2016年疾病模型研究進展

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    疾病模型，作為各種疾病的替代物，在研究疾病發生發展的過程及機製、藥物篩選及開發、藥物藥效及作用機製等過程中發揮著至關重要的作用。而建立和人類疾病狀態相當的疾病膜型並不容易，各種模式動物在基因水平、生活習慣、體內微生物組成等方麵都與人類有著相當大的差別，而疾病模型與真實疾病接近程度決定了我們的疾病生物學研究和藥物檢測的準確性。因此，建立與真實疾病相似甚至相同的疾病膜型一直是科學家們追求的目標。下麵，小編將為大家盤點2016年科學家們建立的新型疾病膜型。

【1】PNAS：科學家開發出腸炎模型微芯片

原文：Contributions of microbiome and mechanical deformation to intestinal bacterial overgrowth and inflammation in a human gut-on-a-chip

炎症性腸病（Inflammatory bowel disease），包括克羅恩氏病與潰瘍性腸炎，都伴隨著慢性的腸道炎症、粘膜層損傷等症狀。這類疾病被認為與腸道微生物種群以及腸道周圍的淋巴細胞有密切的聯係。然而，目前的技術很難在動物體內對這些因素進行獨立分析；另外，這些微生物很難通過常規的培養係統在體外進行培養。為了解決這一問題，來自哈佛大學生物工程係的Donald E. Ingber課題組發明了一套可以進行腸道表皮細胞體外培養的設備。在該設備中，腸道表皮細胞能夠在類似於腸道生理環境中得到培養，並且能偶展現出類似於腸道蠕動的特性。另外，這一係統能夠承受較長時間的細菌共培養，從而便於模擬細菌在體內的作用特性。之後，作者利用該設備進行了腸道炎症反應以及微生物功能的一係列研究與模擬，相關實驗結果發表在最近一期的《PNAS》雜誌上。
首先，作者利用該腸道模型與大腸杆菌進行共同培養。結果顯示，在初期加入時，大腸杆菌定植在接種部位，之後24小時內，細菌快速蔓延整個腸道上皮層。然而，在接下來的4天內，大腸杆菌未能影響腸道防護層的正常生理功能。之後，為了模擬腸炎的發病特征，作者向該模型中加入PBMC（含有各類淋巴細胞）進行共同孵育，結果顯示：單獨加入PBMC並不能引起腸道上皮的損傷，但同時加入細菌與PBMC時會引起腸道粘膜層的明顯損傷，這一特征與腸炎的發病症狀十分相似。

之後，作者檢測了在腸道受損的情況下細胞分泌各類細胞因子的情況。結果顯示：在加入細菌與PBMC時，細胞分泌的IL-8，IL-1beta，IL-6以及TNF-a會有明顯的上升。之後，作者單獨將純化的上述細胞因子加入沒有接受刺激的腸道細胞模型中。結果顯示：在四類細胞因子同時加入時，腸道模型表現出與上述刺激相同的受損特征。這一結果說明這些細胞因子對於微生物引發的腸道炎症反應具有關鍵的作用。最後，作者在大腸杆菌刺激的基礎上加入了幾種不同類型的益生菌進行複合刺激。結果顯示，這些益生菌能夠有效抑製大腸杆菌以及PBMC引發的腸道炎症反應。這一結果說明了腸道微生物種群對免疫反應的複雜的調節功能。

綜上，作者利用新開發的腸道細胞體外重構模型成功再現了體內的腸炎發病過程，這對於將來的基礎研究以及轉化研究都具有重要的意義。

【2】PNAS：CRISPR-Cas9係統構建心髒衰竭小鼠模型

原文：A mouse model for adult cardiac-specific gene deletion with CRISPR/Cas9

最近，來自西南醫學中心再生醫學研究中心的EricN.Olson研究組構建了在心肌細胞中特異性表達Cas9的小鼠，之後利用腺病毒介導的針對Myh6基因的sgRNA的感染，成功得到了心肌細胞特異性Myh6基因敲除的小鼠。相關結果發表在最近一期的《PNAs》雜誌上。
首先，作者介紹了他們構建Myh6基因條件性敲除小鼠的過程，方法已經在上述內容中介紹過了。之後他們通過生化與成像的方法證明該小鼠在心肌細胞內Myh6基因得到了敲除。進一步，作者發現這一突變體小鼠患有心髒衰竭與異常肥大症。相比野生小鼠，突變體小鼠心肌縮短率有明顯的降低。之後，作者從小鼠體內分離出Cas9陽性的心肌細胞，進行體外sgRNA刺激。結果顯示，Myh6特異性的sgRNA誘導能夠造成心肌細胞的增大與延長。

綜上，作者利用心肌細胞特異性CRISPR-cas9基因編輯技術構建了小鼠心髒疾病模型，該技術對於後續的組織特異性基因修飾具有重要的指導意義。

【3】Cancer Cell:科學家成功構建忠實度更高的乳腺癌PDX模型

原文：A Preclinical Model for ERα-Positive Breast Cancer Points to the Epithelial Microenvironment as Determinant of Luminal Phenotype and Hormone Response

