兩個小孩

中美最新成果登Nature,自閉癥猴子有什么用?

2019-06-28 02:58:18 來源: 字體[ ]

2019 年 6 月 13 日凌晨,Nature 發表 CRISPR 基因編輯技術改造自閉癥食蟹獼猴研究,這些具備 Shank3 基因突變的猴子大腦神經元功能連接減少,個體表現出社交回避、刻板行為等自閉癥癥狀,這是一個典型的自閉癥模型。

這項成果由中國科學院深圳先進技術研究院、麻省理工學院、中山大學和華南農業大學合作完成。

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具有 Shank3 基因突變靈長類自閉癥動物模型的創建,為研究自閉癥醫學研究提供了新的視角,同時也為開發新的大腦疾病治療方法奠定了良好的基礎。

動物模型,打開自閉癥的“鑰匙”

目前中國自閉癥患者已超 1000 萬,其中 0 到 14 歲兒童患者超過 200萬,近年來患病率仍有上升趨勢。目前造成自閉癥的確切病因和發病機制并不明確,在治療上除了康復訓練來改善癥狀并無根治途徑。

自閉癥是一種復雜的發育障礙,具有很強的遺傳基礎。截至目前,科學家已經確定了數百個與自閉癥相關的遺傳變異,但是很大一部分基因變異與自閉癥風險之間的關聯并不顯著,而備受關注的Shank3 基因突變則與自閉癥強相關。

此外,Shank3 基因的突變和缺失還會導致一種相關的罕見疾病,稱為 Phelan-McDermid綜合癥。其最常見的特征包括智力缺陷、語言和睡眠障礙以及重復性行為。由于與自閉癥有諸多癥狀重疊,很多 Phelan-McDermid 綜合癥患者也被診斷為自閉癥。

由 Shank3編碼的蛋白存在于神經元連接點的突觸中。突觸是神經元之間相互交流的功能結構,在大腦與運動計劃、動機和習慣性行為相關的紋狀體部位,突觸特別活躍。該研究通訊作者之一、麻省理工學院和哈佛大學Broad 研究所神經科學教授馮國平,以前曾研究過帶有 Shank3 突變的小鼠,發現它們會表現出與自閉癥相關的一些特征,包括避免社交和強迫性重復行為。

馮國平說,“我們的目標是建立一個模型,可以幫助我們更好地理解自閉癥的神經生物學機制,并最終開發出更適用于人類的療法。新的食蟹獼猴動物模型可以幫助科學家為一些神經發育障礙疾病開發出更好的治療方案。”

小鼠模型不理想

通過小鼠模型研究自閉癥和其它神經發育障礙,已經開發出一些進入臨床試驗的藥物,但是到目前為止,都沒有達到預期的結果,許多制藥公司也已經放棄相關臨床試驗。

研究人員表示,小鼠沒有高度發育的腦前額葉皮質,而這是靈長類動物獨特特征的基礎,比如決策、注意力持續集中和翻譯社交信號。由于在神經和行為上自閉癥小鼠模型與人有很大不同,相關療法和藥物的研究努力也就并不理想。

2016 年,Nature Neuroscience 發表了來自馮國平等人撰寫的綜述稱,精神疾病的研究進展緩慢,原因有很多,但其中最重要的是缺少良好的動物模型。因為人類和常用的嚙齒類動物模型在大腦和行為之間的差異巨大。文章呼吁,在基因編輯等精準技術迅速發展的背景下,靈長類動物不僅能應用于人體臨床試驗前的藥代動力學和毒理學研究,也可以用于療效的臨床前研究,這樣有可能大大提高我們開發新療法、治療這些難治性疾病的能力。

文章通訊作者之一、中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所研究員周暉暉表示,非人靈長類動物模型與人類在進化上接近,在大腦結構與功能方面與人類有諸多相似之處。例如,靈長類動物模型具有比較發達的大腦前額葉皮層,這一結構恰恰是掌管決策、注意力和社交等行為的核心,而這些行為產生障礙與自閉癥等腦疾病密切相關,因此,“非人靈長類有望成為模擬部分人類腦疾病的比較理想的動物模型。”

“我們迫切需要新的治療方法來治療自閉癥,但迄今為止,在小鼠身上開發的治療方法不盡如人意。雖然對小鼠的研究仍然非常重要,但是我們相信,靈長類動物基因編輯模型將幫助我們開發出更好的藥物,甚至有可能為一些嚴重的自閉癥提供基因療法。”麻省理工學院麥戈文腦研究所主任、Dorise和 Don Berkey 神經科學教授 Robert Desimone 說,他是本文作者之一。

 CRISPR 基因編輯技術的出現和發展,為將基因變異引入獼猴體內提供了難得的機會。CRISPR 基因編輯系統包括一種 DNA 剪切酶 Cas9 和一段短 RNA 序列,這一序列會引導酶到基因組特定區域,CRISPR 基因編輯系統可以用來破壞基因或定點插入新的基因序列。

