斯坦福医学研究发现化疗导致心肌细胞损伤的原因及潜在预防药物

斯坦福医学的一项研究揭示了化疗导致心肌细胞损伤的原因。研究人员使用了一种新的筛选技术来识别在常见化疗治疗期间涉及心肌细胞损伤的基因。他们还发现了一种可能防止这种损伤的药物。

多柔比星是一种有效的化疗药物，可以杀死癌细胞，但它也会导致心肌细胞失常跳动、组织错误或死亡。如果高剂量或长时间使用，该药物可能导致心力衰竭，限制其在癌症治疗中的应用。

“我们一直希望找到一种方法来防止这种毒性，”心血管医学教授兼斯坦福心血管研究所主任孙武博士（Joseph Wu, MD, PhD）说。孙武和生物工程副教授、Sarafan ChEM-H学者齐斯坦利博士（Stanley Qi, PhD）创建了一种利用CRISPR基因编辑技术的遗传筛选工具，以发现多柔比星引起的心肌损伤的关键基因。“这个CRISPR筛选是药物发现的有效工具，”孙武说，“对我来说，这是研究的关键信息。”

孙武和齐斯坦利共同担任了11月7日发表在《细胞干细胞》杂志上的论文的资深作者。威斯康星医学院助理教授刘春博士（Chun Liu, PhD）和斯坦福医学前博士后研究员、研究所研究员沈孟城博士（Mengcheng Shen, PhD）是该论文的共同第一作者。

在基因中寻找线索

研究人员知道多柔比星会对心肌细胞造成伤害，但他们不知道哪些基因参与了这种损伤。他们将搜索范围缩小到2300个现有药物已经靶向的基因。

“通常情况下，当你进行药物筛选时，你知道目标基因是什么，然后筛选能阻断该基因的药物，”齐斯坦利说。但在这次研究中，孙武和齐斯坦利不知道目标基因，因此他们使用了一种新的基因筛选技术来观察多柔比星对从诱导多能干细胞衍生的心肌细胞的影响。

研究人员使用CRISPR技术打开或关闭心肌细胞中的2300个基因之一，使每个细胞只有一个基因被改变。然后，他们用多柔比星处理这些细胞，并记录哪些细胞存活下来。接下来的问题是，它们为什么存活？为了找出答案，研究人员对每个细胞的DNA进行了测序，寻找遗传标记。

他们发现，多柔比星处理后最健康的细胞缺乏一个名为CA12的基因，该基因催化涉及二氧化碳的反应，维持身体的各种功能，如呼吸和唾液的形成。研究人员进行了更多的基因测试，删除了心肌细胞中的CA12，证实了他们的怀疑：没有CA12的细胞抵抗了多柔比星引起的毒性。孙武表示，目前还不清楚该基因在多柔比星治疗过程中的具体作用，但他希望弄清楚这一点。

寻找解决方案

一旦孙武和他的团队确定CA12是多柔比星毒性的遗传因素，他们就想找到一种方法来阻止CA12蛋白对心肌细胞的损害。他们选择了40种抑制碳酸酐酶蛋白（如CA12）的药物。他们将这些药物与多柔比星一起给予未经过基因编辑的心肌细胞组，比较各组的存活率，以确定哪些细胞在整个治疗过程中保持最健康。

一种名为吲哚磺胺（indisulam）的药物，目前正在作为潜在的抗癌药物进行研究，帮助心肌细胞抵抗多柔比星的毒性。吲哚磺胺保护了心肌细胞的舒张和收缩能力，并有助于维持细胞过程。

下一步是在活体生物中测试吲哚磺胺。他们给小鼠注射多柔比星，然后喂食其中一组吲哚磺胺。接受吲哚磺胺和多柔比星的小鼠情况更好，心脏功能更强，心肌萎缩的迹象更少。它们的心肌细胞结构也保持得更好。

研究人员对吲哚磺胺如何阻止CA12活性感兴趣，并计划对该候选药物进行更多测试，以减少多柔比星的毒性。他们还希望研究多个基因在心肌细胞损伤中的相互作用，而不仅仅是每次关注一个基因的作用。

研究人员对他们新开发的CRISPR筛选技术也有宏大的目标，希望将该技术应用于心肌细胞毒性以外的其他领域。“这是一个原理验证，”孙武说，“未来你可以将其用于其他类型的毒性或疾病。我们认为这是一种非常强大的工具。”

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