近日，來自瑞士EPFL的科學家開發出一種新的乳腺癌動物模型，這種模型能夠更加忠實地還原疾病特征。經過檢測研究人員認為這是至今為止最具臨床可行性的乳腺癌模型。相關研究結果發表在國際學術期刊Cancer Cell上。

研究人員表示幾乎90%的癌症新藥最終都失敗了，部分原因在於用於藥物檢測的動物模型經常不能還原癌症的複雜生物學特征。利用這種不準確的動物模型得到的研究數據經常無法與人類匹配。EPFL的科學家們開發出了一種能夠更好地表現人類雌激素受體陽性乳腺腫瘤生物學特征的異種移植模型，研究表明這種小鼠模型的輸乳管是雌激素受體陽性乳腺腫瘤進行正常生長的關鍵，相比於傳統方法，這種小鼠模型的輸乳管能夠為注射的癌細胞提供一個更加適宜的生長和增殖環境。將雌激素受體陽性的乳腺癌細胞注射到小鼠模型的輸乳管可以顯著地提高腫瘤細胞的存活率。為了對這種異種移植模型進行檢測，研究人員將乳腺癌細胞係和從雌激素受體陽性乳腺癌病人獲得的腫瘤組織直接注射到小鼠模型的輸乳管，結果非常令人振奮：幾乎所有的異種移植模型都能夠忠實地還原病人腫瘤的組織生理學甚至是分子生物學特征。

【4】Nature：科學家利用CRISPR-Cas9技術成功構建出細胞疾病模型

原文：Efficient introduction of specific homozygous and heterozygous mutations using CRISPR/Cas9

為了闡明特殊基因錯誤如何引發疾病，科學家們需要在細胞中進行實驗來研究具體突變對細胞的影響，如今來自洛克菲勒大學（Rockefeller University）和紐約幹細胞研究所等機構的研究人員通過研究，利用基於CRISPR的基因編輯技術成功在細胞中重現了疾病發生的過程，相關研究刊登於國際著名雜誌Nature上。文章中研究人員Dominik Paquet及其同事首次嚐試利用CRISPR-Cas9技術在細胞中插入兩種遺傳突變，而這兩種遺傳突變和引發阿爾茲海默氏症疾病的β澱粉樣蛋白的產生直接相關，隨後研究者發現，這種方法的成功率較低，僅有一小部分細胞會攜帶上理想的基因突變。主要的問題就是CRISPR-Cas9可以持續切割細胞的DNA，而細胞的自身修複細胞會不斷修複每一個切割處直到細胞產生一種可以抑製切割的錯誤，而這種錯誤一旦產生就會在細胞中不斷產生很多新型未知的問題。

隨後科學家們評估了另外一種方法，即引入大塊的突變來抑製後期的切割現象，通過在CRISPR-Cas9靶向檢測的DNA不同部位中引入大塊突變後，研究者發現這可以明顯減少意外錯誤產生的數量。當研究人員利用CRISPR-Cas9引入阿爾茲海默氏症的任意一種遺傳突變後，他們仔細觀察遺傳序列後發現了一種特殊的模式，也就是說在CRISPR-Cas9切割位點和研究者引入受體細胞的突變之間存在一段序列上的距離。隨後研究者Kwart說道，序列距離較短會產生出更易於包含兩種突變的細胞，而隨著距離增加，編輯的成功率就會降低，而一種突變的比率和其原始基因版本的峰值之間的距離就會開始拉大；更為重要的是研究者發現了特殊的距離關係，這樣他們就有可能製造出大量的雜合細胞；而利用上述技術研究人員就可以對幹細胞的基因組進行編輯使細胞包含兩種阿爾茲海默氏症基因中的任意一種，隨後誘導這些幹細胞轉化成為神經元細胞並且產生大量β澱粉樣蛋白，從而模擬阿爾茲海默氏症的疾病表現。

【5】科學家利用人類誘導多能幹細胞成功建立非酒精脂肪肝模型

原文：Modelling NAFLD with human pluripotent stem cell derived immature hepatocyte like cells reveals activation of PLIN2 and confirms regulatory functions of PPARα

近日，來自德國杜塞爾多夫大學幹細胞研究和再生醫學研究所的研究人員利用誘導多能幹細胞建立了一種體外模型係統，用於研究非酒精性脂肪肝。該研究由James Adjaye教授領導，發表在國際學術期刊Stem Cell and Development上。

非酒精性脂肪肝也叫做肝髒脂肪變性，是一種被嚴重低估的肝髒疾病，目前該疾病在全世界的發生率逐年增加。到目前為止，非酒精性脂肪肝研究的一大障礙就是缺少病人和健康人的活檢樣本。杜塞爾夫大學的研究人員通過對皮膚細胞進行重編程獲得誘導多能幹細胞，隨後再誘導其分化為肝細胞樣細胞巧妙地部分解決了上述問題。

