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科学家使用微型肾脏模型来确定多囊肾疾病的潜在药物

 2022-07-12    256  

在《细胞干细胞》上的一项新研究中,来自南加州大学安迪·麦克马洪实验室的科学家们产生了一种简单的肾样结构,称为类器官,并用它们来确定治疗成人多囊肾病的潜在药物。


全球有800万患者患有这种成人发病的多囊肾病,这种疾病遵循所谓的“常染色体显性”遗传模式,这意味着当一个人继承了PKD1或PKD2基因的一个坏拷贝,而第二个好拷贝的活性也丧失时,就会发生这种疾病。常染色体显性多囊肾病(ADPKD)会在肾脏的许多区域引起巨大的充满液体的囊肿,导致肾功能丧失和其他危及生命的并发症,影响肝脏、胰腺和心脏。托伐普坦是FDA批准的唯一一种治疗ADPKD的药物,它减缓但不阻止疾病进展,而且只对由特定肾细胞类型组成的囊肿子集起作用。


为了加速对ADPKD的新治疗方法的探索,第一作者Tracy Tran, Cheng (Jack) Song和他们的同事从人类多能干细胞开始,这些干细胞要么有能力繁殖产生更多的干细胞,要么有能力分化成许多不同类型的特化细胞。他们利用这些多能干细胞培养类器官,由一到两个类似肾脏过滤单元的结构组成,称为肾元。


“这些类器官简单,可复制,可扩展,且具有成本效益,”McMahon教授说,他是这项研究的主要作者,干细胞生物学和再生医学系主任,南加州大学Eli和Edythe Broad再生医学和干细胞研究中心主任。“最重要的是,类器官可以持续概括正常人类肾脏发育的关键方面,以及ADPKD中囊肿的形成。”


科学家们证明,类器官包含许多在胚胎发育过程中构建肾脏所需的细胞前体和遗传特征。当被植入老鼠体内时,这种类器官的肾元状结构开始发育成脉管系统,甚至达到了过滤废物的有限能力——这是肾脏最重要的功能之一。


为了使类器官对研究ADPKD有用,科学家们使用了CRISPR/Cas9基因编辑来失活PKD1或PKD2。正如预期的那样,经过基因编辑的类器官开始形成囊肿,这些囊肿最终分离,并长到直径几厘米。


然后,科学家们使用基因编辑的人类类器官进行了第一次筛选,以确定ADPKD的潜在治疗药物,重点是一系列酶抑制剂,以对控制囊肿形成的细胞机制提供广泛的了解。


“我们的类器官被证明对确定治疗ADPKD的候选治疗药物非常有用,值得进一步研究,”宋说,他是McMahon实验室的安进博士后学者。


在类器官上测试了247种酶抑制剂化合物后,科学家们发现了9种可以抑制囊肿的生长,但不会阻碍类器官的整体生长。其中一种化合物喹唑啉特别有效。


“在未来,类器官将成为一种越来越强大的工具,用于建模和理解人类疾病,确定潜在的治疗方法,并最终为患者提供替代器官功能的移植,”Tran说,他在麦克马洪实验室作为博士生进行了这项研究,目前是加州大学洛杉矶分校的博士后实习生。


其他合著者包括Trang Nguyen、Shun-Yang Cheng、Jill A. McMahon、Rui Yang、Qiuyu Guo、Balint Der和Nils O. Lindström,以及Daniel C.-H。在安进林。郭现在在加州大学洛杉矶分校完成博士后培训,林在23andMe工作。


这项工作百分之百由国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所(赠款DK054364)和国家卫生研究院(培训赠款T32HD060549)提供的联邦资金支持。额外的支持来自私人来源,包括Amgen-USC博士后奖学金项目和在USC建立Choi家庭治疗筛查设施的慷慨捐赠


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