约翰斯·霍普金斯大学 Homewood 校区的道路与砖建筑。
约翰斯·霍普金斯大学巴尔的摩 Homewood 校区,2023 年。(Chris Rycroft / Wikimedia Commons;CC BY 2.0)

同一细胞库用于比较多种疾病表型

2012 年 6 月 28 日,Cell Stem Cell 发表一项亨廷顿病患者来源神经细胞模型研究。8 个研究组围绕患者与对照来源的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC),比较 HTT 基因 CAG 重复扩增相关的代谢、电活动、钙稳态和细胞死亡表型。研究旨在辨明哪些细胞与终点能稳定检出差异,为后续药物筛选选择模型。

联盟建立了 14 条 iPSC 细胞系,其中 8 条用于本文不同实验。细胞经神经方向分化后仍可检测到正常及突变亨廷顿蛋白。多数细胞系的 CAG 重复长度只出现轻微变化,但一条较长重复细胞系随传代略有增加。因此,细胞系名称、克隆和培养阶段都需要与实际检测结果对应。

不同终点反映不同的重复长度关系

在神经祖细胞中,HD60 和 HD180 相关模型均表现出细胞黏附减弱、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)含量降低,ATP 与二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)的比值也降低。这些指标可以区分患者模型与对照,但没有简单地随重复长度增加而逐级加重。另一些指标的异常主要在较长重复模型中显现;不同检测终点与 CAG 重复长度的关系有所不同。

钙稳态提供了另一种表现。研究在谷氨酸刺激后观察到与 CAG 扩增长度有关的分级反应;慢性谷氨酸暴露还加重了较长重复模型的钙稳态紊乱。与之相比,部分细胞存活和营养因子撤除反应主要集中在长重复模型。研究者据此指出,检测方法的灵敏度、动态范围和所用细胞类型,会共同影响可见的重复长度差异。

分化路线和细胞组成会改变死亡表型

较短分化路线下,HD180 相关培养物在约 2 周时未见自发放电神经元,随后出现明显细胞死亡;其他联盟成员用成像和凋亡相关标志检测重现了这一现象。研究改用较长、偏向纹状体的分化路线后,避免了此前约 3 周出现的大范围死亡。观察细胞死亡时,分化路线也决定了模型能够维持多久。

较长路线得到的培养物仍是混合细胞群。神经元相关标志阳性细胞最多约占 10%,纹状体相关标志 DARPP-32/Bcl11B 阳性细胞最多约占 5%;培养批次和细胞系之间的差异较大,难以仅用单个时间点判断患者与对照是否不同。纵向追踪则显示,HD60 和 HD180 相关细胞的累计死亡风险高于对照,让研究者能够观察随时间积累的变化。

撤除营养因子后,不同死亡终点的结果并不相同

脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)撤除实验尤其体现这种条件依赖性。纵向追踪中,HD180i.7 细胞在撤除 BDNF 后,与对照相比仍有更高死亡风险;但若与该细胞系自身保留 BDNF 的条件比较,撤除后的死亡风险比(hazard ratio,HR)为 1.22,未达到统计学显著性(p=0.08)。前一项比较反映患者与对照模型的差异,后一项则专门评价撤除 BDNF 的影响。

另一些实验用核固缩和 caspase 活性观察死亡,检出了较长重复模型的明显反应,但 HD60 的克隆反应较不一致。其中 caspase 实验还同时移除了影响内源 BDNF 表达的其他培养成分,因此各终点需要按各自条件解释。反过来,提高 BDNF 供给可降低 HD180i.7 的累计死亡风险,HR 为 0.67,但仍未回到对照水平;对照细胞没有出现显著变化。

模型选择要同时考察细胞材料与检测终点

这项研究归纳出 3 种关系:某些表型随 CAG 扩增长度呈分级变化,某些主要见于最长扩增模型,另一些则在不同疾病扩增长度中相似地出现。比较不同重复长度时,需要选择能反映这类差异的指标;观察细胞死亡时,培养路线、克隆及随访方式又会影响能否检出反应。

研究还在分化前后及应激条件下检查了突变亨廷顿蛋白包涵体,均未观察到其形成,但其他检测已出现细胞功能异常与死亡。作者认为,这可能与人类疾病中包涵体形成需要较长时间有关。这一结果也说明,包涵体、代谢变化和死亡是不同层面的表型,模型用途需要结合所选终点判断。

来源与延伸阅读

  1. Induced Pluripotent Stem Cells from Patients with Huntington’s Disease Show CAG Repeat Expansion Associated Phenotypes. Cell Stem Cell. 2012. doi:10.1016/j.stem.2012.04.027 ↗

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