Innopsys生物芯片掃描儀助力遺傳疾病原發(fā)性纖毛運動障礙的研究

 

原發(fā)性纖毛運動障礙(Primary ciliary dyskinesia, PCD)是一種由基因缺陷導(dǎo)致的纖毛結(jié)構(gòu)和功能障礙的全身性遺傳疾病。隨著對PCD遺傳學(xué)的不斷研究，目前已證實有40多個基因參與了PCD的發(fā)病過程，約70%的患者可通過基因檢測得到有效診斷。雖然PCD患者具有不同的基因突變和分子發(fā)病機(jī)制，但都具有共同的臨床特征，如反復(fù)的呼吸道感染，及伴有中性粒細(xì)胞數(shù)量異常。在PDC的多數(shù)臨床研究中較多集中于動力蛋白軸突重鏈5 (Dynein axonemal heavy chain 5, DNAH5)這一突變基因，其位于纖毛軸突，然而這些特異性的纖毛基因缺陷與免疫系統(tǒng)異常之間的聯(lián)系還不清楚。

 

在以往研究中，研究人員一般利用基因敲除小鼠、斑馬魚或小鼠氣道類器官構(gòu)建具有典型突變的PCD模型。但這些方法不僅構(gòu)建復(fù)雜，而且由于物種差異并不能很好的重現(xiàn)PCD在人類中的特征。因此，來自四川大學(xué)中國婦幼兒出生缺陷及相關(guān)疾病重點實驗室的研究團(tuán)隊，利用DNAH5突變患兒的支氣管活檢樣本為研究對象，構(gòu)建類器官模型并進(jìn)一步利用組織學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和分子生物學(xué)等手段研究DNAH5突變與PCD發(fā)病機(jī)制之間的關(guān)系，并在2022年《CELL》期刊上發(fā)表該文章。

首先，作者利用患兒活檢樣本作為細(xì)胞來源，進(jìn)行細(xì)胞傳代培養(yǎng)并構(gòu)建類器官。在此基礎(chǔ)上，利用高速顯微鏡、流式細(xì)胞術(shù)、WB、數(shù)字PCR和測序等技術(shù)從各個角度研究不同組別類器官的差異。高速顯微鏡分析表明，DNAH5突變的氣道類器官與正常氣道類器官相比，形態(tài)異常，空腔壁較厚；微管蛋白染色顯示，攜帶DNAH5突變的患者樣本中，纖毛數(shù)量顯著減少；作者用呼吸道合胞病毒（RSV病毒）感染實驗組和對照組類器官，研究DNAH5突變對于病毒感染引起的細(xì)胞因子免疫應(yīng)答的影響，使用法國innopsys品牌的InnoScan 300微陣列掃描儀（現(xiàn)型號為Innoscan 710）對Raybiotech (Quantibody human inflammatory array 3)微陣列芯片進(jìn)行分析。實驗結(jié)果表明，RSV感染引起DNAH5突變模型中8種細(xì)胞因子(G-CSF、GM-CSF、MCSF、IL-6、IL-11、TIMP-1、TIMP-2和TNFR1)表達(dá)下調(diào)，1種細(xì)胞因子IL-8表達(dá)上調(diào)(圖1)。既往研究表明，這8種下調(diào)的細(xì)胞因子與呼吸道上皮細(xì)胞對RSV感染的免疫應(yīng)答過程密切相關(guān)，結(jié)合本研究，說明DNAH5缺陷可導(dǎo)致細(xì)胞炎癥因子釋放減少，進(jìn)一步降低氣道上皮的免疫應(yīng)答能力，提示這可能是PCD患兒反復(fù)發(fā)生呼吸道感染的原因。

圖1 InnoScan 300微陣列掃描結(jié)果統(tǒng)計示意圖
 

除此之外，通過單細(xì)胞RNA測序等實驗顯示，與正常細(xì)胞相比DNAH5突變的基底細(xì)胞中，Wnt激動劑表達(dá)較低，TGF-β/BMP抑制劑表達(dá)較高；對于纖毛細(xì)胞，纖毛長度主要受TGF-β通路調(diào)節(jié)，免疫應(yīng)答主要受Wnt通路調(diào)節(jié)，提示W(wǎng)nt和TGF-β通路的低表達(dá)可能是DNAH5突變類器官纖毛功能和免疫應(yīng)答受損的主要原因。

綜上所述，患兒類器官構(gòu)建是研究PCD的有效手段之一，DNAH5突變不僅導(dǎo)致微管結(jié)構(gòu)功能改變，而且影響類器官的免疫應(yīng)答反應(yīng)，最終引起患者感染呼吸道系統(tǒng)疾病發(fā)病率顯著高于正常水平。

原文鏈接：https://doi.org/10.3390/cells11244013

Innopsys 成立于1999年。總部位于法國，一直致力于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)儀器和軟件的自主研發(fā)和生產(chǎn)。Innoscan系列掃描儀，采用先進(jìn)的共聚焦PMT檢測器和多激光掃描光路，可以同時進(jìn)行多通道熒光檢測。不僅有效降低了熒光光漂白現(xiàn)象以及信號損失，還可以有效縮短掃描時間。在基因組和蛋白組表達(dá)，基因突變，SNP檢測，CGH，細(xì)菌病毒檢測，腫瘤特異性標(biāo)志篩查，病理組織篩查等方面都有非常廣泛的應(yīng)用。

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