同一患者来源的 RPE 与类器官呈现不同异常

PRPF31 相关的视网膜色素变性(retinitis pigmentosa,RP)为何可以在不同视网膜细胞中表现不同,以及这些异常能否用于治疗评价,是这项研究的问题。2018 年,英国纽卡斯尔大学(Newcastle University)等多国团队在 Nature Communications 报告患者来源的视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)与三维视网膜类器官,并比较基因校正后的表型。

研究纳入 4 位患者,其中 3 位为具有同一 PRPF31 变异的亲属,另 1 位患者具有不同变异,并设 3 位健康对照。团队由诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cell,iPSC)分别生成 RPE 和类器官,让疾病表型和校正结果能在两类相关组织中观察。

严重患者来源 RPE 的顶端–基底极性标志和上皮屏障均出现异常,色素上皮衍生因子(pigment epithelium-derived factor,PEDF)与血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的分泌分布也改变,吞噬视杆外节的能力降低。临床较轻患者的吞噬结果却未显著下降,显示不同患者的基础表型存在差别。

剪接与蛋白变化随细胞类型而异

研究也从分子层面检查了这种组织差异。患者 RPE 中 PRPF31 表达下降更明显,蛋白检测还能检出一种较长的突变形式;相同的突变蛋白未在患者视网膜类器官中检出。作者指出,RPE 中残留突变蛋白是否具有显性负效应仍不清楚,因此补回表达与处理异常蛋白是需要分别研究的问题。

转录组分析显示,RPE 与类器官的异常外显子使用涉及不同基因群,同时都富集于前体 mRNA 及选择性剪接相关过程。后续定点检测确认,RPE 中 CPSF1、CNOT3 的剪接发生变化,类器官中则包括 RPGR、RPGRIP1L、IFT122 和 SORBS1。作者据此提出,剪接系统自身受扰可能进一步影响纤毛等细胞过程;这些分子结果仍需与实际纤毛和功能表型结合。

纤毛与超微结构变化揭示疾病表型

RPE 中,患者细胞的纤毛长度和具有纤毛的细胞比例均降低,电子显微镜可见较短、膨大的纤毛及排列异常的微管。类器官光感受器也出现纤毛比例降低和超微结构异常。研究把荧光标记与二维、三维电镜结合,避免仅凭一种图像判断纤毛状态。

第 21 周类器官中,患者组具有凋亡核的细胞数相对对照增加 150%,这一比较共分析 50 张透射电镜切片;17% 的患者切片出现应激空泡。这些数字分别以所分析细胞或切片为统计对象。第 43 周仍可见相应异常。

纤毛定量还需保留测量方式:RPE 用三维图像测长度,每样本至少 150 根纤毛,比例统计至少 300 个细胞;类器官则在切片图像最大强度投影中分割,计算所选区域的平均长度和纤毛/细胞比例。两套读数不宜直接当成相同几何测量。

患者与对照来源 RPE 及视网膜类器官的纤毛标记、比例和超微结构比较。

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患者与对照来源 RPE 及视网膜类器官的纤毛标记、比例和超微结构比较。(Adriana Buskin / Nature Communications, 2018, Fig. 5;CC BY 4.0)

GABA 响应降低,cGMP 类似物响应未变

第 21 周类器官还接受微电极阵列(microelectrode array,MEA)检测。8-Br-cGMP 这一环磷酸鸟苷类似物引发的响应,在患者与对照之间没有差异;γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)引发的放电增加,在临床最严重患者来源类器官中则较弱。

MEA 在此记录的是面向电极的神经节细胞输出。cGMP 类似物与 GABA 揭示了不同的基础功能差异;这项患者与对照比较,并未检测基因校正后的网络功能。

分化前基因校正改善 RPE 与光感受器表型

治疗概念验证使用临床最严重患者来源的 1 个校正 iPSC 克隆,再与未校正细胞平行分化成 RPE 和视网膜类器官。基因校正在分化前进行,因此实验检验的是校正背景下组织能否形成较正常的表型。

校正后的 RPE 和光感受器纤毛长度、出现比例提高,电镜显示纤毛微管排列及形态恢复;RPE 吞噬能力改善,分泌分布和顶端 MERTK、基底胶原 IV 标志也得到恢复。图 7 相关定量标注 n=3,统计方法说明通常为至少 3 次独立实验;这些重复仍来自单一校正克隆,多患者或多克隆的一致性尚未检验。

作者明确指出,若要转向患者治疗,还需在患者的 RPE 和光感受器中实现干预。本研究尚未验证在成熟组织或患者眼内实施干预的效果。患者疾病通常较晚出现,体外表型却在分化数周后已可观察,作者提出 RPE 过早衰老可能参与这一差别,仍需继续检验。

来源与延伸阅读

  1. Disrupted alternative splicing for genes implicated in splicing and ciliogenesis causes PRPF31 retinitis pigmentosa. Nature Communications. 2018. doi:10.1038/s41467-018-06448-y ↗