首次用光遺傳學控制腫瘤發生

日期：2016-03-17 08:46:15

2014年10月，Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀念特刊，點評了在過去十年中對生物學研究影響最深的十大技術，其中就包括光遺傳學技術。我們可以毫不夸張地說，光遺傳學技術給神經學帶來了一場革命。現在，這一技術已經迅速成為了許多實驗室里的標準工具。盡管光遺傳學還不是一個家喻戶曉的名詞，不過它已經進入了科研領域的主流。越來越多的人相信，光遺傳學技術不僅可以闡明疾病機理，還能夠治療多種人類疾病。

2015年1月，來自歐洲高級研究中心的科學家們，首次成功地通過光遺傳學來控制精子的功能。他們將一種用于cAMP合成的光激活酶，插入缺乏內源酶的小鼠精子。這些小鼠的精子通常是非運動性的，因此小鼠是不育的。用藍光刺激這些精子之后，它們能夠產生cAMP，開始再次游動，甚至能夠使卵細胞受精。相關研究結果發表在國際著名學術期刊《eLife》。

光遺傳學更多的還是應用于神經科學，2015年9月，來自韓國的一個研究小組，獲得了一項光遺傳學突破：用光提高記憶力。他們用他們的新分子OptoSTIM1，改進了精確控制活生物體內細胞鈣離子（Ca2+）通道的過程。相關研究結果發表在《Nature Biotechnology》（光遺傳學突破：用光提高記憶力）。去年11月，德國亥姆霍茲慕尼黑中心(Helmholtz Zentrum München)的研究人員，通過光遺傳學技術成功促進了斑馬魚受損神經回路的修復。相關論文發表在Cell旗下的Current Biology雜志上。

但是，目前還沒有將光遺傳學應用于癌癥的研究報道。最近，美國塔夫斯大學的生物學家，利用一種蛙模型首次證明，他們能夠用光來控制細胞間的電子信號，從而防止腫瘤的形成和并使腫瘤正常化。相關研究結果發表在2016年3月16日的《Oncotarget》雜志，首次報道了利用光遺傳學特定地操縱生物電信號，來預防和抑制由癌基因誘導的腫瘤。

青蛙是癌癥基礎科學研究的一個很好模型，因為青蛙和哺乳動物共有很多相同的特征。這些特征包括：快速的細胞分裂、組織混亂、血管生長增加、侵襲性和細胞具有異常的正內部電壓。

幾乎所有的健康細胞內部都比外部有著更多的負電壓；細胞膜上離子通道的打開和關閉會導致電壓變得更正性（去極化細胞）或負性（極化細胞）。腫瘤在變得明顯之前，可以通過它們異常的生物電標簽而被檢測到。

本文資深作者、塔夫茨大學藝術和科學學院再生和發育生物學中心主任Michael Levin博士指出：“這些電性能，不僅僅是致癌過程的副產物。它們積極調控著細胞從正常解剖角色向腫瘤細胞生長和轉移的偏離。發現新的方法來特異性地控制這種生物電信號，可能為新的癌癥生物醫學方法，開辟重要的途徑。”

本文第一作者、Levin實驗室前博士后Brook Chernet，向非洲爪蟾胚胎中注入了一種細胞，該細胞攜帶編碼突變RAS癌基因（已知可引起腫瘤樣增生）的RNA。研究人員還表達和激活了一個藍光激活的、帶正電的離子通道——ChR2D156A，或一個綠光激活的質子泵Archaerhodopsin (Arch)，這兩者都能使青蛙胚胎細胞超極化，從而誘導一個電流，使細胞從一種腫瘤樣的去極化狀態，到達一種正常的、更負極化的狀態。兩種藥物的激活，可顯著降低腫瘤形成的發生率，也增加了腫瘤恢復到正常組織的頻率。

用光來控制離子通道，已經成為神經細胞和大腦研究的一種的突破性工具，但是目前，光遺傳學尚未應用于癌癥。Levin說：“這提供了一種新的治療方法，使用光來推翻致癌基因突變的作用。使用光來特異性地靶定腫瘤，可以避免化療或類似藥物產生的全身毒性。”