光遗传学新突破：控制人类心脏细胞

最近，来自美国乔治华盛顿大学（GWU）的一组研究人员，开发了一种更快的方法，使用光遗传学来预测潜在新药是否将会引起心律失常。这项研究成果于周二发表在Nature子刊《Nature Communications》。

　　

生物通报道：最近，来自美国乔治华盛顿大学（GWU）的一组研究人员，开发了一种更快的方法，使用光遗传学来预测潜在新药是否将会引起心律失常。

光遗传学是一种使用光来控制细胞的技术，用于神经学已有十年的时间，目前最普遍的也是将这项技术应用于神经科学的研究，用光照来调整神经元上通道的开关、激活特定细胞群等等。例如，前不久，德国马克斯普朗克生物控制论研究所的科学家，与Ernst Strüngmann研究所和英国纽卡斯尔大学的研究人员一起，使用光遗传学方法，首次从功能上证明了猴子视觉系统中一个迄今知之甚少的神经连接（光遗传学揭示大脑回路新见解）。在这个月，霍华德•休斯医学研究所的科学家们利用光遗传学技术，确定了大脑是如何控制运动的（Nature光遗传学探秘：大脑如何控制运动？）。

然而，也有科学家逐渐将这项技术扩展至其他领域，例如生物制药或是更直接的临床治疗。例如，今年3月份，美国塔夫斯大学的生物学家，利用一种蛙模型首次证明，他们能够用光来控制细胞间的电子信号，从而防止肿瘤的形成和并使肿瘤正常化，这是首次将光遗传学技术应用于控制肿瘤发生（光遗传学首次用于控制肿瘤发生）。在去年1月份，来自欧洲高级研究中心的科学家们，首次成功地通过光遗传学来控制精子的功能。他们将一种用于cAMP合成的光激活酶，插入缺乏内源酶的小鼠精子。这些小鼠的精子通常是非运动性的，因此小鼠是不育的。用蓝光刺激这些精子之后，它们能够产生cAMP，开始再次游动，甚至能够使卵细胞受精（首次成功利用光遗传学治疗不育）。但是目前，这种技术在心脏研究中还相对较新。

在新开发的系统中，该研究小组用光来使心肌细胞跳动，并通过光学测量它们的反应。这可让他们自动化地操纵药物检测的过程，从而提供了一种快速的新方法，来排除有着潜在危险的药物。这种技术简化了一个主要的手动过程，研究人员开展这个过程以符合FDA的测试需求，并确保药品的安全性。该研究团队当前的系统可以在不到10分钟的时间内，测试30000 个光敏感细胞——比标准实践中的时间更短，后者可能需要数小时甚至数年的时间。

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这项研究成果以“OptoDyCE as an Automated System for High-Throughput All-Optical Dynamic Cardiac Electrophysiology”为题，于周二发表在Nature子刊《Nature Communications》。

本文资深作者、GWU生物医学工程教授Emilia Entcheva指出：“这种新方法有可能大大提高我们为重症患者获得安全的基本药物的速度。重要的是，我们证明，可以将干细胞技术与我们的新方法相结合，使用病人自己的血液细胞，做到这一点。开发新药物的最大挑战之一是，进行测试以确保我们处理一个问题的时候不会造成任何心脏毒性。这种技术可帮助我们确保这样做。”

为了让药物得到FDA批准，它们必须经过审查，以确保它们不会威胁到心脏或身体的其他部分。在最早的测试阶段中，研究人员用药物处理细胞，以查看它们的反应。传统上，最可靠的方法是通过直接探讨细胞，手动测量它们的反应。新的高通量技术可加速这种做法。然而，到目前为止还没有这样的高通量系统，被用于处理真实的心脏细胞。Entcheva博士的研究有助于让我们更为完整地了解“在药物开发过程的早期，一种药物如何可能会影响心脏”，从而可以节省大量的时间和资源，花在其他新的候选药物上。

本文第一作者、Entcheva的博士研究生Aleks Klimas指出：“光刺激和光学记录的好处在于，它提供了一种方法，动态地控制数以百万计的细胞，同时无需接触样本。这不仅可让我们更快地完成测试，而且还提供了一种更安全的方式测量你是否检测到了有害物质。”

除了应用于药物开发领域之外，科学家们还可以使用该方法，来证实干细胞已经正确地成长为心脏细胞。这项新技术将帮助他们改善这些新制备的心脏细胞的质量，并加快它们在诊所的使用。

该技术也有可能被制药企业采用，来加快药物研发的进程。完成她在乔治华盛顿大学的生物医学工程博士学位后，Klima女士希望将这个想法商业化，并发展企业让该设备走上市场。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
OptoDyCE as an automated system for high-throughput all-optical dynamic cardiac electrophysiology
Abstract：The improvement of preclinical cardiotoxicity testing, discovery of new ion-channel-targeted drugs, and phenotyping and use of stem cell-derived cardiomyocytes and other biologics all necessitate high-throughput (HT), cellular-level electrophysiological interrogation tools. Optical techniques for actuation and sensing provide instant parallelism, enabling contactless dynamic HT testing of cells and small-tissue constructs, not affordable by other means. Here we show, computationally and experimentally, the limits of all-optical electrophysiology when applied to drug testing, then implement and validate OptoDyCE, a fully automated system for all-optical cardiac electrophysiology. We validate optical actuation by virally introducing optogenetic drivers in rat and human cardiomyocytes or through the modular use of dedicated light-sensitive somatic ‘spark’ cells. We show that this automated all-optical approach provides HT means of cellular interrogation, that is, allows for dynamic testing of >600 multicellular samples or compounds per hour, and yields high-content information about the action of a drug over time, space and doses.