在一项新的研究中，来自美国波士顿儿童医院的研究人员报道了首个遗传性心律失常的人体组织模型，在培养皿中再现了两名患者的心律失常。这就为开发治疗心律异常的方法奠定了基础。相关研究结果于2019年7月17日在线发表于Circulation，论文标题为“Insights into the Pathogenesis of Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia from Engineered Human Heart Tissue”。
这项研究着重关注儿茶酚胺能多形性室性心动过速（CPVT），这是儿童和年轻人猝死的主要原因。这种心律失常通常由运动或精神压力引发，并且在平均12岁时首次出现，通常是突然失去意识。
当前的治疗方法包括β受体阻滞剂和氟卡尼等药物，手术可以阻断支配心脏左侧的神经，植入式心律复律除颤器（在CPVT中，这可导致中危及生命的并发症），以及让孩子尽可能少运动。
参与这项研究的波士顿儿童医院遗传性心律失常项目主治心脏病学家Vassilios Bezzerides博士说道，“对于CPVT的治疗目前还不够：尽管接受治疗，25％至30％的患者仍会出现危及生命的心律失常。”
构建心律失常组织模型
在这项新的研究中，这些研究人员利用组织工程模型研究了CPVT在细胞和分子水平上的致病机理。它是由波士顿儿童医院的William T. Pu博士和Kevin Kit Parker博士领导的。
通过与波士顿儿童医院的Dominic Abrams博士领导的遗传性心律失常项目合作，这些研究人员从波士顿儿童医院的两名患者那里获得了血液样本。这两名患者因基因RYR2发生的不同突变而患上CPVT，此外，大多数CPVT病例与这个基因相关。RYR2基因编码的一种通道蛋白能够让细胞释放钙离子，这是引发心脏收缩的第一步。
这些研究人员随后将患者的血细胞重编程为诱导性多能干细胞（iPS细胞），ips细胞几乎可以产生所有的细胞类型。由此，他们产生携带CPVT突变的心肌细胞，并用它们构建心肌组织模型。
Pu说道，“将这些心肌细胞接种在一个工程表面上，这样它们就会按照与心肌组织类似的特定方向排列。这些心肌细胞各自都出现异常的跳动，但是在组装成组织之后，它们一起跳动，这更好地模拟了实际的疾病。这就是为何组织水平的模型很重要。”
在培养皿中进行运动测试
通过使用所谓的光遗传学系统，这些研究人员随后将蓝光施加于这种组织模型的一端以激活这些心肌细胞。这产生了一种沿着这种细胞片（即前面提及的心肌组织模型）移动的冲动，从而产生收缩。通过使用这种系统，他们构建出“培养皿中的运动测试（exercise test in a dish）”。为了模拟运动，他们添加了药物异丙肾上腺素（类似于称为肾上腺素的应激激素）并施加红外线来启动更快的心跳。
这项测试有助于揭示CPVT的内在致病机理。当健康的心脏组织进行运动测试时，钙离子以均匀波（even wave）穿过这种组织。但是在利用CPVT患者的ips细胞制造出的组织模型中，钙离子波以不同的速度移动，并且在这种组织模型的某些部分根本不移动，从而导致称为折返性（re-entry）的异常圆周运动---就像在现实生活中发生的那样。
Pu说道，“当我们让这些心肌细胞更快地跳动时，这种CPVT组织模型会持续出现反复性心律失常，而正常组织能够很好地处理它。”
为了理解精神压力如何让CPVT患者容易发生危及生命的心律失常，Pu、Parker及其同事们鉴定出由肾上腺素激活的信号分子，然后使用药物和CRISPR/Cas9基因组编辑来选择性地抑制或修饰它们。
通过这一策略，他们发现在健康的心脏组织中，一种称为CaM激酶（CaMKII）的酶可化学修饰RYR2，从而触发心肌细胞释放出更多的钙离子。在CPVT细胞中，这种修饰与遗传性的RYR2突变结合在一起，导致细胞中出现过量的钙离子水平，从而引起心律失常。
Pu解释道，“大自然设计了CaMKII作为战斗或逃跑反应的一部分。当你兴奋的时候，你会释放出更多的钙离子，这样心脏就可以更快地跳动。但是当RYR2发生突变时，这种通道蛋白就会发生渗漏，因此细胞就会释放过多的钙离子，从而导致心律失常。”
Parker指出，“iPS技术与器官芯片的结合为精准医学研究和患者的利益提供了新的机会。我们的目标是利用这些技术筛查罕见疾病患者以便招募他们参加临床试验。通过在体外再现患者的疾病，我们能够测试针对患者疾病的候选疗法并测量它们的安全性和疗效，这样就可利用合适的药物对合适的患者进行检测。”
参考资料：
Sung-Jin Park et al. Insights into the Pathogenesis of Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia from Engineered Human Heart Tissue. Circulation, 2019, doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.119.039711.
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