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Chem. Sci.:“山寨”病菌的“导航系统”,为干细胞治疗指路

本文来自微信公众号:X-MOLNews

众所周知,心血管疾病是人类健康的头号杀手。每年死于心血管疾病的人数高达1500万,居死因之首。临床治疗各种心血管疾病的方法很多,包括药物治疗和外科治疗。但治疗效果仍不理想。大量患者治疗后仍无法消除疼痛,有的患者会失去自理能力,严重影响生活质量。

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干细胞治疗是近年来新兴的心血管疾病治疗方法,具有修复心肌组织的独特优势。与其他组织不同,心肌细胞没有分裂的能力。一旦心肌组织受损,就会形成疤痕,严重影响心肌的收缩和松弛,引起心脏问题。干细胞具有很强的分化能力,可以修复心肌组织的瘢痕,是一种治疗方法。但是,如何使干细胞准确到达并停留在心肌中,是测试科学家面临的一个大问题。

最近,诸如英国布里斯托大学的生物材料Adam W. Perriman等研究人员在化学科学领域报道了一种细胞导航系统能够将干细胞精确靶向至受损的心肌细胞,为治疗心血管疾病提供了新思路。有趣的是,研究人员对这项发明的关键是一种引起心内膜炎的病原体,即高密度链球菌。

亚当W佩里曼教授。图片来源:布里斯托尔大学

屎链球菌在人口腔中非常常见。它通常不致病或致弱,但在创伤或手术过程中可能引起感染,导致亚急性心内膜炎。口腔和心脏相距甚远,小戈登链球菌如何在如此复杂的身体系统中找到正确的道路?原来,这种细菌表达一种特殊的蛋白质,即细菌粘附蛋白CshA。它与心肌细胞表面的纤连蛋白Fn结合,帮助细菌准确地找到心肌组织。这种现象被称为“归巢”效应。换句话说,在比北京二环路立交桥复杂得多的人体循环系统中,戈登链球菌能够准确到达心脏的关键在于其可靠的“导航系统”细菌粘附蛋白CshA 。

受此启发,研究人员认为,如果将戈登链球菌导航系统的“平房”安装在干细胞上,干细胞能否发现心肌细胞如细菌?

看到这一点,估计很多有生命科学知识的朋友会说用干细胞表面表达这种蛋白质的基因工程会不会结束?这不是那么简单。在干细胞上直接表达CshA非常困难。毕竟,CshA是一种源自细菌如原核生物的蛋白质,人类干细胞是真核细胞,差异很大;此外,强制表达CshA可能会影响干细胞的正常功能。佩里曼教授和其他研究人员采取了不同的方法,并将“山寨精神”贯彻到底。他们添加了一个连接干细胞与CshA蛋白的单元,使CshA蛋白与干细胞膜连接,而不影响干细胞的生物学功能。具体而言,研究人员将增压绿色荧光蛋白(scGFP,图像a)融合到CshA的Fn结合域上,该结构域携带大量正电荷,并且能够通过带负电的阴离子聚合物进行表面活性。将试剂(简称S,下面的b)组合,表面活性剂S的另一端可以插入干细胞的细胞膜中。因此,获得了由嵌合蛋白和聚合物表面活性剂组成的“增强的”干细胞的“导航系统”,它们命名为[CshA-scGFP] [S]。当然,细胞膜上固有的带负电荷的物质也会吸引带正电荷的scGFP。同时,scGFP的绿色荧光也便于在随后的实验中观察其特征。

[CshA-scGFP] [S]的示意图。图像来源:Chem。科学。

研究人员首先测试了CshA-scGFP和[CshA-scGFP] [S]的毒性及其与人骨髓间充质干细胞(hMSCs)的相互作用。结果显示CshA-scGFP和[CshA-scGFP] [S]在12μM内几乎无毒,但[CshA-scGFP] [S]在干细胞膜上比单独的融合蛋白CshA-scGFP保留更长时间。细胞不会通过内吞作用吸收时间。在与hMSC共培养6小时后,[CshA-scGFP] [S]可在细胞膜上富集。此外,与[CshA-scGFP] [S]共培养的hMSC仍然能够正常分化。

[CshA-scGFP] [S]处理后正常分化的hMSC。图像来源:Chem。科学。

通过[CshA-scGFP] [S]共培养与融合蛋白结合的hMSC能否与纤连蛋白Fn结合?研究人员首先进行了体外试验。将大量Fn固定在管的一部分的内壁上,并且通过CshA-scGFP或[CshA-scGFP] [S]处理的hMSC通过管以记录粘附到管的细胞数量。用于评估融合蛋白与Fn的粘附性的壁。能力。特别是,研究人员记录了CshA-scGFP在不同流速下的粘附情况,更好地模拟了血液中的实际情况。结果表明,融合蛋白显着提高了hMSC与Fn的粘附性。

hMSC在静息(a)和不同流速(b/c)CshA-scGFP(黑色)或[CshA-scGFP] [S](红色)下粘附于Fn的能力。图像来源:Chem。科学。

体内实验是潜在治疗技术不可或缺的证据。研究人员将[CshA_scGFP] [S]治疗的hMSC注射到小鼠静脉中,以验证它们对小鼠没有急性急性毒性,另一方面证明它们可以通过归巢效应在小鼠心肌组织中富集。在小鼠肺组织中的类似实验表明,无论是否用[CshA_scGFP] [S]治疗,hMSCs很少在肺组织中富集,这表明用[CshA-scGFP] [S]治疗的hMSCs在心。富集和保留是组织特异性的。

注射后2小时,[CshA-scGFP] [S](绿色)修饰的hMSC(红色)在小鼠心肌组织(蓝色)中大量富集,而未处理的hMSC富集较少。注射24小时后,未处理的hMSC从心肌组织完全消失,而[CshA-scGFP] [S]处理的hMSC部分保留在心肌组织中。图像来源:Chem。科学。

在谈到这项研究时,Perriman教授说:“我们的结果表明,传染性细菌的归巢能力可以传递给人类干细胞。我们在小鼠模型中已经证明,设计的粘附蛋白可以自己插入。干细胞膜并且没有细胞毒性;然后修饰的干细胞被导向心脏。据我们所知,这是传染性细菌的靶向功能首次转移到哺乳动物细胞。“[1]

干细胞(绿色)通过[CshA-scGFP] [S]与心肌细胞结合。图像来源:布里斯托大学[1]

原来

设计人工膜结合蛋白将干细胞导向心肌

Wenjin Xiao,Thomas I. P. Green,Xiaowen Liang,Rosalia Cuahtecontzi Delint,Guillaume Perry,Michael S. Roberts,Kristian Le Vay,Catherine R. Back,Raimomdo Ascione,Haolu Wang,Paul R. Race,Adam W. Perriman

化学。 Sci。戈登链球菌,DOI: 10.1039/C9SCA

参考文献:

科学家劫持了细菌的归巢能力

2019

英国皇家化学学会的综合旗舰期刊,最新影响因子为9.556。发表了化学领域最前沿,最重要,最具挑战性的高影响力研究成果。化学科学是化学领域最具影响力的开放获取期刊,所有文章都可以免费阅读。

(本文由关于Chemical Science:提供)