構建出“培養皿冬眠”細胞模型

在冬眠期間，十三條紋地松鼠（13-lined ground squirrel）耐受接近冰點的溫度，顯著地減慢它的心率和呼吸。這種地松鼠的組織如何適應寒冷和代謝壓力一直困擾著科學家們。

已知易受寒冷影響的細胞中的結構是微管細胞骨架。細胞內的這種小管網絡給細胞提供結構支持，并作為細胞內部的一種運輸系統，轉運對細胞存活至關重要的細胞器和分子復合體。

在一項新的研究中，美國國家眼科研究所的Wei Li博士、Li實驗室博士后研究員Jingxing Ou博士及其同事們比較了來自非冬眠動物的細胞和來自十三條紋地松鼠的細胞以便確定它們對寒冷作出反應的差異。他們發現十三條紋地松鼠神經元中，微管細胞骨架仍然保持完整，而在人類和包括大鼠在內的其他非冬眠動物的神經元中，微管細胞骨架遭受破壞。相關研究結果發表在2018年5月3日的Cell期刊上，論文標題為“ipsCs from a Hibernator Provide a Platform for Studying Cold Adaptation and Its Potential Medical applications”。

為了研究支持十三條紋地松鼠適應寒冷的生物學因素，這些研究人員構建出“培養皿冬眠（hibernation in a dish）”模型。他們獲取來自新生十三條紋地松鼠的細胞，將它們進行重編程后，讓它們變成干細胞，即能夠變成體內任何一種組織細胞的未分化細胞。重要的是，這些在實驗室構建出的干細胞，也被稱作誘導性多能干細胞（ipsC），保持成年十三條紋地松鼠細胞的內在寒冷適應特征，因而就為研究這種嚙齒類動物的各種細胞類型如何適應寒冷提供一種平臺。

接下來，他們分別讓十三條紋地松鼠和人類的iPSC經過分化產生神經元，并比較這些神經元的基因表達。寒冷暴露揭示出神經元中的線粒體---以三磷酸腺苷（ATP）形式給細胞提供能量的細胞器---反應存在明顯的差異。他們發現由人類iPSC產生的神經元經過寒冷暴露后傾向于過度產生一種被稱為活性氧（ROS）的代謝副產物。人類神經元中過量的ROS似乎導致沿著微管分布的蛋白發生氧化，從而嚴重破壞微管結構。相比之下，由十三條紋地松鼠ipsC產生的神經元經過寒冷暴露后保持相對較低的ROS水平，并且它們的微管結構保持完整。

寒冷暴露（cold exposure）也會干擾由人類ipsC產生的神經元通過它的蛋白質量控制系統處理有毒性的發生氧化的蛋白的能力。在正常情況下，人神經元中的溶酶體包裹發生氧化的蛋白并通過蛋白酶消化它們，但是在經過寒冷暴露的人神經元中，蛋白酶從溶酶體中泄漏出來，從而消化附近的微管。

這些研究人員隨后在進行寒冷暴露之前利用兩種藥物處理來自非冬眠動物的細胞以便改變寒冷誘導損傷的過程。其中的一種藥物，即BAM15，抑制ATP的產生，這會降低ROS的產生。第二種藥物抑制蛋白酶活性。

在將來自非冬眠動物的多種細胞類型浸泡在這兩種藥物中后，Li和他的團隊讓它們暴露在4℃下4到24小時。這種藥物組合保存了由人類ipsC產生的神經元中的微管結構。隨后的測試表明大鼠視網膜也保持功能。

他們發現這種藥物組合也會保存非神經組織的結構和功能。來自小鼠腎臟的腎細胞中的微管在冷卻和復溫后表現出改善的結構完整性。

除了對器官移植產生影響之外，這些發現也為在未來的研究中探究可能的治療應用鋪平了道路。比如，誘發體溫降低是一種遭受創傷后保護大腦的常用策略，但是人們需要權衡潛在的益處和寒冷誘導的細胞損傷帶來的潛在危害。

Li說，“通過理解冬眠期寒冷適應的生物學特性，我們可能能夠改善和擴大未來誘導體溫降低的應用，并且可能延長器官在移植前的生存能力。比如，腎臟的保存時間通常不超過30小時，在此之后，這種組織開始惡化，這就會破壞該器官在經過復溫和再灌注后發揮正常功能的能力。心臟、肺部和肝臟具有更短的保存期限。”