编辑推荐：心脏基本上没有原发癌症，可能跟心肌细胞成熟后就到达不再分裂的终末状态有关。但这也使得心脏病发作后的心脏不具有自我修复的能力。杜克大学的研究人员从一个吓人的角度——癌症——入手，利用黑色素瘤一种突变推动心肌在心脏组织的实验室模型中繁殖。
一颗破碎的心会随着时间而愈合。然而，心脏病发作后的心脏组织却不是这样。虽然皮肤和身体的许多其他组织在受伤后保留了自我修复的能力，但心脏却缺乏这种能力。心脏细胞在胚胎和胎儿发育过程中迅速分裂，形成心脏组织和心肌。然而，当心脏细胞在成年期成熟时，它们会达到一种不能再分裂的终末状态，这或许也是心脏基本上没有原发癌症的潜在原因。
心脏病发作后修复心肌是心脏研究的前沿。心肌梗死导致心肌细胞的永久性损失和心功能下降。替代丢失的心脏组织和改善心脏功能的潜在策略包括细胞疗法来植入从多能干细胞(PSCs)分化的功能性心肌细胞，或基因疗法来驱动内源性心肌细胞增殖。了解可以刺激心肌细胞增殖的信号通路对于这两种治疗策略至关重要，因为心脏结构和功能的恢复，预计与外源性移植或内源性增殖的心肌细胞的数量成正比。
研究人员一直在研究促使心肌细胞再生的方法。杜克大学的生物医学研究人员从一个意想不到的地方——癌症——着手开发了一种新的策略。近日发表在《科学进展》杂志上的一篇文章中，杜克大学的研究人员利用了在黑色素瘤中发现的一种强大的突变，这种突变可以推动心肌在心脏组织的实验室模型中繁殖。
“成熟的心肌细胞通常不会分裂，所以我们认为我们需要一个特别强大的基因突变来说服它们繁殖，”杜克大学生物医学工程教授Nenad Bursac博士说：“MAPK是一种众所周知的途径，当它发生突变时，可以非常积极地诱导癌症的增殖，这就是我们选择研究它的原因。”
在这项研究中，Bursac和博士生Nicholas Strash研究了在3D水凝胶环境中生长的新生大鼠心室肌细胞体外三维(3D)工程心脏组织(ECT)模型。经过实验室十多年的开发，三维工程心脏组织(ECT)模型为心肌细胞生长和成熟为成人样心肌组织提供线索。为了让心肌细胞再次分裂和生长，研究人员用一种携带突变BRAF基因的慢病毒感染心肌细胞。病毒将突变基因插入细胞，使其成为细胞DNA的一部分。研究人员随后用药物诱导激活突变的BRAF基因。B-raf原癌基因(BRAF)是多种癌症类型中经常发生突变的蛋白，在MAPK通路中负责调节MAPK激酶，进而激活ERK。BRAF最常见的激活体细胞突变是BRAF- v600e (caBRAF)突变，已知该突变可逃避负反馈抑制，因此具有高度致瘤性。一旦被激活，突变基因会导致心肌细胞进入DNA合成周期。
激活的BRAF-V600E(caBRAF) 在新生大鼠心室肌细胞中持续驱动 ERK 活性，相应的研究人员观察到与持续的 CM 细胞周期活性、糖酵解代谢的转变、肌节恶化、收缩缺陷、组织僵硬、细胞解偶联和传导减慢相关的广泛转录组变化。相比之下对照组织经历了逐渐的功能成熟，并随着培养时间的推移退出细胞周期。这似乎意味着，心肌细胞成熟和退出细胞周期使之能保持功能，而突变诱导心肌细胞恢复增殖（未成熟表型）同时也导致其功能退化/缺陷和形态改变。通过使用诱导表达系统，进一步证明caBRAF表达的持续时间是所观察到的增殖和功能变化的严重性和可逆性的决定因素。有针对性地增加新生儿心肌细胞中的 ERK 活性可以诱导细胞生长、未成熟细胞表型，为ERK信号在心脏发育和再生中的作用提供了机制见解。
Strash说：“一旦细胞开始进入增殖阶段，它们也开始分解允许它们在心脏收缩和泵血的机制。”“它导致整个组织失去了大约70%的收缩强度，这是相当戏剧性的。其中一个原因是组织中的几乎所有细胞都被病毒感染了。”
这说明基因激活的剂量和持续时间需要精确控制，因此在用于人类患者之前还有很多工作要做。研究人员必须采用一种不同的传递系统，以一种临床医生可以完全控制的方式将基因传递到正确的细胞中。另一个障碍是确定如何在不导致组织失去力量的情况下快速启动心脏组织再生。 他们认为可能存在一个窗口期——在复制开始后，突变基因的活性可以被停止，但在心脏的大部分收缩机制受到影响之前。或者可能有机会实施第二种治疗方法，促使细胞在增殖后重建被破坏的泵送机制。
展望未来，研究人员计划研究这种策略如何在活体动物的心脏中发挥作用，并将其与实验室测试结果进行比较。与活体动物一起工作也将更好地了解突变的BRAF基因激活了哪些其他基因和过程。“心脏基本上没有原发癌症，这几乎是独一无二的，” Bursac博士强调：“在心脏中引入这种癌症突变显然是一种工程结果，不会自然发生。在实验室培养的组织中研究它是了解整个信号通路在心脏中的作用的重要一步，它的好处可能超出再生疗法。”
来源：Science Advance
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