新的活细胞模型为线粒体的研究奠定了基础

　　线粒体以其作为＂细胞的动力＂的角色而享有盛誉。这些微小但强大的细胞器发挥着各种维持生命的作用，从为我们自己的细胞和器官提供动力，到为化学和生物过程提供燃料。但是当它们不能正常工作时，就会出现一些罕见的疾病。
　　线粒体疾病是一组令人衰弱的遗传病，全世界每5,000人中就有1人受到影响，其中大多数是儿童。伴随这些疾病的是各种各样的健康问题，包括但不限于心脏病、发育和认知障碍、呼吸问题、生长不良，甚至过早死亡。到目前为止，还没有治愈的办法。
　　但是细胞生物学阿洛卡·阿贝·班达拉(Aloka Abey Bandara)，他是弗吉尼亚-马里兰兽医学院生物医学与病理生物学系的研究副教授，他的团队为线粒体疾病患者及其父母提供了一线希望。
　　班达拉和其他研究人员一起，在布莱克斯堡和罗阿诺克，成功地创造了模拟线粒体疾病细胞的活细胞模型。这些细胞将为药物研究和未来线粒体疾病的研究奠定基础。
　　＂我们的细胞模型将让我们看到，当一个孩子发展成线粒体疾病时，这些细胞及其过程到底会发生什么。除了这些因素之外，我们还可以进一步研究新药候选药物的毒性和有效性，＂班达拉说。
　　我们的身体从我们吃的食物和呼吸的空气中产生维持生命的能量。氧气和营养物质，如葡萄糖，穿过身体的器官、组织和细胞，直到它们到达最终目的地：线粒体。当营养物质到达线粒体内膜时，一种独特的蛋白质复合物，称为电子传递链，就会启动。
　　通过一系列的反应，电子传递链能够将电子从营养物质中移除，并将它们通过线粒体膜，形成一个质子梯度。当这种情况发生时，身体会产生三磷酸腺苷(ATP)，这是一种在细胞内携带能量的分子。有时，你可以看到电子传递链蛋白中的干扰或突变。因此，蛋白质复合物不能传输电子，然后能量产生中断。几乎有机体的所有器官--心脏、眼睛和肌肉--都会受到影响，它们将无法正常工作。
　　Aloka Abey Bandara，弗吉尼亚-马里兰兽医学院生物医学科学和病理学系副教授
　　电子传递链由五种蛋白质复合物或蛋白质组组成。复合物I和复合物II是两种蛋白质复合物，主要负责从营养物质中去除电子。如果他们不履行自己的职责，整个电子传输链就会失效，而身体就无法产生ATP。
　　线粒体疾病患者可以在复合物I或复合物II中出现缺陷。有复杂I干扰的患者通常有神经系统问题，如癫痫发作和脑功能异常。那些具有复杂II型干扰的人可以发展出许多其他疾病，并且更有可能患上几种癌症。
　　虽然研究人员能够确定缺陷的确切位置，但为这些线粒体疾病创造治疗方法一直是一个挑战。治疗，维生素和饮食调整已经能够帮助缓解症状和减缓疾病的发展；但是，线粒体疾病本身并没有治愈的方法。因此，新的药物需要创造，测试和提炼。
　　班达拉希望他的细胞系不仅能支持即将进行的研究，还能支持正在经历线粒体疾病及其所有影响的患者及其家属。
　　班达拉说：＂父母往往很无助，因为他们不能直接去药房拿药。＂＂希望他们能看到，弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)正在迅速寻找治愈这些疾病的方法。也许他们能感觉到，他们不再孤单了--大学、政府和科学都在与他们进行斗争。＂
　　为了测试候选药物，研究人员必须首先建立细胞模型，作为人工＂病态＂细胞。细胞模型是发现药物的一个很好的工具，因为线粒体疾病可以被研究，而不需要从病人身上提取细胞。
　　为了制造模拟线粒体疾病的细胞，班达拉不得不＂敲除＂基因组中的一部分，利用CRISPR/Cas9技术为复杂的I和复合物II创造编码。
　　首先，研究人员确定了基因组中需要删除的部分。然后，他们设计了一段RNA，使之成为它的＂家基地＂。然后，RNA＂引导＂一种名为Cas9的酶在基因的基础上进入其家。然后Cas9就能够绑定到这个点并＂剪切＂它。
　　在这一过程完成后，班达拉进行了基因组测序，以确认该部分已成功地从基因组中删除。在几个月的艰苦工作中，班达拉和他的团队创造了两个突变细胞系，一个带有复杂的I去除，另一个没有复杂的II。
　　班达拉是弗吉尼亚理工大学布莱克斯堡分校少数几个使用CRISPR/Cas9技术治疗线粒体疾病的研究人员之一。
　　在突变细胞株被创造出来之后，班达拉通过一个疾病模型对由健康细胞组成的＂父＂细胞株进行了＂病态＂细胞系的功能测试。通过仔细分析，班达拉证实病细胞消耗的氧气要少得多，生长得很慢，并且不能产生足够的ATP，使细胞不能正常运转--这是线粒体疾病细胞的三个标志。
　　一旦他们证实敲除的细胞株正确地模拟了线粒体疾病的细胞功能障碍，他们就能够测试一种新开发的药物，叫做依地本酮(Idebenone)。经此处理，Bandara显示细胞生长和耗氧量均能在一定程度上恢复。
　　这些细胞系是人类营养学、食品和运动系以及弗吉尼亚理工学院医学院专家们卓有成效的合作成果。
　　突变细胞系的构建得到了大卫布朗的指导和支持，他曾是弗吉尼亚农业和生命科学技术学院人类营养学、食品和运动系的副教授，现为波士顿生物技术公司隐形生物治疗公司的科学和技术创新高级主管。
　　从这项工作中，研究小组为他们的细胞获得了两项临时专利。其中一种细胞系已经获得专利，并获得了一家制药公司的许可，该公司将为线粒体疾病患者开发新的治疗方法。
　　这些细胞已经被感兴趣的研究人员和制药公司通过Ximbio提供给全球使用，Ximbio是世界上最大的专门从事各种生命科学研究工具的非营利组织。
　　弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)毕业生贾斯汀·佩里(Justin Perry)现在是西姆比奥(Ximbio)的商业发展经理，他说：＂线粒体复合体I和II缺陷的细胞模型具有很高的社会和经济影响，可以以成本效益和时间效益的方式测试候选药物。＂