CRISPR筛选技术揭示新希望！Cell Stem Cell：化疗药物阿霉素导致心脏细胞受损的原因

在一项新的研究中，斯坦福大学医学院的研究人员利用他们开发的基因筛选方法，发现了一种常用的化疗药物阿霉素（doxorubicin）会损害心脏细胞的原因，并找到了一种可能保护心脏细胞的药物。

相关研究结果于2024年11月7日在线发表在Cell Stem Cell期刊上，论文标题为“CRISPRi/a screens in human iPSC-cardiomyocytes identify glycolytic activation as a druggable target for doxorubicin-induced cardiotoxicity”。

阿霉素是一种强大的化疗药物，能够有效地杀死癌细胞，但不幸的是，它也会对心脏细胞造成伤害，导致心脏细胞跳动失调、错误分布或死亡。如果大剂量或长时间使用，这种药物甚至会导致心力衰竭。因此，尽管它在治疗癌症方面非常有效，但其副作用却限制了它的应用。

论文共同通讯作者、斯坦福大学医学院心血管研究所主任Joseph Wu博士说：“我们一直想找到一种方法来避免这种毒性。”

Wu和斯坦福大学医学院生物工程副教授Stanley Qi博士开发了一种基因筛选工具，利用基因编辑技术CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR）来发现可能参与阿霉素诱导的心脏损伤的基因。这种筛查技术就像大海捞针一样，最终确定了一个关键基因，这个基因似乎是阿霉素造成心脏损害的重要载体之一。

Wu博士说：“这种CRISPR筛选是药物发现的有效工具。对我来说，这是这项研究的关键信息。”

基因大海捞针

研究人员知道阿霉素会对心脏细胞造成伤害，但他们不知道哪些基因参与了这种伤害。于是，他们将搜索范围缩小到2300个已知有药物靶向的基因。Qi解释说：“大多数情况下，当你进行药物筛选时，你会知道靶基因是什么，然后你会筛选出阻断该基因的药物。”

但在这项研究中，Wu和Qi并不知道靶基因是什么，因此他们使用了一种新的基因筛选技术，观察阿霉素对心脏细胞的影响，这些心脏细胞来源于诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs），可以产生人体内的任何细胞。

研究人员利用CRISPR技术开启或关闭心脏细胞中的2300个基因中的一个，使每个细胞只有一个基因发生改变。然后，他们给这些细胞提供阿霉素，并注意到哪些细胞存活了下来。接下来的问题是，它们为什么能存活下来？为了找出答案，他们对每个细胞的DNA进行了测序，寻找遗传标记。

他们发现，在阿霉素治疗后最健康的心脏细胞缺乏一个名为CA12的基因。这个基因催化涉及二氧化碳的反应，以维持体内的各种功能，如呼吸和唾液的形成。进一步的基因测试证实了他们的猜测：没有CA12的心脏细胞能够抵抗阿霉素诱导的毒性。

Wu说，目前还不清楚该基因在阿霉素治疗过程中的作用细节，但他希望能弄清楚这一点。

寻找解决方案

一旦Wu和他的团队确定CA12是阿霉素毒性的遗传因素，他们就想找到一种方法来阻止CA12蛋白损害心脏细胞。他们挑选了40种抑制碳酸酐酶蛋白（比如CA12）的药物，并将这些药物和阿霉素一起注射到未经基因编辑的心脏细胞组中。他们比较了各组心脏细胞的存活率，以找出哪组心脏细胞在整个治疗过程中最健康。

一种名为indisulam的药物目前正被研究作为一种潜在的癌症治疗药物，它能帮助心肌细胞在阿霉素的毒副作用下存活下来。indisulam不仅保护心脏细胞的松弛和收缩能力，还能维持细胞过程。下一步是在活生物体内测试indisulam。他们用阿霉素治疗小鼠，然后给其中一组小鼠喂食indisulam。结果显示，同时使用阿霉素和indisulam的小鼠表现更好，心脏功能更强，心脏萎缩的迹象更少，心脏细胞也能更好地保持其结构。

研究人员对indisulam如何阻止CA12的活性很感兴趣，并计划对这种候选药物进行更多测试，以抑制阿霉素的毒性。他们还希望研究多个基因如何在心脏细胞损伤中相互作用，而不是一次只关注一个基因的作用。

Wu对新开发的CRISPR筛选技术有着远大的目标，希望将这项技术应用到心脏细胞毒性之外的领域。他说：“这是一个原理验证。未来可以将它用于其他类型的毒副作用或疾病。我们认为这是一个非常强大的工具。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Chun Liu et al. CRISPRi/a screens in human iPSC-cardiomyocytes identify glycolytic activation as a druggable target for doxorubicin-induced cardiotoxicity. Cell Stem Cell, 2024, doi:10.1016/j.stem.2024.10.007.