本研究第一作者Dr.NinaGraffmann這樣解釋道：“雖然我們獲得的肝細胞樣細胞並沒有完全分化成熟，但它們已經是研究非酒精性脂肪肝疾病的一個特別好的模型係統。”研究人員利用這一體外模型係統進行了部分研究，他們發現脂滴表麵的PLIN2蛋白表達會出現上調，缺失PLIN2的小鼠即使進行高脂飲食喂養也不會發生肥胖。除此之外，參與糖脂代謝調控的重要轉錄因子PPARα的作用也在體外模型中得到重複。“在我們的係統中，我們可以高效地在肝細胞樣細胞中誘導脂質儲存，並可以在培養過程中加入不同因素調節相關蛋白或microRNA的表達。因此我們的體外模型為進行肝細胞降脂藥物的分析提供了機會。”該研究團隊目前正在利用非酒精性脂肪肝病人的體細胞誘導多能幹細胞，建立體外研究模型，希望能夠發現促進該病發生的新機製。

【6】Nat Biotechnol：工程化人類結腸組織模型或助力癌症研究

原文：A recellularized human colon model identifies cancer driver genes

很多年前，科學家們開發了一種正向遺傳學（forwardgenetics）的方法，即將信息插入到果蠅基因組中來鑒別哪種遺傳改變會誘發疾病發生，然而截止到目前為止，在人類器官中進行相同類型的研究似乎是不可能的，但近日來自康奈爾大學及威爾康奈爾醫學院的研究人員在Nature Biotechnology雜誌上發表了題為“A recellularized human colon model identifies cancer driver genes”的研究論文，文章中，研究者利用了組織工程學的方法對人類組織進行了正向遺傳學的篩查。

研究者Shuler表示，我們真正想要做的就是提供一種微觀環境來使得係統中的基因得以合適表達，隨後利用20世紀90年代開發的將特殊DNA序列插入到基因組中的特殊技術（“睡美人”轉座子（sleeping beauty transposon）），我們就能夠追蹤結腸模型內部所發生的遺傳改變情況，而這同典型的早期結直腸癌（CRC）的發病狀況是基本相一致的。進一步進行檢測，研究者發現，新型的結腸組織模型能夠複製結直腸癌進展的關鍵特性，研究者共鑒別出了38個驅動疾病的基因，其中包括6個此前認為和CRC進展並無關聯的基因。這種新型的結腸模型可以為研究者們提供集體內部CRC進展的精確模板，其可以給予我們一種基於人類機體的係統來對惡性結腸癌發病的關鍵階段進行特征的描述。未來研究者們或將通過更為深入的研究來改善當前的結直腸癌組織模型，並且研究該模型和人類免疫係統的關聯，同時研究者還將利用這種新型模型調查疾病發生的晚期階段，以及細胞從更結腸組織遷移到其它組織中（肝髒）引發的一些疾病。

【7】Cell：新型小鼠模型技術或加速HIV疫苗的開發

原文：Induction of HIV Neutralizing Antibody Lineages in Mice with Diverse Precursor Repertoires

近日，來自波士頓兒童醫院等機構的研究者通過研究開發了一種新技術，該技術能夠快速產生小鼠模型來供科學家們進行HIV疫苗的檢測和開發，諸如這樣研究模型或將加速研究者開發AIDS疫苗的進程，而且研究者們希望能夠開發出可以產生廣泛的中和性抗體來抵禦任何突變的HIV毒株，相關研究刊登於國際雜誌Cell上。

此前研究中，研究者闡明了抵禦HIV的廣譜中和性抗體的結構，同時他們認為V-D-J組合能夠產生抗體前體，隨後研究者將相應的DNA插入到了小鼠的胚胎幹細胞中。利用研究者Alt實驗室此前工作開發的方法，隨後他們利用修飾後的胚胎幹細胞，通過將人類廣譜中和性抗體V的前體同多種D或J片段進行組合，來快速製造出小鼠，而這些小鼠機體的B細胞中能夠組裝高度多樣化的HIV抗體前體。文章中研究者使Alt實驗室開發的小鼠連續暴露於一係列特殊設計的HIV抗原，當小鼠開始製造未成熟的“祖輩”抗體時，連續的接種免疫就能夠促進小鼠機體的B細胞產生足夠量的多樣化有效的人源化抗體，而這些抗體最終則能夠中和某些HIV病毒毒株。

研究者Alt說道，我們並不是通過小鼠交配產生的後代來製造研究模型，這種方法能夠幫助我們快速剔除並且替換細胞中的基因元件來產生B細胞的改變，因此我們就能夠利用中間抗體基因對小鼠模型進行快速重編程，並且將其暴露於新型抗原中，隨著研究的深入我們希望該過程能夠幫助我們產生新一代廣譜中和性的HIV抗體。隨著研究中工程化抗原的使用，研究人員就能觀察到抗體獲得性的突變，研究者指出，將B細胞移動到一個方向並且闡明其工作機製，並且揭示如何適應新的小鼠模型和免疫原最終到達廣譜中和性抗體產生的階段對於開發新型疫苗非常關鍵。未來還有很長一段路要走，但研究者認為，這種新技術能夠幫助我們開發有效的HIV疫苗，當然還能夠幫助我們開發具有高度特異性的治療性抗體。