2021-07-30 09:08

完善成骨不全患者的胶原蛋白生成

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大多数人一生中可能会折断近两根骨头,但那些患有成骨不全症(也被称为脆骨病)的人甚至在进入青春期之前就可能折断数百根骨头。虽然健康的骨骼可能会在严重的坠落或严重的车祸中断裂,但脆骨病可能根本没有明显的原因。

成骨不全症(OI)被列为一种罕见疾病,每10万名活产婴儿中有6-7人受到影响,其严重程度取决于特定的突变。虽然目前治疗方法很少,也没有治愈方法,但Meenal Mehrotra医学博士和她的实验室最近在《干细胞》杂志上发表了有希望的发现,以解决这一知识鸿沟。

Mehrotra是MUSC Health病理和实验室医学系的助理教授,也是这篇论文的主要研究者,他指出胶原蛋白基因的突变是导致成骨不全的主要原因。梅赫罗特拉说:“胶原蛋白是我们骨骼的基质或主干。“当它发生变异时,我们的骨头变得非常脆弱,很容易断裂。”

除了骨骼的形成和粘合,胶原蛋白是一种存在于血管、器官、角膜和牙齿中的蛋白质,这意味着脆骨疾病会影响一个人的视力和骨骼健康,甚至会影响他们的听力。不幸的是,目前的治疗方案侧重于OI的症状而不是原因,使用的药物可能有长期的副作用。

在她的研究中,梅赫罗特拉回到了起点——她研究的是生成胶原蛋白的成骨细胞。“变异的成骨细胞产生变异的胶原蛋白,”她说。但如果她能替换成骨细胞,她就能改变产生的胶原蛋白,从而改变由胶原蛋白形成的骨头。

成骨细胞和破骨细胞对骨生长和重建至关重要。骨作为一个不断更新的动态组织,需要细胞之间保持一致的沟通。成骨细胞形成新骨,破骨细胞重新吸收旧骨或受损骨;这两种功能都是保持骨骼强壮所必需的。通过用健康的细胞替换受损或突变的成骨细胞,Mehrotra和她的实验室提供了一种有治疗前景的选择。虽然目前的结果在动物模型中显示出了有效性,但Mehrotra希望将来能将她的结果应用于人类。

目前的教条指出间充质干细胞(MSCs)是成骨细胞的来源,但MSC移植作为一种治疗选择尚未取得长期成功。造血干细胞(造血干细胞)通常产生血细胞和破骨细胞,但Mehrotra假设它们也可以产生成骨细胞。

这一想法使她开始在患有脆骨病的小鼠身上研究造血干细胞移植。

并不是所有的生物学家都同意造血干细胞可以同时产生血细胞和骨细胞,所以Mehrotra认为她的假设是有争议的。她说:“过去很少有这方面的研究。”“这并不是说人们以前没有对此进行过推测,而是因为每次讨论都有很多科学家不同意,所以没有进行详细的研究。”

Mehrotra在论文中花了大量的时间详细描述她是如何证实只有造血干细胞对她的研究结果负责的。Mehrotra和她的实验室利用克隆的造血干细胞群体,只在成骨细胞中表达绿色荧光蛋白(GFP),进行了谱系追踪研究。这些研究将造血干细胞作为可以分化成成骨细胞的细胞,从而在成骨性成骨症小鼠身上取得了临床改善。

这种克隆造血干细胞移植的方法是由Mehrotra的导师Makio Ogawa,医学博士,退休前是MUSC Health的病理学教授。他确保克隆群体只有造血干细胞而不包含任何间充质干细胞的方法使Mehrotra对她的结果有信心。

为了移植这些特征性的造血干细胞,Mehrotra的实验室首先对小鼠进行辐射,以去除它们目前的骨髓,为更健康的细胞腾出空间。然后,新的造血干细胞通过静脉注射移植到小鼠体内,在那里它们生成生成胶原的成骨细胞。Mehrotra发现,这个过程替代了小鼠长骨中约20 - 40%的成骨细胞,这高于MSC移植的百分比,因此显示了长期的成功。

梅赫罗特拉说:“我们认为这有可能成为一种治疗方法。”“通过用分泌正常胶原蛋白的正常成骨细胞替代不正常的成骨细胞,我们的目标是找到一种真正治愈的疗法。”

在这项技术成为患者的治疗选择之前,还需要进行更多的研究,但Mehrotra说,这是一个有希望的开始。通过替换成骨细胞,她提供了一个不依赖于特定突变而仅仅依赖于突变存在的治疗机会,这意味着它可能在未来转化为其他形式的OI和其他骨疾病。

Mehrotra希望将HSC移植作为一种自体移植策略进行研究。移植有两种重要形式:自体移植和同种异体移植。在自体移植中,从一个人身上取出细胞或器官,然后再移植回同一个人体内。在同种异体移植中,细胞或器官来自另一个人,这就有排斥反应或移植物抗宿主病的风险。Mehrotra提出,通过使用CRISPR-Cas9技术,科学家可以纠正成骨不全患者造血干细胞中的胶原突变,然后将这些纠正后的造血干细胞移植回同一患者的系统中,在那里它们可以形成正常的、生成胶原的成骨细胞。

通过这项研究,Mehrotra解决了围绕造血干细胞产生成骨细胞的潜力的争议。她希望更多的研究人员将考虑在骨病中的造血干细胞前景,她希望继续帮助患有像成骨不全症这样衰弱性骨病的患者过上更高质量的生活。