更重要的是,中國在靈長類動物生殖技術領域有領先地位。2016年初,中國科學院神經科學研究所研究員仇子龍利用轉基因技術培育出能表現出類似自閉癥行為的猴子,他給猴子轉入了一個叫 MeCP2 的基因。2018 年底,世界上首對體細胞克隆猴“中中”和“華華”在中國科學院神經科學研究所誕生,相關成果也以封面文章的形式發表于 2018 年 1 月的 Cell 雜志。2019 年 1 月 24 日,5 只生物鐘紊亂體細胞克隆猴登上中國綜合英文期刊《國家科學評論》封面,標志著中國體細胞克隆技術走向成熟。

八年磨一劍

在這項最新研究中,中美科研團隊也是立足于中國的靈長類生殖技術,通過 CRISPR 編輯技術改造獼猴受精卵來創建攜帶 Shank3 突變的胚胎。

創建靈長類動物基因變異模型并不容易。從 2011 年,周楊(也是最新 Nature 研究的第一作者)在麻省理工學院開發小鼠自閉癥模型算起,到現在建立猴子模型已經過去了 8 年,可謂 8 年磨一劍。因為小鼠沒有完整的前額皮質,而這塊大腦區域被認為是人格、決策和更高級認知功能的所在地。研究人員開始懷疑小鼠是否適合作為理想的自閉癥模型。

起初,馮國平對狨猴著手。這種猴子非常小,它們的飼養費用較低,繁殖快。但獼猴與人類的關系更密切,其大腦更接近人類大腦,那么 Shank3 缺陷型猴子就可能會有一些與自閉癥患者類似的表現,這正是自閉癥的理想模型。而獼猴的繁育和模型開發正是中國研究人員的長項,這也是馮國平找到中國合作者的根本原因。

即使有了 CRISPR 技術,培育自閉癥猴子模型也非易事。研究人員用細長的玻璃針把 CRISPR 蛋白質注入到培育的胚胎中,但只有一些胚胎會產生預期的突變。一般而言,數十個卵子才能成功培育出一只猴子,所以即使只培育幾只 Shank3 缺陷型猴子,也需要大型養殖基地的支持。

麻省理工學院研究人員則通過分析大量數據,發現帶有 Shank3 突變的獼猴表現出與人類該基因突變相似的行為模式。這些猴子傾向于在夜間頻繁醒來,出現重復性行為,參與的社會互動也更少。

通過核磁共振成像(MRI)掃描,這些猴子也顯示與人類自閉癥相似的模式。它們的神經元在紋狀體和丘腦中表現出功能連接的減少,而紋狀體和丘腦既負責傳遞感覺和運動信號,也參與睡眠調節。

值得一提的是,在中國進行靈長類動物研究的研究機構是由國際實驗動物管理評估與認證協會(AAALAC)國際認可的。AAALAC 是一家私人非營利組織,通過自愿認證和評估項目來促進科學界對動物的人道待遇。

助力藥物研發

研究人員希望在明年開始測試對自閉癥相關癥狀可能產生影響的療法或藥物。他們也希望確定一些生物標記物,例如在核磁共振掃描中看到的獨特功能性大腦連接,將幫助他們評估藥物是否有效。

類似的方法也可以用于研究由基因突變引起的其它類型神經系統疾病,例如雷特綜合癥和脆性 X 綜合癥。脆性 X 綜合癥是世界上最常見的遺傳性智力缺陷疾病,影響大約四千分之一的男性和八千分之一的女性。而雷特綜合癥更為稀有,幾乎只發生在女孩身上,在語言和運動技能方面造成嚴重障礙,還可能引起癲癇和呼吸問題。

“考慮到小鼠動物模型的局限性,患者的確需要這種新的進展來給他們帶來希望,”馮國平說,“我們不知道是否可以成功研究出新療法,但是在未來幾年,我們將看到這一新模型如何幫助研究人員將實驗室研究成果轉化到臨床上去。”

專訪馮國平

動物模型是治療自閉癥長征路上的重要一環,而猴子模型則是最緊接人體臨床試驗的一步。

DeepTech:請你介紹一下這項研究的思路,為什么要選猴子?為什么用基因編輯技術?

馮國平:要研究人類的大腦有關疾病,我們是完全依賴于動物模型的,因為你不容易得到人的腦組織,這不像研究腫瘤,外科醫生是比較容易得到腫瘤組織的。但是若要研究自閉癥或者抑郁癥,你就不可能拿到這些腦組織。

動物模型是很重要的,那么以前的突破就很少,為什么現在才可以做一些模型?因為最近十年發現,一些疾病與基因突變有直接的關系,有一部分嚴重的自閉癥是由單個基因突變引起的,所以這就提供了一個很好的研究入口。我們就可以用動物模型來驗證該基因突變會不會引起自閉癥。

那么我們選了 Shank3 基因,首先因為這個基因研究的非常清楚,是單基因的突變就可能引起自閉癥,并且 85% 左右的該基因突變者是被診斷為自閉癥的。所以這是一個非常好的案例。

我們對這個基因的基礎研究已經做了很多了,知道它表達在神經元的突觸上,也做了很多小鼠模型研究,但是要研究比較高端的一些行為,比如說社交認知,小鼠模型就比較困難了。因為它和人差別很大,神經環路不一樣,很多地方的腦區都不一樣,小鼠和靈長類最大的差別就是前額皮質。所以很多小鼠研究結果非常好,但到臨床藥物實驗上很多都失敗了。

 我們就想,是不是需要更好的、腦結構和腦功能與人更接近的動物來做模型,這是我們做猴子模型的初衷。

 這個模型現在看來還是比較初步的,從猴子的行為學與核磁共振結果來看,我們看到了明顯的差異,可以用來測試藥物和基因治療,并且還可以幫助我們進行生物標記物的研究。

 DeepTech:如何評價這次研究的突破?

