心血管疾病嚴重威脅人類健康。其中，心肌梗塞(心梗)會導致心肌細胞大量死亡，而殘余的心肌細胞再生能力有限，最終會導致心臟纖維化和心力衰竭。促使心肌細胞再生，成為心梗患者恢復健康的關(guān)鍵。
近日，北京大學未來技術(shù)學院熊敬維教授、北京大學化學與分子工程學院雷曉光教授、復旦大學趙世民教授團隊合作，在《細胞干細胞》期刊發(fā)表了一項研究，該研究在國際上首次報告了5個小分子的組合可有效促進成年大鼠心臟再生，并在治療心梗中發(fā)揮一定作用。
直面哺乳動物心臟再生的世界性難題
對于嚴重的心梗，臨床上一般有兩種應對方法，一是植入支架，把堵塞的血管打通，促使血液流到心梗區(qū)域，從而緩解心肌缺血的癥狀;二是服用起保護心臟作用的藥物。“但這兩種方法都無法挽回因心梗而丟失的心肌細胞，嚴重的心梗患者3—5年內(nèi)的死亡率高達50%。”熊敬維說。
“在過去的20多年里，全球在治療心梗藥物研發(fā)方面沒有太大進展。”熊敬維在接受科技日報記者采訪時稱，研發(fā)治療心梗的藥物成本高、成功率低，很多大型藥廠都把這個項目砍掉，因此大量心梗患者的臨床需求一直未被滿足。
面對這種困境，外界對心臟再生醫(yī)學抱有很大期待。
能不能讓受損的心臟再生?這個問題至今沒有答案。熊敬維表示，心臟再生領(lǐng)域存在許多未解決的問題。如提高成年哺乳動物內(nèi)源性心肌細胞增殖對心臟再生至關(guān)重要，但成年哺乳動物內(nèi)源性心肌細胞增殖率很低;又如，內(nèi)源性心臟干細胞有利于促進心臟再生，但還沒有找到成年哺乳動物的內(nèi)源性心臟干細胞;再如，利用胚胎干細胞可在體外生產(chǎn)心肌細胞再移植到體內(nèi)，但其效率低且易引起心律失常甚至致死。
解決心臟再生這一世界性難題，成為很多生物醫(yī)學科學家的夢想。
此前，有研究人員發(fā)現(xiàn)特定的基因和小核酸可促進成年哺乳動物心肌細胞再生，但這種促進心肌細胞再生的機制存在兩個問題：一是將基因和小核酸遞送入人體的過程中所使用的病毒載體可能產(chǎn)生副作用，存在安全風險;二是這些基因或小核酸遞送到心臟后表達不可控，有產(chǎn)生腫瘤的風險，最終會導致動物死亡。也有研究報道單個化學小分子在治療心梗方面有一定作用，但其治療效率很低。此外，還有人通過基因編輯把心臟內(nèi)的其他細胞(如纖維細胞)轉(zhuǎn)化成心肌細胞，這種手段在體外效率很高，但在動物體內(nèi)效率卻很低。
能不能開辟出其他路徑?熊敬維長期研究斑馬魚，這種低等動物有著人類所沒有的“超能力”——斑馬魚的心臟受損后在一到兩個月內(nèi)可完全恢復，這是因為斑馬魚的心臟在受損過程中，會讓一部分心肌細胞分裂，即一分為二，這就是“再生”。
受到斑馬魚啟發(fā)，熊敬維琢磨：包括人類在內(nèi)的哺乳動物可不可以像斑馬魚一樣，通過心肌細胞分裂讓受損的心臟再生?
