Nature多篇文章：利用CRISPR建立疾病模型

　　

生物通报道  一直以来，基因治疗工作都在尝试通过改造患者体内的DNA来治疗遗传疾病，但要将遗传物质传送到所有靶组织是一个很大的挑战，更不必说要确保其足够安全。近年来，基因编辑和干细胞研究取得的一些进展，使得科学家们能够在患者自身的细胞中纠正遗传缺陷，并在体外培育出组织特异性的“类器官”。这些微型器官为疾病建模、药物筛查及有可能替换患者的缺陷组织带来了希望。

CRISPR/Cas9基因编辑的进展使得研究人员能够方便、准确地对人类DNA进行遗传修饰。同时，有能力将细胞重编程为多能干细胞(iPSCs)，及组织工程技术的进步使得科学家们能够培育出一系列不同组织，包括微型肠（Nature发布干细胞里程碑成果 ）、肾脏（Nature发表再生医学重要突破 ）与大脑。

华盛顿大学的Benjamin Freedman说：“CRISPR技术和类器官技术都是相对新近发展的技术。遗传学使得现在在个体基础上了解疾病的起源成为可能。结合定位到致病特异位点，纠正它并将组织放回患者体内的能力，你拥有一个非常强大的工具组合。”

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荷兰乌得勒支大学分子遗传学家Hans Clevers,是从事这些研究的先驱之一。他的实验室利用了来自肠的成体干细胞，不同于其他组织，肠总是在不断地更新。“无需首先将这些细胞转变为iPSCs，我们的技术直接利用患者的组织培育出了类器官。”

在2013年的一项研究中，Clevers和同事们培育出了来自囊性纤维化患者的肠干细胞（上海生科院Cell子刊CRISPR突破性成果 ）。囊性纤维化是由于CFTR基因缺陷所引起，可导致肺及胃肠道累积厚厚的粘液。

Clevers的研究小组发现，在培育自健康个体的类器官中，添加一种叫做forskolin的物质可使得组织膨胀，而它对于培育源自囊性纤维化患者的类器官则无此影响。接下来，研究人员利用CRISPR/Cas9和同源重组纠正了源自囊性纤维化患者的这些细胞中的缺陷，培育细胞成为了微型肠。不同于用未治疗囊性纤维化患者的细胞培育的组织，CRISPR改造类器官可响应添加的forskolin正常地膨胀。

但Clevers的研究工作并不仅限于建立简单遗传疾病的模型。在2015年的一项研究中（Nature：大师级牛人用CRISPR构建癌症类器官 ），Clevers和同事们对肠干细胞采用CRISPR，在与结肠癌相关的几个基因(APC, P53, KRAS, and SMAD4)中导入了突变，并将这些调整过的细胞培育成为了类器官。当研究人员将这些类器官移植到小鼠体内时，这一组织发展成为了与浸润性癌相似的肿瘤。

同时，澳大利亚Murdoch儿童研究所的Sara Howden和同事们利用CRISPR开发出了一些肾脏类器官模型。（干细胞先驱最新成果：CRISPR与重编程的完美结合）。Howden说：“这不是一个完整的器官，但比平面的、2D细胞培养物更相关。”

类器官模型可以在人类临床试验或动物模型无法实现的规模上，用于筛查候选药物。由于疾病以不同的方式影响每个人，这种方法使得科学家们能够阐明在特定患者中哪些药物有最大的机会取得成功。

沿着这条路走下去，甚至有可能可以用经过编辑纠正了遗传缺陷的患者细胞培育出类器官，将它们重新植入患者体内治疗囊性纤维化一类的疾病。

华盛顿大学的Freedman和同事们开发出了一种方法用源自患者的iPSCs培育出肾脏类器官，并利用它研究了多囊性肾病(PKD)等疾病（首次用CRISPR制备微型肾脏 ）。他的实验室在体外利用CRISPR导入了PKD相关突变进入肾细胞中，随后培育这些细胞成为了肾脏类器官，形成了具有这一疾病特征的囊肿。

Freedman认为这些微型器官可能有潜力用于肾脏再生等。“我梦想着有一天我们可以不仅仅培育出类器官还有器官。”

斯坦福大学法律与生物伦理学教授Hank Greely说：“遗传修饰类器官作为一种研究工具，听起来很有趣，有前景，且伦理上也没有问题。除了正常的安全性和效率问题，这样的方法的临床应用不应该会造成重大的障碍。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Modelling human development and disease in pluripotent stem-cell-derived gastric organoids.Nature 516, 400–404 (18 December 2014) doi:10.1038/nature13863

Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis.Nature 526, 564–568 (22 October 2015) doi:10.1038/nature15695

Functional Repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in Intestinal Stem Cell Organoids of Cystic Fibrosis Patients.Cell Stem Cell.DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2013.11.002

Sequential cancer mutations in cultured human intestinal stem cells.Nature 521, 43–47 (07 May 2015) doi:10.1038/nature14415

Simultaneous Reprogramming and Gene Correction of Patient Fibroblasts.Stem Cell Reports.DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.stemcr.2015.10.009

Modelling kidney disease with CRISPR-mutant kidney organoids derived from human pluripotent epiblast spheroids.Nat Commun. 2015 Oct 23;6:8715. doi: 10.1038/ncomms9715.