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线粒体负责通过氧化磷酸化为细胞提供ATP形式的能量。有一组罕见的常染色体隐性遗传疾病，称为线粒体DNA耗竭综合征(MTDPS)，它导致线粒体DNA(mtDNA)和ATP产生显着减少。MTDPS没有治疗方法，并且由于肝功能衰竭，它在婴儿期通常是致命的。南卡罗来纳医科大学(MUSC)的研究人员已经确定了几种治疗MTDPS的候选药物。他们的结果发表在2018年11月6日的Cell Reports上，该研究表明，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)在体外以及临床前动物模型中显着恢复了线粒体功能。
MTDPS最近受到国际关注，此前婴儿Charlie Gard成为英国“最佳利益”案件的主题，受到包括教皇弗朗西斯和特朗普总统在内的世界领导人的批评。医生确定Gard在核糖核苷 - 二磷酸还原酶亚基M2 B(RRM2B)中发生突变，这是一种对产生线粒体DNA构建模块至关重要的蛋白质，也是MTDPS的几种原因之一。不幸的是，在没有治愈或治疗的情况下，Gard在与MTDPS进行了11个月，24天的斗争后于2017年7月去世。“我们意识到这些疾病确实没有治疗方法。因此我们认为我们可以开始使用我们的干细胞模型系统来尝试寻找药物或治疗药物，”Stephen A. Duncan，D. Phil。，SmartState™椅子说。 MUSC的再生医学和本研究的资深作者。由于缺乏完全模仿MTDPS病理学的模型，新治疗方法的发现受到了阻碍。此外，来自患者的原发性肝细胞难以获得和使用。为了解决这个问题，Duncan和他的团队使用CRISPR / Cas9来消耗人诱导的多能干细胞中的脱氧鸟苷激酶(DGUOK)。然后，使用在Duncan实验室建立的方案，他们将这些敲除细胞分化为肝样细胞。
最常见的MTDPS，占15-30%的病例，是由于DGUOK的丢失造成的。在患者中，DGUOK的缺失减少了合成mtDNA所需的前体分子库，导致mtDNA水平降低和ATP水平降低。DGUOK缺陷细胞同样表现出mtDNA水平降低，ATP产生减少和线粒体形态紊乱。这些表型可以通过添加mtDNA合成的前体以及DGUOK的重新表达来逆转。“重述这种疾病，接下来的问题是我们能找到可以逆转这种疾病的药物，”邓肯说。该研究的下一阶段利用了目前市场上可获得的药物库，对可以恢复ATP水平的药物进行表型筛选。筛查确定了15种药物，影响了各种代谢过程，从而显着提高了ATP水平。出乎意料的是，对ATP产生影响最大的药物是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)，这是一种影响多种途径的辅酶。研究人员继续证明NAD通过激活转录级联起作用，导致ATP生成中涉及的线粒体蛋白表达增加。
“因为iPSC衍生的肝细胞使我们能够进行无偏见的表型筛查，我们能够识别出像NAD这样的意外药物，”Duncan实验室的第一作者和研究生Ran Jing博士说道。哈佛医学院的博士后研究员。为了完成他们的研究，研究人员使用DGUOK缺陷大鼠验证了他们的发现。这些动物不会死于疾病;然而，他们的肝脏仍然受到影响，并显示ATP产量减少。在动物模型中，NAD表现出较差的生物利用度，因此研究人员利用NAD前体烟酰胺核苷(NR)。与野生型大鼠相比，用NR表现出表现出疾病症状的DGUOK缺陷大鼠部分地恢复了它们的ATP水平。该发现对临床治疗MTDPS患者具有重要意义。“这不是你需要在发育过程中治疗，你应该能够在表型形成后对患者进行治疗并逆转它，而不仅仅是阻止它，”Duncan解释说。
为了将这些研究结果的范围扩大到其他形式的MTDPS，Duncan实验室还产生了RRM2B缺陷的肝样细胞，这种突变导致Charlie Gard中的MTDPS。这些细胞表现出降低的mtDNA和ATP水平，尽管不像DGUOK缺陷细胞那样剧烈。尽管如此，NAD的添加恢复了RRM2B缺陷细胞中的ATP水平，表明NAD可以为多种形式的MTDPS提供治疗。在这项研究中进行的强大的表型筛选确定了多种增加ATP产量的药物。为了进一步恢复线粒体功能，研究人员用NAD和曲米帕明(一种用于治疗抑郁症的药物)联合治疗DGUOK缺陷细胞，并发现ATP水平进一步增加，超过WT细胞中观察到的水平。使用其他药物组合的后续研究可以进一步完善MTDPS的最佳治疗方案。总的来说，这项研究突出了基础科学研究如何支持转化和临床医学。“最初的好奇心最终会迅速为真正生病或死亡的孩子开放潜在的治疗方法，”邓肯说。
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