找到誘導心肌細胞增殖的小分子組合
2016年，隨著新一批博士生入組及新技術(shù)的豐富，熊敬維把縈繞在心頭多年的目標提上日程——找到能誘導哺乳動物心肌細胞分裂的化學小分子。
第一步工作是篩選，從成千上萬個化學小分子中篩選出符合條件的小分子。
“過去的化學小分子文庫比較有限，現(xiàn)在已相當完備。有的文庫反映小分子的結(jié)構(gòu)多樣性，有的側(cè)重于小分子的成藥性。”熊敬維介紹，他們的目標小分子，不僅要能促進心肌細胞再生，還要有較好的成藥性，即具有能進入臨床Ⅰ期試驗的ADME(吸收、分布、代謝和排泄)性質(zhì)和安全性，以便于后期圍繞這些小分子開展藥物研發(fā)工作。
他們選擇的成藥性較好的化學小分子文庫中含有1.1萬個小分子，如果手動篩選，工作量非常大。為解決這個問題，研究團隊利用雷曉光建立的一套高通量篩選系統(tǒng)進行篩選。為了“鎖定”促使心肌細胞一分為二的小分子，研究團隊采用了雙熒光細胞周期報告系統(tǒng)FUCCI(標記有絲分裂S-G2-M期)和MADM(顯示胞質(zhì)分裂)，F(xiàn)UCCI報告系統(tǒng)很靈敏，符合條件的小分子會被迅速標記出來，MADM系統(tǒng)可進一步驗證小分子促進細胞一分為二的效果。
“高通量篩選系統(tǒng)和敏感的報告系統(tǒng)提高了篩選效率，原來要3年才能做完的事，如今一年或半年就夠了。”熊敬維表示。
最終，研究團隊經(jīng)過6輪篩選找到了13個候選小分子。“但是，這13個小分子只能有效誘導心肌細胞進入細胞周期，不能誘導其發(fā)生一分為二的胞質(zhì)分裂過程。后來，我們就想把候選的單個小分子進行組合后再驗證其效果，但13個小分子組合數(shù)太多，我們的策略是首先驗證兩兩組合的效果。”上述研究論文并列第一作者、北京大學博士生鄭麗霞說。
鄭麗霞介紹，基于兩兩組合的效果他們進一步結(jié)合數(shù)學模型預測促增殖效果最佳的小分子組合，并通過體內(nèi)外實驗驗證發(fā)現(xiàn)由鹽酸去氧腎上腺素、巴瑞克替尼、去氫駱駝蓬堿、VO-Ohpic?trihydrate和AZD3965組成的小分子組合5SM，可以成功誘導成年大小鼠的心肌細胞重新進入細胞周期并發(fā)生胞質(zhì)分裂。
在完成體外實驗后，還必須驗證小分子組合5SM在體內(nèi)的藥效。鄭麗霞介紹，因為體內(nèi)與體外的給藥方式、給藥劑量和給藥頻率會有所差異，因此他們多次試驗，調(diào)整給藥方式，最終攻破了難題，證明了5SM在體內(nèi)同樣可以發(fā)揮作用。
研究人員發(fā)現(xiàn)，5SM可顯著改善成年大鼠心梗后的心臟功能，減少心臟纖維化面積，并可通過激活乳酸信號和mTOR通路，促進心肌細胞代謝由氧化磷酸化向糖酵解轉(zhuǎn)換，最終誘導心肌細胞增殖和分裂。
心梗患者有望用上小分子組合化學藥
這項研究成果首次在國際上發(fā)現(xiàn)促進心臟再生的小分子藥物組合，揭示了心臟再生領(lǐng)域新的細胞和分子機制，并有望找到治療心梗的候選小分子藥物。
熊敬維表示：“有一個很重要的發(fā)現(xiàn)就是，我們找到的這些小分子并不通過目前主流認為的Yap通路和MAPK通路起作用，而是通過改變心肌細胞的代謝起作用，這和以前研究發(fā)現(xiàn)的心肌細胞再生機制不同。”
對于這項研究成果，中國醫(yī)學科學院阜外醫(yī)院心血管疾病國家重點實驗室研究員聶宇評價道：“這項研究成果意義重大，這是國際上第一個通過化合物組合誘導心肌細胞原位增殖的研究成果。利用化合物促進心臟再生是大家所期待的一種方式，因為安全性更高。”
熊敬維表示，接下來，研究團隊要進一步研究這些小分子發(fā)揮作用的機制，同時，基于這項理論成果研發(fā)出一些新技術(shù)，為開發(fā)治療心梗的藥物提供新思路和新策略，并開展臨床藥物研發(fā)工作。
“我們已經(jīng)知道了這5個小分子中哪個發(fā)揮的作用最大，我們想再從另外的4個小分子中找一兩個發(fā)揮輔助作用，并據(jù)此研發(fā)新的藥物。如果在大鼠和豬實驗中證明有藥效，我們會推動開展臨床試驗，爭取在兩年內(nèi)申請到國家藥監(jiān)局的相關(guān)批文。如果順利的話，估計5—8年后，我們有望看到心梗患者在治療中用上小分子組合化學藥物。”熊敬維對此充滿期待。
此外，這項研究成果將給其他領(lǐng)域的再生醫(yī)學研究帶來一些啟示。熊敬維稱，這些小分子組合可能會對神經(jīng)元再生、腎臟再生、骨骼肌再生等其他領(lǐng)域再生問題的研究提供借鑒。“我認為，其啟示作用體現(xiàn)在兩方面：首先，要促進沒有或還沒有找到成年干細胞的實體器官再生，可以考慮采取讓細胞一分為二的再生策略;其次，可以借鑒這5個分子發(fā)揮作用的關(guān)鍵信號通路。”熊敬維說。
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