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Cell子刊:脑洞大开!基因编辑让皮肤变“药库”,治疗肥胖和糖尿病!

2017/08/07 来源:生物探索
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导读
近日,芝加哥大学的一个研究小组带来了一项“脑洞大开”的研究,研究人员在小鼠中验证了一种新的基因治疗形式——通过移植基因编辑的皮肤来治疗2型糖尿病和肥胖症,这项基于皮肤移植的基因疗法或许能治疗多种人类疾病。该研究发表于2017年8月3日的Cell Stem Cell期刊上。

基因编辑+干细胞+皮肤移植会碰撞出怎样的火花?近日,芝加哥大学的一个研究小组带来了一项“脑洞大开”的研究,研究人员在小鼠中验证了一种新的基因治疗形式——通过移植基因编辑的皮肤来治疗2型糖尿病和肥胖症,这项基于皮肤移植的基因疗法或许能治疗多种人类疾病。该研究发表于2017年8月3日的Cell Stem Cell期刊上。

该研究的资深作者,芝加哥大学的助理教授Xiaoyang Wu博士说:“我们克服了一些技术障碍,并在具有完整免疫系统的动物中设计了一种从小鼠到小鼠的皮肤移植模型。我们认为这个平台有可能促进安全持久的基因治疗,希望有朝一日能在人类中通过筛选和修饰皮肤细胞进行基因治疗。”


构建小鼠皮肤类器官

早在20世纪70年代,医生就知道如何从大面积烧伤患者中获取皮肤干细胞,并将其在实验室中培养,然后用生长的组织来修复患者的伤口。该种方法现在已经成为标准。但是,皮肤移植应用在小鼠中的发展不如人类。

“小鼠皮肤移植系统不太成熟,”Wu说,“我们花了几年时间来优化我们的3D皮肤类器官培养系统。”

这项研究题为Engineered Epidermal Progenitor Cells CanCorrect Diet-Induced Obesity and Diabetes,首次表明改造的皮肤移植物能够在具备完整免疫系统的野生型小鼠中长期存活。 “我们的皮肤移植成功率高于80%,” Wu说,“这对我们来说十分令人激动。”

研究人员之所以选择糖尿病,一是因为其病理与皮肤无关,其次糖尿病可以通过递送特定蛋白质来治疗。


图片来源:Cell Stem Cell

在皮肤细胞中插入诱导型GLP1基因

研究人员选择在皮肤细胞中插入胰高血糖素样肽1(GLP1)的基因,胰高血糖素样肽1(GLP1)能刺激胰腺分泌胰岛素。这些额外的胰岛素能够去除血液中过多的葡萄糖,防止糖尿病并发症。GLP1还可以延缓胃排空并减少食欲。

然后,研究人员利用CRISPR编辑GLP1基因。他们插入一个突变,延长了该激素在血液中的半衰期,并将修饰的基因融合到抗体片段,使其在血液循环中持续更久。研究人员还在基因前附上了一个诱导型启动子,这使他们能够利用多西环素诱导GLP1基因开启表达。然后他们将基因插入皮肤细胞,并培养这些细胞。


免疫荧光成像显示皮肤移植物具有正常皮肤分化和组织结构。图片来源:Cell Stem Cell

当这些培养的细胞暴露于空气/液体界面时,细胞开始分层,产生“皮肤样类器官”。然后,研究人员将这个实验室生长的基因改造的皮肤移植到具有完整免疫系统的小鼠上。皮肤移植物没有发生显著的排斥反应。

表达GLP1基因的小鼠体重和血糖水平得到有效控制

接下来,研究人员给对照小鼠和基因改造小鼠喂食高脂肪饮食,两组小鼠体重迅速增加。当给对照组和基因改造组喂食高脂饮食及多西环素时,对照小鼠明显长胖,而表达GLP1的小鼠血液中的胰岛素水平明显上升,血糖水平降低,体重得到有效控制。


表达GLP1基因的小鼠(左)在喂食高脂饮食和多西环素食体重增加比对照小鼠(右)更少。图片来源:Cell Stem Cell

作者写道:“我们的数据表面,诱导表达GLP1的皮肤基因疗法可用于治疗和预防饮食诱导的肥胖和病态。”当研究人员将基因改造的人类细胞移植到免疫功能不全的小鼠中时,他们也看到了相同的效果。这些结果表明,“GLP1分泌的皮肤基因治疗可能具有临床实用价值。”

或可应用于多种人类疾病

作者指出,这种将体外精确的基因组编辑与体内工程细胞有效应用相结合的方法可为“治疗多种人类疾病提供巨大帮助”。

Wu说:“我们认为这可以为治疗多种疾病提供长期的安全选择。它可以用来递送治疗性蛋白质,为遗传缺陷的患者更换缺失的蛋白,如血友病。或者作为代谢库,去除各种毒素。”

皮肤祖细胞非常适合基因治疗,因为它具有几个独特的优点:人体皮肤是体内最大,最易获取的器官;它很容易监控;如果有必要,移植的皮肤可以被快速移除。皮肤细胞在培养中增殖迅速,并且容易移植;皮肤移植过程相对安全,微创且价格便宜。

参考资料:

Gene therapy via skin could treat many diseases, even obesity

Engineered Epidermal Progenitor Cells Can Correct Diet-Induced Obesity and Diabetes

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