Innopsys生物芯片扫描仪助力遗传疾病原发性纤毛运动障碍的研究
原发性纤毛运动障碍(Primary ciliary dyskinesia, PCD)是一种由基因缺陷导致的纤毛结构和功能障碍的全身性遗传疾病。随着对PCD遗传学的不断研究，目前已证实有40多个基因参与了PCD的发病过程，约70%的患者可通过基因检测得到有效诊断。虽然PCD患者具有不同的基因突变和分子发病机制，但都具有共同的临床特征，如反复的呼吸道感染，及伴有中性粒细胞数量异常。在PDC的多数临床研究中较多集中于动力蛋白轴突重链5 (Dynein axonemal heavy chain 5, DNAH5)这一突变基因，其位于纤毛轴突，然而这些特异性的纤毛基因缺陷与免疫系统异常之间的联系还不清楚。
在以往研究中，研究人员一般利用基因敲除小鼠、斑马鱼或小鼠气道类器官构建具有典型突变的PCD模型。但这些方法不仅构建复杂，而且由于物种差异并不能很好的重现PCD在人类中的特征。因此，来自四川大学中国妇幼儿出生缺陷及相关疾病重点实验室的研究团队，利用DNAH5突变患儿的支气管活检样本为研究对象，构建类器官模型并进一步利用组织学、蛋白质组学和分子生物学等手段研究DNAH5突变与PCD发病机制之间的关系，并在2022年《CELL》期刊上发表该文章。
首先，作者利用患儿活检样本作为细胞来源，进行细胞传代培养并构建类器官。在此基础上，利用高速显微镜、流式细胞术、WB、数字PCR和测序等技术从各个角度研究不同组别类器官的差异。高速显微镜分析表明，DNAH5突变的气道类器官与正常气道类器官相比，形态异常，空腔壁较厚；微管蛋白染色显示，携带DNAH5突变的患者样本中，纤毛数量显著减少；作者用呼吸道合胞病毒（RSV病毒）感染实验组和对照组类器官，研究DNAH5突变对于病毒感染引起的细胞因子免疫应答的影响，使用法国innopsys品牌的InnoScan 300微阵列扫描仪（现型号为Innoscan 710）对Raybiotech (Quantibody human inflammatory array 3)微阵列芯片进行分析。实验结果表明，RSV感染引起DNAH5突变模型中8种细胞因子(G-CSF、GM-CSF、MCSF、IL-6、IL-11、TIMP-1、TIMP-2和TNFR1)表达下调，1种细胞因子IL-8表达上调(图1)。既往研究表明，这8种下调的细胞因子与呼吸道上皮细胞对RSV感染的免疫应答过程密切相关，结合本研究，说明DNAH5缺陷可导致细胞炎症因子释放减少，进一步降低气道上皮的免疫应答能力，提示这可能是PCD患儿反复发生呼吸道感染的原因。
图1 InnoScan 300微阵列扫描结果统计示意图
除此之外，通过单细胞RNA测序等实验显示，与正常细胞相比DNAH5突变的基底细胞中，Wnt激动剂表达较低，TGF-β/BMP抑制剂表达较高；对于纤毛细胞，纤毛长度主要受TGF-β通路调节，免疫应答主要受Wnt通路调节，提示Wnt和TGF-β通路的低表达可能是DNAH5突变类器官纤毛功能和免疫应答受损的主要原因。
综上所述，患儿类器官构建是研究PCD的有效手段之一，DNAH5突变不仅导致微管结构功能改变，而且影响类器官的免疫应答反应，最终引起患者感染呼吸道系统疾病发病率显著高于正常水平。
原文链接：https://doi.org/10.3390/cells11244013
Innopsys 成立于1999年。总部位于法国，一直致力于生物医学领域相关仪器和软件的自主研发和生产。Innoscan系列扫描仪，采用先进的共聚焦PMT检测器和多激光扫描光路，可以同时进行多通道荧光检测。不仅有效降低了荧光光漂白现象以及信号损失，还可以有效缩短扫描时间。在基因组和蛋白组表达，基因突变，SNP检测，CGH，细菌病毒检测，肿瘤特异性标志筛查，病理组织筛查等方面都有非常广泛的应用。
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