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虚拟组织技术揭示了多囊肾疾病的新药物靶标

印第安纳大学的研究人员使用虚拟组织技术,确定了对抗多囊性肾脏病的潜在新药靶点。多囊性肾脏病是未经FDA批准的有效治疗方法,每年在美国影响20万人。

该研究发表在《细胞分子生物学》杂志上。它揭示了细胞如何结合在一起的错误导致了两种形式的肾囊肿。

这些囊肿可导致成年的肾脏(通常只有拳头大小且重量不到一磅)长到重量为20至30磅的橄榄球大小。当前,仅透析或肾脏移植可以延迟该疾病的死亡。

IU医学院副教授Robert L. Bacallao博士说:“这是第一个显示由与多囊性肾病有因果关系的基因突变引起的实际细胞行为的研究,这是迈向治疗之路的重要新一步。”印第安纳波利斯医学院。

这项研究中使用的技术是由IU信息与计算学院的生物复杂性研究所开发的,由IU Bloomington的智能系统工程系教授James A. Glazier指导。生物复杂性研究所的Julio Belmonte和Sherry G.Clendenon是该论文的主要作者。

Glazier说:“医学研究人员很少采用虚拟组织技术。” “使用这些模拟方法的大多数研究人员都在追求基础科学。因此,将这项技术应用于旨在确定可帮助特定疾病患者的药物靶点的研究非常令人兴奋。”

为了进行这项研究,Glazier的团队使用了Bacallao的医学研究数据,使用开源软件程序开发了虚拟的肾单位,即肾的核心,管状功能单元。该程序名为CompuCell3D,由生物复杂性研究所的Maciej Swat开发,他也是该论文的合著者。该计算机模型模拟了由PKD1和PKD2(涉及多囊性肾脏疾病的基因)突变触发的细胞活性。

模拟结果表明,这些肾单位中细胞的两种类型的变化可导致囊肿,这都与细胞如何黏在一起有关。细胞可能无法充分粘在一起,这被称为细胞粘附力降低,或者它们可以正常粘在一起,但不能以正确的方式对这种接触做出反应,这被称为失去接触抑制。

由于细胞黏附力降低而引起的囊肿呈蘑菇状,茎杆和囊盖占囊肿的大部分。由失去接触抑制作用引起的囊肿沿肾单位壁像斑块一样增生,然后弯曲形成“杂乱无章”的囊肿。在CompuCell3D软件生成的视频动画中可以看到两种类型的增长。

在IU Bloomington进行模拟后,Bacallao证实了使用IU医学院患者多囊肾培养的真实人细胞在实验中发现的虚拟囊肿中的囊肿生长预测。

Bacallao说:“计算机的预测是绝对正确的。”他估计,相同的实验需要花费数周的时间,才能在小鼠中进行10至20年。

该研究也是第一个证实多囊肾疾病中存在两种类型的囊肿的研究。Bacallao说,以前对两种类型的囊肿的唯一提及是在1972年对多囊性肾脏解剖的一个被遗忘的描述中。

Glazier说:“现在我们知道我们正在研究以两种不同方式发展的两种不同类型的囊肿,我们将完善计算机模型以识别导致每种类型囊肿的特定分子信号。” 识别这种作用方式是寻找延缓或预防囊肿发展的药物治疗的关键一步。”

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