研究人员报告创建了第一个遗传性心律失常的人体组织模型，在一个培养皿中复制了两名患者的心律异常，然后在小鼠模型中通过基因治疗抑制心律失常。儿童医院的研究人员报告创建了第一个遗传性心律失常的人体组织模型，在一个培养皿中复制了两名患者的心律异常，然后在小鼠模型中通过基因治疗抑制心律失常。他们的研究成果发表在7月30日发行的“循环”杂志的两篇论文中，开启了开发单剂量基因疗法治疗遗传性心律失常的可能性，也许还有更常见的心律失常，如房颤。

“我们希望能够以无限期的单剂量进行基因治疗，”参与这两项研究的波士顿儿童医院遗传性心律失常计划的主治心脏病学家Vassilios Bezzerides博士说。“我们的工作提供了可转换的基因治疗策略的概念验证，以治疗遗传性心律失常。”

这两项研究的重点是儿茶酚胺能多形性室性心动过速(CPVT)，这是儿童和年轻人猝死的主要原因。心律失常通常由运动或情绪压力引发，并且首先在平均12岁时变得明显，通常是突然丧失意识。

目前的治疗方法包括β受体阻滞剂和氟卡尼等药物，手术可以阻断心脏左侧的神经，植入式心律转复除颤器(可导致CPVT中危及生命的并发症)，并且只需让孩子运动一点点尽可能。

“对于CPVT的治疗目前还不够：尽管接受治疗，25%至30%的患者仍会出现危及生命的心律失常，”Bezzerides说。

建立心律失常组织

Circulation7月17日在线发表的一项研究使用组织工程模型来研究CPVT如何在细胞和分子水平上起作用。它由波士顿儿童医院的医学博士William T. Pu和波士顿​​儿童医院和哈佛大学工程，艺术与科学学院(SEAS)的Kevin Kit Parker博士领导。

研究人员使用由Dominic Abrams，医学博士，MBA领导的遗传性心律失常计划，研究人员从波士顿儿童医院的两名患者那里获得了血液样本，这些患者因RYR2的单独突变而导致CPVT，该基因与大多数CPVT病例有关。RYR2编码一个通道，使细胞释放钙 - 这是引发心脏收缩的第一步。

然后科学家将患者的血细胞重新编程为诱导多能干(iPS)细胞，几乎可以制造所有细胞类型。由此，他们制作携带CPVT突变的心肌细胞(心肌细胞)，并用它们构建心肌组织模型。

“将细胞接种在工程表面，使它们排列在与心肌组织方式相似的特定方向上，”波士顿儿童基础和转化心血管研究主任Pu解释道。“细胞单独出现非常异常的跳动，但在组装到组织后，它们一起拍打，更好地模拟实际疾病。这就是为什么组织级模型很重要。”

在盘子里练习测试

使用所谓的光遗传学系统，研究小组然后将蓝光应用于组织的一端以激活细胞。这产生了一种沿着细胞片移动产生收缩的冲动。使用这个系统，他们创造了一个“盘子里的运动测试”。为了模拟运动，他们添加了药物异丙肾上腺素(类似于应激激素肾上腺素)并应用红外线来启动更快的心跳。

此测试有助于揭示CPVT的基本机制。当健康的心脏组织进行运动试验时，钙在均匀的波浪中穿过组织。但是在由CPVT患者制作的组织模型中，钙波以不同的速度移动，并且在组织的某些部分根本不移动，导致称为再入的异常圆周运动 - 就像在现实生活中发生的那样。

“当我们更快地使细胞起搏时，CPVT组织会持续出现反复性心律失常，而正常组织可以很好地处理它，”Pu说。

为了解压力如何使CPVT患者容易受到危及生命的心律失常，Pu，Parker及其同事确定了由肾上腺素激活的信号分子，然后使用药物和CRISPR / Cas9基因组编辑来选择性地抑制或修饰它们。

