- [2018/3/3] 關於亨汀頓舞蹈症基因的早期角色–別儘信所有的新聞頭條
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有個令人訝異的新聞刊載了關於HD基因在發展早期的角色,我們需要擔心嗎? Dr. Jeff Carroll於2018/2/6撰寫,Dr. Tamara Maiuri編輯。
關於會導致HD的基因其正常的角色的訊息逐漸被揭露。近期的研究在試驗室中,於細胞發展過程中使用尖端的技術研究此問題。我們將幫忙從令人害怕的頭條新聞中,把令人著迷的新科學分離開來。
很酷的科學,令人感到羞愧的報導
近期你可能看到某些負面頭條,像是”HD的第一張多米諾骨牌可能可以在出生前倒下”,甚是類似”HD降低藥物可能會造成更大的傷害”的建議。這些故事多是由近期的研究報導所激發,該研究室由Rockefeller大學的Ali Brivanlou與其同儕所進行的。
新聞副標題:科學很有趣,但是在HD患者身上測試HD降低藥物是沒有意義的。
圖片中為當HD基因突變,或是根本沒有HD基因時,在培養皿中的”神經玫瑰花環 (Neural rosettes)”顯示出的有趣變化,圖片來源:Ruzo et al用以研究HD的新工具
Brivanlou是位發育生物學家 – 也就是研究個體受精卵如何分裂最終成長為完全型態的成年體的學者。發育生物學經常在試驗室中藉由觀察培養皿中細胞生長,來研究發育階段的最早階段。
近期,Brivanlou的實驗室開始進行關於造成HD的基因、以及細胞依照該基因為藍圖所生產的蛋白質。他的試驗是擁有多項基數專長,當中的某部分技術士用以了解這些最新結果的關鍵。
首先,如同世界各地的許多試驗室,Brivanlou的團隊利用一個新的被稱為基因編輯(genome editing)的技術,也就是利用CRISPR/Cas9來修改細胞中的DNA。
其次,Brivanlous的試驗室是世上研究初期胚胎如何成長為成熟動物的細胞的佼佼者之一。事實上Brivanlou在近期就因在試驗室中培養了人類胚胎十三天,打破往常的九天紀錄而聞名。
在人體發育的初期時,所有的細胞都非常相似。科學家稱之為幹細胞。隨著時間推移,幹細胞發展成不同特性 – 例如有些發展成皮膚細胞、有些形成肌肉細胞或是腦細胞。幹細胞的特點在於,當處於適當的條件下時,它們具有發展成任何不同型態的成年細胞的能力。
Brivanlou試驗室的新研究結合了新的技術,包括修改初期未分化的人類細胞,也就是胚胎幹細胞(embryonic stem cells, or ESCs)。特別的是,他們修改了這些細胞的DNA以模擬造成HD的突變。
所研究的細胞一開始帶著是正常的HD基因,Brivanlou團隊利用基因編輯技術進行一些不同的編輯。首先,他們刻意在正常的HD基因中加長CAG片段,如同會產生HD症狀的人的情形。之後他們會做更大的更動,也就是將HD基因完全移除。
這會產生一些有趣的工具 – 幹細胞基本上基因都是一樣,除了有些帶有HD基因突變、有些有正常HD基因、而有些則是完全沒有HD基因。
這是個非常單純的系統,可用以研究正常HD蛋白以及突變HD產生的變異帶來的初期影響。
此研究所帶來的發現為何?
