原论文图 3 比较 2 名患者视网膜类器官在溶剂与利血平处理后的视紫红质染色,并列显示荧光强度统计。
原论文图 3B–C:2 名 LCA10 患者来源视网膜类器官经利血平处理后的视紫红质染色与统计(Chen 等,CC0)。 许可说明

小鼠模型承担初筛,人源类器官用于后续验证

美国国立眼科研究所(National Eye Institute)等机构研究与 CEP290 基因有关的 Leber 先天性黑矇 10 型(Leber congenital amaurosis type 10,LCA10),目标是在光感受器损伤前找到可测试的药物线索。团队先用 rd16 小鼠诱导多能干细胞培育视网膜类器官;这一小鼠模型携带 CEP290 相关缺陷,成熟过程中会出现纤毛及视杆细胞异常。

大规模初筛使用的是解离的小鼠类器官来源细胞。研究者将小鼠类器官解离为细胞后,利用带荧光标记的视杆细胞读数,检测超过 6,000 种生物活性小分子。初筛有 114 种化合物提高荧光信号,排除细胞毒性和化合物自身荧光造成的假阳性后,14 种进入下一轮比较。

第二轮在完整的 rd16 小鼠视网膜类器官中观察视紫红质和视锥相关标志。14 种候选物里有 5 种在这一阶段未显示明显毒性,团队据视杆、视锥标志和组织分布进一步比较,最终把利血平(reserpine)作为主要候选物。它改善了视杆细胞标志及其分布;筛选信号与完整类器官中的组织标志相互印证,避免只把单一荧光读数当作药效。

在患者来源视网膜类器官中检验利血平

随后,研究者使用同一家系的 3 条人源细胞系:未患病母亲作为对照,2 名携带 CEP290 复合杂合变异的子女分别建立患者来源视网膜类器官。患者模型从培养约第 120 天起出现连接纤毛和视杆细胞外节相关异常,视紫红质的分布也与家系对照不同。

研究者从类器官培养第 107 天起给予利血平,比较 10、20 和 30 微摩尔处理,随后观察光感受器成熟。2 名患者来源类器官的视紫红质染色强度均显著增加,部分细胞在外侧区域显示更清楚的视紫红质和连接纤毛标志。作者还换用每名患者的另一细胞克隆复测;方向相似,但这组复测没有达到统计显著。不同克隆之间的结果差异提示,人源模型的分化背景仍会影响药物反应。

原论文图 3 把 2 名患者模型分别列出:组织图像与荧光强度统计显示的是离体培养条件下的光感受器标志变化,不是患者视力改善。电子显微镜还显示,处理后连接纤毛的结构指标发生改善;团队按 2 名患者分别统计纤毛小泡、轴丝和异常纤毛,避免把单张代表性图像当作完整结果。所测视锥、突触和其他视网膜细胞标志未见明显不利变化。这些检测扩展了初筛读数,但仍属于特定家系和培养条件。

组学和蛋白稳态实验提供机制线索

团队对处理后的人源类器官开展 RNA 测序。第 1 名患者的模型中,利血平处理组与未处理组有 355 个差异表达基因,蛋白酶体及细胞存活相关通路发生变化。部分视杆和视锥相关基因的转录水平却下降,与染色指标的改善形成对照,显示两类读数描绘的是不同层面的反应。LCA-2 患者模型的转录组响应较弱,未取得足够的显著差异基因用于同样的后续分析;两人的机制反应尚缺少一致的组学证据。

进一步的蛋白实验中,第 1 名患者的类器官在未处理时 p62 水平低于对照;利血平处理后 p62 上升,蛋白酶体活性也增加。团队还以其他影响自噬过程的化合物作对照:部分处理同样提高视紫红质染色,但另一些化合物在测试条件下具有毒性。由此,研究提出蛋白稳态与纤毛形成之间的关系,具体分子作用链仍需继续验证。

小鼠体内实验提供了另一种终点。给药后的 rd16 小鼠,视网膜外核层较厚,暗适应视网膜电图 b 波改善;明适应电图没有观察到显著改变。小鼠的组织厚度与电生理结果,不能替代人源类器官的药物反应,也未证明对患者有效。

一种分层推进的药物发现路径

这项研究把不同模型放在各自合适的位置:小鼠来源细胞支持大规模候选物筛选,完整小鼠类器官帮助确认组织表型,2 名患者来源类器官用于检验人源疾病相关性,动物实验再观察组织和功能终点。每一层回答的问题不同,研究价值在于逐步缩小候选物范围,并让人源模型参与关键确认。

利血平是已知药物,但论文中的类器官处理与小鼠眼内实验属于研究条件。人源结果来自一个家系的 2 名患者,尚无患者给药后的眼内暴露、长期安全性或视觉疗效数据。把利血平视为值得进一步研究的候选物,比称其已经成为 LCA10 治疗方案更符合现有证据。

来源与延伸阅读

  1. Reserpine maintains photoreceptor survival in retinal ciliopathy by resolving proteostasis imbalance and ciliogenesis defects. eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.83205 ↗