研究人員報告創(chuàng)建了第一個遺傳性心律失常的人體組織模型，在一個培養(yǎng)皿中復(fù)制了兩名患者的心律異常，然后在小鼠模型中通過基因治療抑制心律失常。兒童醫(yī)院的研究人員報告創(chuàng)建了第一個遺傳性心律失常的人體組織模型，在一個培養(yǎng)皿中復(fù)制了兩名患者的心律異常，然后在小鼠模型中通過基因治療抑制心律失常。他們的研究成果發(fā)表在7月30日發(fā)行的“循環(huán)”雜志的兩篇論文中，開啟了開發(fā)單劑量基因療法治療遺傳性心律失常的可能性，也許還有更常見的心律失常，如房顫。

“我們希望能夠以無限期的單劑量進(jìn)行基因治療，”參與這兩項研究的波士頓兒童醫(yī)院遺傳性心律失常計劃的主治心臟病學(xué)家Vassilios Bezzerides博士說。“我們的工作提供了可轉(zhuǎn)換的基因治療策略的概念驗證，以治療遺傳性心律失常。”

這兩項研究的重點是兒茶酚胺能多形性室性心動過速(CPVT)，這是兒童和年輕人猝死的主要原因。心律失常通常由運動或情緒壓力引發(fā)，并且首先在平均12歲時變得明顯，通常是突然喪失意識。

目前的治療方法包括β受體阻滯劑和氟卡尼等藥物，手術(shù)可以阻斷心臟左側(cè)的神經(jīng)，植入式心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器(可導(dǎo)致CPVT中危及生命的并發(fā)癥)，并且只需讓孩子運動一點點盡可能。

“對于CPVT的治療目前還不夠：盡管接受治療，25%至30%的患者仍會出現(xiàn)危及生命的心律失常，”Bezzerides說。

建立心律失常組織

Circulation7月17日在線發(fā)表的一項研究使用組織工程模型來研究CPVT如何在細(xì)胞和分子水平上起作用。它由波士頓兒童醫(yī)院的醫(yī)學(xué)博士William T. Pu和波士頓??兒童醫(yī)院和哈佛大學(xué)工程，藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院(SEAS)的Kevin Kit Parker博士領(lǐng)導(dǎo)。

研究人員使用由Dominic Abrams，醫(yī)學(xué)博士，MBA領(lǐng)導(dǎo)的遺傳性心律失常計劃，研究人員從波士頓兒童醫(yī)院的兩名患者那里獲得了血液樣本，這些患者因RYR2的單獨突變而導(dǎo)致CPVT，該基因與大多數(shù)CPVT病例有關(guān)。RYR2編碼一個通道，使細(xì)胞釋放鈣 - 這是引發(fā)心臟收縮的第一步。

然后科學(xué)家將患者的血細(xì)胞重新編程為誘導(dǎo)多能干(iPS)細(xì)胞，幾乎可以制造所有細(xì)胞類型。由此，他們制作攜帶CPVT突變的心肌細(xì)胞(心肌細(xì)胞)，并用它們構(gòu)建心肌組織模型。

“將細(xì)胞接種在工程表面，使它們排列在與心肌組織方式相似的特定方向上，”波士頓兒童基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化心血管研究主任Pu解釋道。“細(xì)胞單獨出現(xiàn)非常異常的跳動，但在組裝到組織后，它們一起拍打，更好地模擬實際疾病。這就是為什么組織級模型很重要。”

在盤子里練習(xí)測試

使用所謂的光遺傳學(xué)系統(tǒng)，研究小組然后將藍(lán)光應(yīng)用于組織的一端以激活細(xì)胞。這產(chǎn)生了一種沿著細(xì)胞片移動產(chǎn)生收縮的沖動。使用這個系統(tǒng)，他們創(chuàng)造了一個“盤子里的運動測試”。為了模擬運動，他們添加了藥物異丙腎上腺素(類似于應(yīng)激激素腎上腺素)并應(yīng)用紅外線來啟動更快的心跳。

此測試有助于揭示CPVT的基本機(jī)制。當(dāng)健康的心臟組織進(jìn)行運動試驗時，鈣在均勻的波浪中穿過組織。但是在由CPVT患者制作的組織模型中，鈣波以不同的速度移動，并且在組織的某些部分根本不移動，導(dǎo)致稱為再入的異常圓周運動 - 就像在現(xiàn)實生活中發(fā)生的那樣。

“當(dāng)我們更快地使細(xì)胞起搏時，CPVT組織會持續(xù)出現(xiàn)反復(fù)性心律失常，而正常組織可以很好地處理它，”Pu說。

為了解壓力如何使CPVT患者容易受到危及生命的心律失常，Pu，Parker及其同事確定了由腎上腺素激活的信號分子，然后使用藥物和CRISPR / Cas9基因組編輯來選擇性地抑制或修飾它們。

