光遺傳學新突破：控制人類心臟細胞

日期：2016-05-12 09:12:06

最近，來自美國喬治華盛頓大學（GWU）的一組研究人員，開發了一種更快的方法，使用光遺傳學來預測潛在新藥是否將會引起心律失常。

光遺傳學是一種使用光來控制細胞的技術，用于神經學已有十年的時間，目前最普遍的也是將這項技術應用于神經科學的研究，用光照來調整神經元上通道的開關、激活特定細胞群等等。例如，前不久，德國馬克斯普朗克生物控制論研究所的科學家，與Ernst Strüngmann研究所和英國紐卡斯爾大學的研究人員一起，使用光遺傳學方法，首次從功能上證明了猴子視覺系統中一個迄今知之甚少的神經連接。在這個月，霍華德•休斯醫學研究所的科學家們利用光遺傳學技術，確定了大腦是如何控制運動的。

然而，也有科學家逐漸將這項技術擴展至其他領域，例如生物制藥或是更直接的臨床治療。例如，今年3月份，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，這是首次將光遺傳學技術應用于控制腫瘤發生。在去年1月份，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。但是目前，這種技術在心臟研究中還相對較新。

在新開發的系統中，該研究小組用光來使心肌細胞跳動，并通過光學測量它們的反應。這可讓他們自動化地操縱藥物檢測的過程，從而提供了一種快速的新方法，來排除有著潛在危險的藥物。這種技術簡化了一個主要的手動過程，研究人員開展這個過程以符合FDA的測試需求，并確保藥品的安全性。該研究團隊當前的系統可以在不到10分鐘的時間內，測試30000 個光敏感細胞——比標準實踐中的時間更短，后者可能需要數小時甚至數年的時間。

這項研究成果以“OptoDyCE as an Automated System for High-Throughput All-Optical Dynamic Cardiac Electrophysiology”為題，于周二發表在Nature子刊《Nature Communications》。

本文資深作者、GWU生物醫學工程教授Emilia Entcheva指出：“這種新方法有可能大大提高我們為重癥患者獲得安全的基本藥物的速度。重要的是，我們證明，可以將干細胞技術與我們的新方法相結合，使用病人自己的血液細胞，做到這一點。開發新藥物的最大挑戰之一是，進行測試以確保我們處理一個問題的時候不會造成任何心臟毒性。這種技術可幫助我們確保這樣做。”

為了讓藥物得到FDA批準，它們必須經過審查，以確保它們不會威脅到心臟或身體的其他部分。在最早的測試階段中，研究人員用藥物處理細胞，以查看它們的反應。傳統上，最可靠的方法是通過直接探討細胞，手動測量它們的反應。新的高通量技術可加速這種做法。然而，到目前為止還沒有這樣的高通量系統，被用于處理真實的心臟細胞。Entcheva博士的研究有助于讓我們更為完整地了解“在藥物開發過程的早期，一種藥物如何可能會影響心臟”，從而可以節省大量的時間和資源，花在其他新的候選藥物上。

本文第一作者、Entcheva的博士研究生Aleks Klimas指出：“光刺激和光學記錄的好處在于，它提供了一種方法，動態地控制數以百萬計的細胞，同時無需接觸樣本。這不僅可讓我們更快地完成測試，而且還提供了一種更安全的方式測量你是否檢測到了有害物質。”

除了應用于藥物開發領域之外，科學家們還可以使用該方法，來證實干細胞已經正確地成長為心臟細胞。這項新技術將幫助他們改善這些新制備的心臟細胞的質量，并加快它們在診所的使用。

該技術也有可能被制藥企業采用，來加快藥物研發的進程。完成她在喬治華盛頓大學的生物醫學工程博士學位后，Klima女士希望將這個想法商業化，并發展企業讓該設備走上市場。