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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(fā)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(tǒng)中一個迄今知之甚少的神經連接。在這個月,霍華德•休斯醫(yī)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(fā)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(fā)的系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)表在Nature子刊《Nature Communications》。

 

本文資深作者、GWU生物醫(yī)學工程教授Emilia Entcheva指出:“這種新方法有可能大大提高我們?yōu)橹匕Y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(fā)新藥物的最大挑戰(zhàn)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(tǒng)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(tǒng),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(fā)過程的早期,一種藥物如何可能會影響心臟”,從而可以節(jié)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(tài)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(fā)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(yè)采用,來加快藥物研發(fā)的進程。完成她在喬治華盛頓大學的生物醫(yī)學工程博士學位后,Klima女士希望將這個想法商業(yè)化,并發(fā)展企業(yè)讓該設備走上市場。

 


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