 馮國平:主要還是建立了一個新的自閉癥模型,這就提供了一個將來測試基因治療和藥物試驗的平臺,提高了臨床轉化的可能性。

  其次,從行為學和大腦結構上來看,我們確實看到了和正常猴子不一樣的地方,我們將進一步去研究這些和人的大腦變化是不是有類同之處。

  DeepTech:你們這次研究團隊的分工是怎樣的?

 馮國平:這是一個很大的工程,實際上任何一個單位單方面都不太可能做成的,所以我們很強調合作的重要性。中國和美國的團隊各有優勢。楊世華老師和項鵬老師擅長做猴子繁育和基因編輯操作,還有這些受精卵的操作。我們這邊做基因編輯設計、數據分析、行為實驗設計。還有中國科學院深圳先進技術研究院是猴子的繁育基地。

 DeepTech:如何與中科院神經科學研究所仇子龍的猴子自閉癥模型對比?

 馮國平:有兩個方面不同。一個方面是技術上,它用了慢病毒做載體,把會導致自閉癥的基因轉了進去,是轉基因的技術,轉移基因的位點是隨機。我們用的是更精確的基因編輯技術,是完全模仿人在基因組上確定位點的基因突變。這另一個是基因的不同。他們用的是甲基化 CpG 島結合蛋白 2(MeCP2)的基因,當該基因拷貝數異常增多時,會導致嚴重自閉癥,Shank3 基因則是突變就會導致自閉癥。

    DeepTech:你們是什么時候開始做這個項目的?

    馮國平:我實際上對兒童的疾病特別感興趣。我是浙江醫科大學畢業,在醫學院的時候我很想做兒科醫生,但是后來發現真正嚴重的兒童疾病,沒有什么好的治療方法,所以后來對自閉癥就特別感興趣,這類精神疾病很多是小孩或者年輕人。

    有個大學朋友因為精神分裂癥自殺的,我當時想這么聰明的人怎么突然就變得這么奇怪了,后來就一直對精神類疾病比較感興趣,特別是對小孩的精神疾病比較感興趣。

    2000年我就開始做這方面的工作了,就開始做神經突觸的工作,后來用小鼠的模型來研究,思路是一貫下來的。但是你能做到哪一步,這要看科技技術的發展。基因技術給我們神經科學家提供做動物模型的機會。包括這次研究也請 CRISPR 帶頭人、麻省理工學院的張鋒教授幫忙設計實驗。其實在他讀研究生的時候我們就有合作。

    DeepTech:為什么靈長類的模型很難做呢?

    馮國平:這要問為什么做小鼠那么容易,因為小鼠干細胞容易培養,技術也很成熟,它的干細胞可以無窮分裂,哪怕實驗效率很低,比如說百萬分之一,都沒問題。

    猴子就不容易。首先,大型動物的繁育生殖技術并非人人都擁有。中國科學院昆明動物所的季維智很擅長這方面,這次我們合作的華南農業大學楊世華就是他的博士后。第二,因為猴子不容易繁育,那么就要求遺傳實驗高效率。有了基因編輯技術,我們才能高效率地進行猴子基因改造,而不是像小鼠那樣大規模繁育來進行實驗。

    DeepTech:我們人類到目前為止對自閉癥了解其實還是很少的,從藥物治療到基因治療也還很不成熟,那么我們目前只能做小鼠的模型,進一步做到靈長類模型,再進一步就是人的臨床實驗是吧?

    馮國平:是這么一個操作。不管小鼠模型還是靈長類模型,都是幫我們更多地從神經生物學的角度去理解這些疾病,找出靶點來幫我們測試有效的治療方法,這是最主要的目的,也是唯一的目的。

    DeepTech:你們下一步是什么考慮呢?

    馮國平:下一步就是說,我們從小鼠研究得到的成果,在猴子身上得到驗證,以及探索可能的治療方法。此外,我們正在研究基因療法,必須在這個動物模型上研究清楚。

    DeepTech:還有個問題,美國對動物倫理講的比較多,中國考慮比較少,這是在中國做靈長類研究的優勢嗎?

    馮國平:這個是完全不對的。我們現在做這個事情,第一點就把大家所有的動物倫理觀點都提到同一個水平。所以我們的研究通過國際實驗動物管理評估與認證協會的國際認可,這個是符合國際標準的。因中國國內對此也很重視,這非常重要。


[責任編輯: 李燕群]

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