藉由所創造的新細胞,Brivanlou團隊得以進行腦部發育初期的研究。此發育通常在胚胎深層進行,但是研究人員能藉由讓細胞在試驗室中的培養皿成長以模擬此過程,在培養皿中席包會組織成類似早期大腦發育的結構,被稱為神經玫瑰環(neural rosettes)。
“我們不知道這些微妙的變化是否會在真實大腦中產生,在大腦發展過程中,會有許多矯正錯誤的機制。”
當HD基因突變時,神經玫瑰環會顯示出有序的改變。細胞所產生的形狀會因HD突變有所不同。有趣的是,類似的形狀變化也在沒有HD基因的細胞中呈現。這發現是相當有趣的,因為這顯示當HD基因突變時幹細胞中產生的錯誤,與基因完全缺失時產生的錯誤是類似的。
接著來看看培養皿中個別的細胞,Brivanlou試驗室發現另一個有趣的現象。他們發現嬰兒大腦神經元細胞在HD突變時,無法正常的分裂。大約有7%的時間,分離成兩個新細胞的過程會出錯,而細胞最後變雙倍大。
同樣的,HD基因缺失的細胞也有類似的問題:大概有5%的機會細胞會無法完全分裂。
對於試著了解HD的研究人員而言這是相當迷人的消息 – 看起來試驗室中的幹細胞,有HD基因突變的細胞會有類似HD基因缺失的細胞的反應。Brivanlou的試驗室進行了一些額外的研究,來更加了解帶有HD突變基因與HD基因缺失的細胞,會在哪一個細胞分裂的階段產生錯誤。
帶有其他名字的玫瑰環….仍然不是大腦
上述的發現就是此研究獲得的結果。所有的研究都是在試驗室中的培養皿裡面生長細胞所進行的,不管是分離的或是以玫瑰環結構的。
科學本身是很酷的,同時進行的相當好,並且帶出了重要的問題點,也就是我們想了解HD到怎樣的程度,或許端視對於HD大腦中可能的細微變化的了解程度。
但是你會發現到我們並沒有告訴你,在帶有HD突變的人們腦中有任何類似的變化,或者甚至動物的HD模型中的小鼠、老鼠有類似的變化。我們沒有這樣告訴你是因為這並非此研究的一部分 – 此研究並非針對這些問題。所以我們甚至無法得知這些細微變化是否會在真實的腦部中產生,在腦部的發展過程中有著許多矯正錯誤的機制。
HD的大腦是否發展正常?
那麼,我們應該擔心帶有HD突變的人們,其腦部發育會產生異常嗎?依據現有已知的證據顯示,我們不這麼認為。這證據來自帶有HD突變的人們身上,而非培養皿中生長的分離細胞。
首先,最重要的就是沒有人發現帶有HD突變的人們,當他們距離發病尚遠時,在人格、智力或是情緒上有明顯的改變。這意味著帶有HD突變真的會導致大腦發育過程中的重大問題,而這些變化太過細微以致最敏感的檢測方式也無法檢驗出來。
其次,追蹤了大量HD患者三年的TRACK-HD試驗。在這期間,餐與者緊密的接受檢驗,包括描繪非常詳細的腦部繪圖。有一組帶有HD突變基因,但是距離預測發病的時間尚早的TRACK-HD試驗自願者。他們的腦部掃描能告訴我們,在經歷過HD突變基因的腦部發展之後,大腦是怎樣的情況。
可能會產生意想不到的問題 – 這也是為何huntingtin降低的藥物仍在試驗中。臨床試驗的目的在於檢測出任何可能的問題,並做出相對應的反應。最重要的是,比較起健康、未帶有HD突變的對造組而言,兩者大腦幾乎沒有差異。極度敏感的腦部顯影圖顯示,大腦的深部有微小的變化,但是並非在Brivanlou在幹細胞模型中所發現的位置。
就症狀方面而言,這一群尚未發病的人們未增加冷漠,沒有問題行為、躁動的改變,沒有行走或是動作的改變,未見情緒認知改變、沒有眼部動作的改變或是握力肌肉的改變。同時在腦容量方面也沒有變化。簡而言之,在發病前十年的大腦幾乎是正常的。更重要的是,像Brivanlou團隊所報告的雙倍的細胞,在HD捐贈者的腦部從未見過。
當然,有可能帶有HD突變的人們,其腦中某些極細微的改變在檢測中被忽略掉。但是在真實生活中患者進行的廣泛研究,並不足以支持這些人的大腦會產生嚴重錯誤的觀點。
我們是否需要重新省思如何治療HD?
Brivanlou試驗室的嶄新成就最戲劇的解釋就是,HD突變對於腦部發展的改變,直接導致了多年之後的HD症狀。Brivanlou 似乎認同這個解釋,他在Futurity.org網站下了這個評論:
“我們應該重新省思我們治療HD的方法。…當一個患者出現了症狀,給予藥物似乎已經太遲了。我們需要回到最早觸發疾病連鎖反應的時候,這樣我們可以聚焦於治療肇因的新療法,而非後果的治療。” (We should rethink our approach to treating Huntington’s. … by the time a patient is displaying symptoms, it may be too late to medicate. We need to go back to the earliest events that trigger the chain reaction that ultimately results in disease so we can focus new therapies on the cause, not the consequences”)
太令人震驚了
然而,請記住上述的影響尚未被證實會產生在腦部。即使產生了,也沒有人能證明它們跟疾病的發展有任何關連。在我們能理解這只是模型系統特有的好奇,或是它真的會導致大腦異常產生HD之前,需要做更多的研究。(Much more work would be needed before we could understand if this was just a curiosity particular to the model system, or whether it’s something that actually drives the malfunctioning of brain bits that causes HD.)