通過這一策略，他們發(fā)現(xiàn)在健康的心臟組織中，一種名為CaM激酶(CaMKII)的酶可化學(xué)修飾RYR2，從而觸發(fā)心肌細(xì)胞釋放出更多的鈣。在CPVT細(xì)胞中，這種修飾與遺傳的RYR2突變結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞中過量的鈣水平，從而引起心律失常。

“大自然設(shè)計了CaMKII作為戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)的一部分，”Pu解釋道。“當(dāng)你興奮的時候，你會釋放出更多的鈣，這樣心臟就可以更快地跳動。但是當(dāng)RYR2發(fā)生突變時，通道就會滲漏，因此細(xì)胞會釋放過多的鈣，導(dǎo)致心律失常。”

當(dāng)研究人員阻止CaMKII修飾時，他們消除了組織模型中的心律失常。當(dāng)它們用肽AIP(一種有效的和選擇性的CaMKII抑制劑)阻斷CaMKII本身時，它們具有相同的效果。

“iPS技術(shù)與芯片上器官的結(jié)合為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究和患者利益提供了新的機(jī)會，”Parker指出。“我們的愿景是利用這些技術(shù)篩查罕見疾病患者的臨床試驗。通過在體外復(fù)制患者的疾病，我們可以測試患者疾病的候選療法并測量安全性和療效，以便正確的患者接受檢測合適的藥物。“

用基因療法抑制CaMKII

因為CaMKII酶作用于心臟旁邊的許多組織 - 并且是大腦需要記憶形成的 - 該團(tuán)隊希望能夠特異性地抑制心臟中的CaMKII。在6月3日由Circulation在線發(fā)表的另一項研究中，由Bezzerides和Pu領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在CPVT小鼠模型中測試了一種基因治療方法。

他們設(shè)計了一種特殊病毒，用CPVT注射到小鼠體內(nèi)，選擇性地移植到心臟并輸送AIP。測試表明，AIP在約50%的心臟細(xì)胞中表達(dá)，足以抑制心律失常，但在包括大腦在內(nèi)的非心臟組織中無明顯表達(dá)。

研究人員現(xiàn)在計劃改進(jìn)他們的基因治療策略并在大型動物模型中進(jìn)行測試，并最終在CPVT患者中進(jìn)行測試，可能與其他醫(yī)療中心合作。

心臟病的一般方法？

Bezzerides和Pu認(rèn)為該治療對于由各種RYR2突變引起的CPVT患者可能是有效的(已報道超過160種突變)。他們相信他們在心臟中抑制CaMKII的整體策略可以幫助治療更常見的心臟病。

“正常的心臟功能不需要CaMKII，但它會在許多形式的心臟病中被激活，”Pu說。“在許多形式的心臟病，如缺血性心肌病，心房顫動或肥厚性心肌病的小鼠模型中，慢性CaMKII激活是有害的。我們的基因治療方法可能有助于改善CaMKII抑制這些其他類型心臟病的預(yù)后。 “。

Vassilios Bezzerides是基因治療論文的第一作者。William Pu是資深作者。波士頓兒童醫(yī)院的Ana Caballero，Suya Wang，Yulan Ai，Robyn J. Hylind，福建路，Danielle A. Heims-Waldron，Kristina D. Chambers，Donghui Zhang和Dominic J. Abrams都是共同作者。(Cabellero現(xiàn)在在Oncorus，Inc。)。該研究由美國國立衛(wèi)生研究院，美國心臟協(xié)會，波士頓兒童心臟中心，Mannion和Roberts家族以及Sarnoff心血管研究基金會資助。

哈佛SEAS的Sung-Jin Park和波士頓兒童醫(yī)院的Donghui Zhang是CPVT組織研究的共同第一作者。William Pu和Kit Parker是共同的高級作者。共同作者是中國湖北大學(xué)的Yan Qi和Pengcheng Yang;波士頓兒童醫(yī)院的Yifei Li，Vassilios Bezzerides，Xujie Lou，F(xiàn)ujian Lu，Judith Geva，Amy Roberts和Dominic Abrams;Keel Yong Lee，Sean Kim，F(xiàn)rancesco Pasqualini和SEAS的Patrick Campbell;和Beth Israel Deaconess醫(yī)療中心的Andre Kleber。Pu和Parker也是哈佛干細(xì)胞研究所的成員。

資助者包括美國國立衛(wèi)生研究院，波士頓兒童翻譯研究服務(wù)中心，波士頓兒童心臟中心，Mannion和Roberts家庭，SEAS，Wyss研究所，國家科學(xué)基金會和美國心臟基金會。