研究所的研究人员利用诱导多能干细胞建立了一种体外模型系统，用于研究非酒精性脂肪肝。该研究由James Adjaye教授领导，发表在国际学术期刊Stem Cell and Development上。& l8 T5 [" a% M7 y1 Y0 z! R) d

/ I" s0 c2 T) a非酒精性脂肪肝也叫做肝脏脂肪变性，是一种被严重低估的肝脏疾病，目前该疾病在全世界的发生率逐年增加。到目前为止，非酒精性脂肪肝研究的一大障碍就是缺少病人和健康人的活检样本。杜塞尔夫大学的研究人员通过对皮肤细胞进行重编程获得诱导多能干细胞，随后再诱导其分化为肝细胞样细胞巧妙地部分解决了上述问题。! I% `0 P$ w+ g' Q# S4 s

4 S8 }& d. ~* C6 n本研究第一作者Dr. Nina Graffmann这样解释道：“虽然我们获得的肝细胞样细胞并没有完全分化成熟，但它们已经是研究非酒精性脂肪肝疾病的一个特别好的模型系统。”研究人员利用这一体外模型系统进行了部分研究，他们发现脂滴表面的PLIN2蛋白表达会出现上调，缺失PLIN2的小鼠即使进行高脂饮食喂养也不会发生肥胖。除此之外，参与糖脂代谢调控的重要转录因子PPARα的作用也在体外模型中得到重复。“在我们的系统中，我们可以高效地在肝细胞样细胞中诱导脂质储存，并可以在培养过程中加入不同因素调节相关蛋白或microRNA的表达。因此我们的体外模型为进行肝细胞降脂药物的分析提供了机会。”该研究团队目前正在利用非酒精性脂肪肝病人的体细胞诱导多能干细胞，建立体外研究模型，希望能够发现促进该病发生的新机制。
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. ?  [& f! j& b【6】Nat Biotechnol：工程化人类结肠组织模型或助力癌症研究) T/ a, E1 j- |$ g( `& x% r
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原文：A recellularized human colon model identifies cancer driver genes
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9 |4 S" b- a  ?8 n4 m很多年前，科学家们开发了一种正向遗传学（forward genetics）的方法，即将信息插入到果蝇基因组中来鉴别哪种遗传改变会诱发疾病发生，然而截止到目前为止，在人类器官中进行相同类型的研究似乎是不可能的，但近日来自康奈尔大学及威尔康奈尔医学院的研究人员在Nature Biotechnology杂志上发表了题为“A recellularized human colon model identifies cancer driver genes”的研究论文，文章中，研究者利用了组织工程学的方法对人类组织进行了正向遗传学的筛查。9 u/ b& C, d* j8 W

, D" i' h$ J2 u% D; }研究者Shuler表示，我们真正想要做的就是提供一种微观环境来使得系统中的基因得以合适表达，随后利用20世纪90年代开发的将特殊DNA序列插入到基因组中的特殊技术（“睡美人”转座子（sleeping beauty transposon）），我们就能够追踪结肠模型内部所发生的遗传改变情况，而这同典型的早期结直肠癌（CRC）的发病状况是基本相一致的。进一步进行检测，研究者发现，新型的结肠组织模型能够复制结直肠癌进展的关键特性，研究者共鉴别出了38个驱动疾病的基因，其中包括6个此前认为和CRC进展并无关联的基因。这种新型的结肠模型可以为研究者们提供集体内部CRC进展的精确模板，其可以给予我们一种基于人类机体的系统来对恶性结肠癌发病的关键阶段进行特征的描述。未来研究者们或将通过更为深入的研究来改善当前的结直肠癌组织模型，并且研究该模型和人类免疫系统的关联，同时研究者还将利用这种新型模型调查疾病发生的晚期阶段，以及细胞从更结肠组织迁移到其它组织中（肝脏）引发的一些疾病。
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【7】Cell：新型小鼠模型技术或加速HIV疫苗的开发5 b9 T! R! G6 P7 Z
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原文：Induction of HIV Neutralizing Antibody Lineages in Mice with Diverse Precursor Repertoires1 b! f0 h! z2 u

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: l' ~2 g' K% G9 d, Z近日，来自波士顿儿童医院等机构的研究者通过研究开发了一种新技术，该技术能够快速产生小鼠模型来供科学家们进行HIV疫苗的检测和开发，诸如这样研究模型或将加速研究者开发AIDS疫苗的进程，而且研究者们希望能够开发出可以产生广泛的中和性抗体来抵御任何突变的HIV毒株，相关研究刊登于国际杂志Cell上。
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此前研究中，研究者阐明了抵御HIV的广谱中和性抗体的结构，同时他们认为V-D-J组合能够产生抗体前体，随后研究者将相应的DNA插入到了小鼠的胚胎干细胞中。利用研究者Alt实验室此前工作开发的方法，随后他们利用修饰后的胚胎干细胞，通过将人类广谱中和性抗体V的前体同多种D或J片段进行组合，来快速制造出小鼠，而这些小鼠机体的B细胞中能够组装高度多样化的HIV抗体前体。文章中研究者使Alt实验室开发的小鼠连续暴露于一系列特殊设计的HIV抗原，当小鼠开始制造未成熟的“祖辈”抗体时，连续的接种免疫就能够促进小鼠机体的B细胞产生足够量的多样化有效的人源化抗体，而这些抗体最终则能够中和某些HIV病毒毒株。
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( q" l' w& V  x  w* I, i0 |; O研究者Alt说道，我们并不是通过小鼠交配产生的后代来制造研究模型，这种方法能够帮助我们快速剔除并且替换细胞中的基因元件来产生B细胞的改变，因此我们就能够利用中间抗体基因对小鼠模型进行快速重编程，并且将其暴露于新型抗原中，随着研究的深入我们希望该过程能够帮助我们产生新一代广谱中和性的HIV抗体。随着研究中工程化抗原的使用，研究人员就能观察到抗体获得性的突变，研究者指出，将B细胞移动到一个方向并且阐明其工作机制，并且揭示如何适应新的小鼠模型和免疫原最终到达广谱中和性抗体产生的阶段对于开发新型疫苗非常关键。未来还有很长一段路要走，但研究者认为，这种新技术能够帮助我们开发有效的HIV疫苗，当然还能够帮助我们开发具有高度特异性的治疗性抗体。