構(gòu)建出“培養(yǎng)皿冬眠”細(xì)胞模型

在冬眠期間，十三條紋地松鼠（13-lined ground squirrel）耐受接近冰點(diǎn)的溫度，顯著地減慢它的心率和呼吸。這種地松鼠的組織如何適應(yīng)寒冷和代謝壓力一直困擾著科學(xué)家們。

已知易受寒冷影響的細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)是微管細(xì)胞骨架。細(xì)胞內(nèi)的這種小管網(wǎng)絡(luò)給細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支持，并作為細(xì)胞內(nèi)部的一種運(yùn)輸系統(tǒng)，轉(zhuǎn)運(yùn)對細(xì)胞存活至關(guān)重要的細(xì)胞器和分子復(fù)合體。

在一項新的研究中，美國國家眼科研究所的Wei Li博士、Li實(shí)驗室博士后研究員Jingxing Ou博士及其同事們比較了來自非冬眠動物的細(xì)胞和來自十三條紋地松鼠的細(xì)胞以便確定它們對寒冷作出反應(yīng)的差異。他們發(fā)現(xiàn)十三條紋地松鼠神經(jīng)元中，微管細(xì)胞骨架仍然保持完整，而在人類和包括大鼠在內(nèi)的其他非冬眠動物的神經(jīng)元中，微管細(xì)胞骨架遭受破壞。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年5月3日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“ipsCs from a Hibernator Provide a Platform for Studying Cold Adaptation and Its Potential Medical applications”。

為了研究支持十三條紋地松鼠適應(yīng)寒冷的生物學(xué)因素，這些研究人員構(gòu)建出“培養(yǎng)皿冬眠（hibernation in a dish）”模型。他們獲取來自新生十三條紋地松鼠的細(xì)胞，將它們進(jìn)行重編程后，讓它們變成干細(xì)胞，即能夠變成體內(nèi)任何一種組織細(xì)胞的未分化細(xì)胞。重要的是，這些在實(shí)驗室構(gòu)建出的干細(xì)胞，也被稱作誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（ipsC），保持成年十三條紋地松鼠細(xì)胞的內(nèi)在寒冷適應(yīng)特征，因而就為研究這種嚙齒類動物的各種細(xì)胞類型如何適應(yīng)寒冷提供一種平臺。

接下來，他們分別讓十三條紋地松鼠和人類的iPSC經(jīng)過分化產(chǎn)生神經(jīng)元，并比較這些神經(jīng)元的基因表達(dá)。寒冷暴露揭示出神經(jīng)元中的線粒體---以三磷酸腺苷（ATP）形式給細(xì)胞提供能量的細(xì)胞器---反應(yīng)存在明顯的差異。他們發(fā)現(xiàn)由人類iPSC產(chǎn)生的神經(jīng)元經(jīng)過寒冷暴露后傾向于過度產(chǎn)生一種被稱為活性氧（ROS）的代謝副產(chǎn)物。人類神經(jīng)元中過量的ROS似乎導(dǎo)致沿著微管分布的蛋白發(fā)生氧化，從而嚴(yán)重破壞微管結(jié)構(gòu)。相比之下，由十三條紋地松鼠ipsC產(chǎn)生的神經(jīng)元經(jīng)過寒冷暴露后保持相對較低的ROS水平，并且它們的微管結(jié)構(gòu)保持完整。

寒冷暴露（cold exposure）也會干擾由人類ipsC產(chǎn)生的神經(jīng)元通過它的蛋白質(zhì)量控制系統(tǒng)處理有毒性的發(fā)生氧化的蛋白的能力。在正常情況下，人神經(jīng)元中的溶酶體包裹發(fā)生氧化的蛋白并通過蛋白酶消化它們，但是在經(jīng)過寒冷暴露的人神經(jīng)元中，蛋白酶從溶酶體中泄漏出來，從而消化附近的微管。

這些研究人員隨后在進(jìn)行寒冷暴露之前利用兩種藥物處理來自非冬眠動物的細(xì)胞以便改變寒冷誘導(dǎo)損傷的過程。其中的一種藥物，即BAM15，抑制ATP的產(chǎn)生，這會降低ROS的產(chǎn)生。第二種藥物抑制蛋白酶活性。

在將來自非冬眠動物的多種細(xì)胞類型浸泡在這兩種藥物中后，Li和他的團(tuán)隊讓它們暴露在4℃下4到24小時。這種藥物組合保存了由人類ipsC產(chǎn)生的神經(jīng)元中的微管結(jié)構(gòu)。隨后的測試表明大鼠視網(wǎng)膜也保持功能。

他們發(fā)現(xiàn)這種藥物組合也會保存非神經(jīng)組織的結(jié)構(gòu)和功能。來自小鼠腎臟的腎細(xì)胞中的微管在冷卻和復(fù)溫后表現(xiàn)出改善的結(jié)構(gòu)完整性。

除了對器官移植產(chǎn)生影響之外，這些發(fā)現(xiàn)也為在未來的研究中探究可能的治療應(yīng)用鋪平了道路。比如，誘發(fā)體溫降低是一種遭受創(chuàng)傷后保護(hù)大腦的常用策略，但是人們需要權(quán)衡潛在的益處和寒冷誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷帶來的潛在危害。

Li說，“通過理解冬眠期寒冷適應(yīng)的生物學(xué)特性，我們可能能夠改善和擴(kuò)大未來誘導(dǎo)體溫降低的應(yīng)用，并且可能延長器官在移植前的生存能力。比如，腎臟的保存時間通常不超過30小時，在此之后，這種組織開始惡化，這就會破壞該器官在經(jīng)過復(fù)溫和再灌注后發(fā)揮正常功能的能力。心臟、肺部和肝臟具有更短的保存期限?！?/span>