揭示CPVT遺傳性心律失常的致病機制

　　在一項新的研究中，來自美國波士頓兒童醫院的研究人員報道了首個遺傳性心律失常的人體組織模型，在培養皿中再現了兩名患者的心律失常。這就為開發治療心律異常的方法奠定了基礎。相關研究結果于2019年7月17日在線發表在Circulation期刊上，論文標題為“Insights into the Pathogenesis of Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia from Engineered Human Heart Tissue”。

圖片來自Sung Jin Park and Donghui Zhang from the Kevin Kit Parker and William T. Pu Laboratories, Boston Children's Hospital and Harvard SEAS。

　　這項研究著重關注兒茶酚胺能多形性室性心動過速（CPVT），這是兒童和年輕人猝死的主要原因。這種心律失常通常由運動或精神壓力引發，并且在平均12歲時首次出現，通常是突然失去意識。

　　當前的治療方法包括β受體阻滯劑和氟卡尼等藥物，手術可以阻斷支配心臟左側的神經，植入式心律復律除顫器（在CPVT中，這可導致中危及生命的并發癥），以及讓孩子盡可能少運動。

　　參與這項研究的波士頓兒童醫院遺傳性心律失常項目主治心臟病學家Vassilios Bezzerides博士說道，“對于CPVT的治療目前還不夠：盡管接受治療，25％至30％的患者仍會出現危及生命的心律失常。”

　　構建心律失常組織模型

　　在這項新的研究中，這些研究人員利用組織工程模型研究了CPVT在細胞和分子水平上的致病機理。它是由波士頓兒童醫院的William T. Pu博士和Kevin Kit Parker博士領導的。

　　通過與波士頓兒童醫院的Dominic Abrams博士領導的遺傳性心律失常項目合作，這些研究人員從波士頓兒童醫院的兩名患者那里獲得了血液樣本。這兩名患者因基因RYR2發生的不同突變而患上CPVT，此外，大多數CPVT病例與這個基因相關。RYR2基因編碼的一種通道蛋白能夠讓細胞釋放鈣離子，這是引發心臟收縮的第一步。

　　這些研究人員隨后將患者的血細胞重編程為誘導性多能干細胞（iPS細胞），ips細胞幾乎可以產生所有的細胞類型。由此，他們產生攜帶CPVT突變的心肌細胞，并用它們構建心肌組織模型。

　　Pu說道，“將這些心肌細胞接種在一個工程表面上，這樣它們就會按照與心肌組織類似的特定方向排列。這些心肌細胞各自都出現異常的跳動，但是在組裝成組織之后，它們一起跳動，這更好地模擬了實際的疾病。這就是為何組織水平的模型很重要。”

　　在培養皿中進行運動測試

　　通過使用所謂的光遺傳學系統，這些研究人員隨后將藍光施加于這種組織模型的一端以激活這些心肌細胞。這產生了一種沿著這種細胞片（即前面提及的心肌組織模型）移動的沖動，從而產生收縮。通過使用這種系統，他們構建出“培養皿中的運動測試（exercise test in a dish）”。為了模擬運動，他們添加了藥物異丙腎上腺素（類似于稱為腎上腺素的應激激素）并施加紅外線來啟動更快的心跳。

　　這項測試有助于揭示CPVT的內在致病機理。當健康的心臟組織進行運動測試時，鈣離子以均勻波（even wave）穿過這種組織。但是在利用CPVT患者的ips細胞制造出的組織模型中，鈣離子波以不同的速度移動，并且在這種組織模型的某些部分根本不移動，從而導致稱為折返性（re-entry）的異常圓周運動---就像在現實生活中發生的那樣。

　　Pu說道，“當我們讓這些心肌細胞更快地跳動時，這種CPVT組織模型會持續出現反復性心律失常，而正常組織能夠很好地處理它。”

　　為了理解精神壓力如何讓CPVT患者容易發生危及生命的心律失常，Pu、Parker及其同事們鑒定出由腎上腺素激活的信號分子，然后使用藥物和CRISPR/Cas9基因組編輯來選擇性地抑制或修飾它們。

　　通過這一策略，他們發現在健康的心臟組織中，一種稱為CaM激酶（CaMKII）的酶可化學修飾RYR2，從而觸發心肌細胞釋放出更多的鈣離子。在CPVT細胞中，這種修飾與遺傳性的RYR2突變結合在一起，導致細胞中出現過量的鈣離子水平，從而引起心律失常。

　　Pu解釋道，“大自然設計了CaMKII作為戰斗或逃跑反應的一部分。當你興奮的時候，你會釋放出更多的鈣離子，這樣心臟就可以更快地跳動。但是當RYR2發生突變時，這種通道蛋白就會發生滲漏，因此細胞就會釋放過多的鈣離子，從而導致心律失常。”

　　Parker指出，“iPS技術與器官芯片的結合為精準醫學研究和患者的利益提供了新的機會。我們的目標是利用這些技術篩查罕見疾病患者以便招募他們參加臨床試驗。通過在體外再現患者的疾病，我們能夠測試針對患者疾病的候選療法并測量它們的安全性和療效，這樣就可利用合適的藥物對合適的患者進行檢測。”