安全或是很抱歉並不安全?
因此我們是否要等上數年,來確認Brivanlou所擔憂的是否為真呢?我們不這麼認為,原因是有為數眾多針對huntingtin降低(huntingtin lowering)的動物試驗。
在這些方法中,減少HD基因活性的藥物被施打在動物身上。如果HD是一種會影響發育的疾病,這些治療可能沒有作用 – 對於阻止第一張骨牌倒下可能太遲了。
但是一次又一次的試驗之後,許多實驗室發現在動物模式中,降低HD基因活性能改善類HD的症狀。這些研究已經在一些回顧性的文章中被歸納總結,有興趣的讀者可以在上面的段落中找到連結。這也是目前進行中的huntingtin降低試驗被執行的理由。
“如果HD是個大腦發育改變的疾病,那麼降低成年動物的huntingtin將不會有效果。但是這是有助益的。對於會改變大腦發育進而造成晚年HD的觀念是不正確的。”
簡言之,如果HD是個大腦發育改變的疾病,那麼治療成年動物將不會有效果。但是它顯示個明顯的助益。關於會改變大腦發育進而造成HD的觀念是不正確的,至少在動物模型中是如此。
那麼我們從一些二手的報導所讀到的,有關於Brivanlou的成果所顯示,降低huntingtin可能是危險的訊息 – 因為在Brivanlou的幹細胞試驗中,移除HD基因同時會產生類似擁有突變基因的影響又是如何呢?
在HD動物中的huntingtin降低試驗中也駁斥了這個論點。如果huntingtin降低如同這些報導所指的具有危險性,動物應該會產生更糟糕的結果,而非有改善。更甚者,huntingtin降低的藥物已經在許多健康動物身上測試,包括了狗、豬以及猴子 – 目前尚未看到不良的影響。上述試驗的回顧也可以在上面的連結看到。
最後,如同12月的報導所提及,最近有一群自願者接受了huntingtin降低藥物,IONIS-HTTRx治療三個月後,顯示是安全的。這些同樣的自願者目前正接受HTTRx的展期試驗,希望了解更長期的安全性。我們期望能從這一個HTTRx試驗的公告中獲得更詳細的結果。
意想不到的問題可能會出現 – 這也是為什麼這些藥物仍在試驗中。有一些試驗值得我們保持警惕。其中一個就是在之前HDBuzz的文章中有提及,如果完全移除成年小鼠的huntingtin,似乎會造成神經以及行為的問題。
另一個由Frisen團隊執行的研究發現,跟”我們無法製造新的神經細胞”的舊觀念不同,在紋狀體(大腦中通常受到HD影響的部位)發現了新的神經元。此外,新的神經元在HD晚期的階段是不存在的。這意味著huntingtin蛋白質可能在成年神經元再生(adult neurogenesis)過程中扮演著重要角色。如果是這樣,我們不能否認去除huntingtin可能會影響這過程的風險。
簡而言之,我們有理由保持著謹慎,但是這個新的研究並不如報導所稱那麼令人害怕。如同任何新藥,我們需要謹慎地進行。Huntingtin降低藥物的研究是劑量依賴性以及可逆的,同時不像完全移除huntingtin的研究一般,並不會完全的移除蛋白質。臨床試驗就是被設計成檢驗任何可能出現的問題,以及如何做出相對的回應。
總結
從HDBuzz的觀點,Brivanlou實驗室的新研究室非常吸引人,而且是完美的科學。它顯示了培養皿的隔離細胞與HD基因產生突變以及缺失時可能會發生的情況。它帶出了非常重要的問題,也就是正常的基因如何表現,以及HD在這當中的角色。
但是我們認為將這些資訊解讀成HD是個影響大腦發育的疾病是不對的。從真實患者身上所進行的謹慎研究對於此想法的支持性並不高,做成這樣的聲明之前需要進行更多的試驗。更甚者,運用此研究來預測huntingtin降低的方法是有益或是有風險是沒有根據的 – 現行跟此問題相關的研究顯示它是安全的。
所有的科學都是藉由發現無法解釋的事實並找出答案來進行的。新的想法是好的 – 但是我們不應該在被證實前試圖過度的解讀。引述Carl Sagan的話,”保持開放的態度是很值得的,但是不要過度的臆測”。(In the words of Carl Sagan, “It pays to keep an open mind, but not so open your brains fall out.”)