透過小分子藥物藥理學誘導再生心臟細胞

แนวคิดหลัก

結合 CHIR99021 和 A-485 (2C) 的藥物治療可以將心肌細胞重新編程為具有再生能力的心臟細胞 (RCC)，為心臟修復和再生提供一個有前景的策略。

บทคัดย่อ

論文資訊

標題：透過小分子藥物藥理學誘導再生心臟細胞

研究目標

本研究旨在探討誘導成年哺乳動物心肌細胞去分化為具有再生能力細胞的可行性，並開發新的心臟再生研究方法。

研究方法

研究人員使用人類胚胎幹細胞 (hESC) 衍生的心肌細胞和新生大鼠心肌細胞進行體外實驗，並在成年小鼠模型中進行體內實驗。他們使用小分子藥物 CHIR99021 和 A-485 (2C) 誘導心肌細胞去分化，並通過譜系追踪實驗、功能分析、基因表達分析和表觀遺傳修飾分析來評估 2C 誘導再生心臟細胞 (RCC) 的形成和功能。

主要發現

• 2C 處理可有效誘導 hESC 衍生的心肌細胞去分化為 RCC，表現為肌節結構分解、胚胎心臟生成基因高表達以及通過體外再分化增加心肌細胞數量。
• 2C 誘導的 RCC 具有增殖潛力和分化為三種主要心血管細胞類型（心肌細胞、內皮細胞和平滑肌細胞）的能力。
• 譜系追踪實驗證實，2C 誘導的 RCC 源自 TNNT2+ 心肌細胞的去分化。
• 在新生大鼠和成年小鼠中，2C 處理可誘導體內 RCC 生成。
• 在經歷心肌梗塞的小鼠中，2C 處理顯著提高了存活率並改善了心臟功能。
• 機制研究表明，CHIR99021 對於 RCC 發育至關重要的基因的轉錄和表觀遺傳激活至關重要，而 A-485 主要抑制心肌細胞中的 H3K27Ac 和特別是 H3K9Ac。它們的協同效應增強了 RCC 基因上的這些修飾，促進了從心肌細胞到 RCC 的轉變。

主要結論

該研究證明了從內源性心肌細胞藥理學誘導 RCC 的可行性並揭示了其機制，這可能為修復受損心臟提供一種有前景的再生策略。

研究意義

這項研究為心臟再生醫學做出了重大貢獻，證明了使用小分子藥物誘導心肌細胞去分化為具有再生能力細胞的可行性。這些發現為開發治療心臟損傷的新療法提供了新的途徑。

研究局限性和未來方向

• 需要進一步的研究來優化 2C 處理方案，以提高 RCC 的增殖能力。
• 需要更深入地研究 CHIR99021 和 A-485 協同促進 RCC 形成的具體分子機制。
• 需要評估 2C 處理的潛在脫靶效應及其對心臟功能和結構的長期影響。

สถิติ

使用超過 4,000 種化合物的化合物庫進行小分子篩選。
A-485 的最佳工作濃度經滴定實驗確定為 0.5 µM。
2C 處理導致 ISL1 表達增加約 3 倍。
與 2C 處理前初始心肌細胞相比，再分化心肌細胞的數量顯著增加（約 1.4 倍）。
在用乳酸基培養基純化的 TNNT2+ 心肌細胞中，一小部分 (<4%) 細胞仍然表達 ISL1。
2C 處理後，大約 0.6% 的 K9 衍生的 mCherry 陰性心肌細胞被永久標記為 EGFP。
對 K9 衍生的 ISL1/mCherry 陰性心肌細胞進行單細胞 RNA 測序 (scRNA-seq)，這些細胞用 DMSO（陰性對照，NC）或 2C 處理 60 小時。
在 2C 處理的樣品中，一個獨特的亞群（亞群 0）包含 408 個細胞（佔該群的 48.3%），而在 DMSO 處理的樣品中則沒有發現。
2C 處理顯著增加了 4,485 個基因啟動子處的 H3K9Ac 富集和 2,560 個基因啟動子處的 H3K27Ac 富集，同時分別減少了 346 個和 1,834 個基因的富集。
在具有 H3K9Ac 富集的基因中，5891 個註釋基因中有 2716 個（或 46.1%）僅在用 2C 處理的細胞中富集，而 10785 個具有 H3K27Ac 富集的註釋基因中只有 527 個（或 4.9%）被獨家觀察到。

คำพูด

"This proof-of-concept discovery demonstrates that a simple combination of small molecule drugs can endow the mammalian heart with regenerative capacity by reprogramming CMs into RCCs."
"This dual mechanism of action underscores the potential of utilizing epigenetic modifiers like A-485 to influence cell fate decisions in terminally differentiated cells, suggesting broader applications in regenerative biology."
"These insights contribute significantly to the understanding of cardiac lineage plasticity and highlight the therapeutic potential of induced multipotent cardiovascular progenitors for heart repair and regeneration."

ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญจาก

Pharmacologically inducing regenerative cardiac cells by small molecule drugs

by Zhou,W., He,... ที่ www.biorxiv.org 10-26-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.24.563872v3

สอบถามเพิ่มเติม

2C 誘導的 RCCs 如何與其他心臟再生方法（例如細胞移植或生物材料）相結合以增強治療效果？

2C 誘導的 RCCs 為心臟再生提供了新的途徑，其可與其他再生醫學方法結合，產生協同治療效果：

細胞移植: 2C 誘導的 RCCs 可大量擴增，為細胞移植提供充足的細胞來源。將這些 RCCs 移植到受損心臟區域，可直接補充心肌細胞，促進心臟功能恢復。
生物材料: 生物材料可作為支架，為移植的 RCCs 提供結構支持和生物化學信號，促進細胞存活、增殖和分化。例如，可降解水凝膠可搭載 2C 誘導的 RCCs，並釋放促進血管生成和心肌細胞成熟的生長因子，進一步增強心臟修復效果。
聯合治療: 結合 2C 誘導、細胞移植和生物材料的聯合治療策略，可最大限度地發揮各方法的優勢。例如，將搭載 RCCs 的生物材料支架移植到受損心臟，同時使用 2C 藥物持續誘導內源性心肌細胞的去分化和再生，可實現多管齊下的治療效果。

總之，2C 誘導的 RCCs 與細胞移植和生物材料的結合，為心臟再生提供了更全面、更有效的治療策略。

是否存在其他藥物或治療方法可以增強 2C 誘導的 RCCs 的增殖能力或改善其治療效果？

除了 2C 藥物組合外，其他藥物或治療方法也可能增強 RCCs 的增殖能力或改善其治療效果：

生長因子: 研究表明，某些生長因子，如成纖維細胞生長因子 (FGF)、血管內皮生長因子 (VEGF) 和胰島素樣生長因子 (IGF)，可促進心肌細胞的增殖和存活。將這些生長因子與 2C 藥物聯合使用，可能進一步增強 RCCs 的增殖能力，促進心臟修復。
小分子化合物: 除了 CHIR99021 和 A-485 外，其他小分子化合物也可能影響心肌細胞的再生能力。例如，抑制 Hippo 信號通路或激活 YAP/TAZ 轉錄因子可促進心肌細胞增殖。篩選和開發此類小分子化合物，可能為增強 2C 誘導的 RCCs 的治療效果提供新的策略。
基因編輯: CRISPR/Cas9 等基因編輯技術可精確調控基因表達，為增強 RCCs 的治療效果提供了新的可能性。例如，可利用基因編輯技術敲除抑制心肌細胞增殖的基因，或過表達促進心肌細胞再生和血管生成的基因。

總之，通過結合其他藥物、生長因子、小分子化合物或基因編輯技術，可以進一步優化 2C 誘導的 RCCs 的治療效果，為心臟再生醫學帶來新的突破。

除了心臟再生，這項研究的發現如何應用於其他器官或組織的再生醫學？

2C 藥物組合誘導細胞去分化為具有再生能力細胞的發現，不僅局限於心臟再生領域，還可能應用於其他器官或組織的再生醫學：

其他肌肉組織: 骨骼肌和血管平滑肌也具有有限的再生能力。2C 藥物組合可能誘導這些肌肉組織中的細胞去分化，產生具有再生能力的細胞，為治療肌肉損傷和血管疾病提供新的思路。
神經系統: 中樞神經系統的再生能力極其有限。研究表明，抑制組蛋白去乙酰化酶 (HDAC) 可促進神經元再生。2C 藥物組合中的 A-485 作為 p300 乙酰轉移酶抑制劑，可能通過調節組蛋白乙酰化水平，影響神經元的再生能力，為治療神經退行性疾病提供新的策略。
其他器官: 肝臟、胰臟等器官也面臨著再生能力不足的問題。2C 藥物組合可能通過誘導細胞去分化，促進這些器官中具有再生潛力的細胞增殖和分化，為治療器官衰竭和損傷提供新的治療方案。

然而，將 2C 藥物組合應用於其他器官或組織的再生醫學仍需克服許多挑戰，例如：

細胞特異性: 需要找到靶向特定器官或組織細胞的方法，避免非特異性效應。
安全性: 需要評估 2C 藥物組合在其他器官或組織中的長期安全性和有效性。
總之，2C 藥物組合誘導細胞去分化的發現為再生醫學領域帶來了新的希望，其應用於其他器官或組織的再生仍需進一步研究和探索。