通过这一策略，他们发现在健康的心脏组织中，一种名为CaM激酶(CaMKII)的酶可化学修饰RYR2，从而触发心肌细胞释放出更多的钙。在CPVT细胞中，这种修饰与遗传的RYR2突变结合，导致细胞中过量的钙水平，从而引起心律失常。

“大自然设计了CaMKII作为战斗或逃跑反应的一部分，”Pu解释道。“当你兴奋的时候，你会释放出更多的钙，这样心脏就可以更快地跳动。但是当RYR2发生突变时，通道就会渗漏，因此细胞会释放过多的钙，导致心律失常。”

当研究人员阻止CaMKII修饰时，他们消除了组织模型中的心律失常。当它们用肽AIP(一种有效的和选择性的CaMKII抑制剂)阻断CaMKII本身时，它们具有相同的效果。

“iPS技术与芯片上器官的结合为精准医学研究和患者利益提供了新的机会，”Parker指出。“我们的愿景是利用这些技术筛查罕见疾病患者的临床试验。通过在体外复制患者的疾病，我们可以测试患者疾病的候选疗法并测量安全性和疗效，以便正确的患者接受检测合适的药物。“

用基因疗法抑制CaMKII

因为CaMKII酶作用于心脏旁边的许多组织 - 并且是大脑需要记忆形成的 - 该团队希望能够特异性地抑制心脏中的CaMKII。在6月3日由Circulation在线发表的另一项研究中，由Bezzerides和Pu领导的研究小组在CPVT小鼠模型中测试了一种基因治疗方法。

他们设计了一种特殊病毒，用CPVT注射到小鼠体内，选择性地移植到心脏并输送AIP。测试表明，AIP在约50%的心脏细胞中表达，足以抑制心律失常，但在包括大脑在内的非心脏组织中无明显表达。

研究人员现在计划改进他们的基因治疗策略并在大型动物模型中进行测试，并最终在CPVT患者中进行测试，可能与其他医疗中心合作。

心脏病的一般方法？

Bezzerides和Pu认为该治疗对于由各种RYR2突变引起的CPVT患者可能是有效的(已报道超过160种突变)。他们相信他们在心脏中抑制CaMKII的整体策略可以帮助治疗更常见的心脏病。

“正常的心脏功能不需要CaMKII，但它会在许多形式的心脏病中被激活，”Pu说。“在许多形式的心脏病，如缺血性心肌病，心房颤动或肥厚性心肌病的小鼠模型中，慢性CaMKII激活是有害的。我们的基因治疗方法可能有助于改善CaMKII抑制这些其他类型心脏病的预后。 “。

Vassilios Bezzerides是基因治疗论文的第一作者。William Pu是资深作者。波士顿儿童医院的Ana Caballero，Suya Wang，Yulan Ai，Robyn J. Hylind，福建路，Danielle A. Heims-Waldron，Kristina D. Chambers，Donghui Zhang和Dominic J. Abrams都是共同作者。(Cabellero现在在Oncorus，Inc。)。该研究由美国国立卫生研究院，美国心脏协会，波士顿儿童心脏中心，Mannion和Roberts家族以及Sarnoff心血管研究基金会资助。

哈佛SEAS的Sung-Jin Park和波士顿儿童医院的Donghui Zhang是CPVT组织研究的共同第一作者。William Pu和Kit Parker是共同的高级作者。共同作者是中国湖北大学的Yan Qi和Pengcheng Yang;波士顿儿童医院的Yifei Li，Vassilios Bezzerides，Xujie Lou，Fujian Lu，Judith Geva，Amy Roberts和Dominic Abrams;Keel Yong Lee，Sean Kim，Francesco Pasqualini和SEAS的Patrick Campbell;和Beth Israel Deaconess医疗中心的Andre Kleber。Pu和Parker也是哈佛干细胞研究所的成员。

资助者包括美国国立卫生研究院，波士顿儿童翻译研究服务中心，波士顿儿童心脏中心，Mannion和Roberts家庭，SEAS，Wyss研究所，国家科学基金会和美国心脏基金会。