両生類と人間は多くの点で異なりますが、MITの生物学と生物工学の教授であるLaurie Boyerは、それらの違いのXNUMXつに特に興味を持っています。 特定の種類の両生類や魚は、怪我の後に再生して心臓を癒すことができます。 対照的に、心臓発作や特定の薬への曝露の場合など、心臓への外傷を経験した成人は、損傷を修復することができません。 多くの場合、負傷した心臓は心不全につながる可能性のある瘢痕組織で終わります。

この分野での最近の研究は、マウス、そして人間でさえ、出生後の短期間で心臓を修復する能力があることを示しています。 しかし、ほんの数日経っても、その能力は止まり始めます。 「心臓は、怪我、病気、または老化に反応して自分自身を修復する能力が非常に限られています」とボイヤーは言います。

BoyerLabのポスドクであるAlexanderAuldは、心臓細胞を成熟させて再生能力を失う主要な細胞メカニズムを研究しています。 具体的には、血液を送り出す心臓細胞である心筋細胞が、収縮と弛緩を繰り返す能力をどのように発達させるかを理解することに興味を持っています。 オールドは、出生後に心筋構造を組み立てるための信号として機能するタンパク質の機能をテストします。 これらの構造の組み立ては、再生能力の喪失と同時に起こります。 

「私はつなぎ合わせようとしています。心筋細胞を押して収縮装置を組み立て、分裂を停止させるさまざまなメカニズムは何ですか？」 オールドは言います。 「このパズルを解くことは、成人の心筋の再生を刺激する可能性があるかもしれません。」

「再生生物学の聖杯は、自分の心臓細胞を刺激して自分自身を補充することです」と、2007年にMITの教員に加わったボイヤーは言います。「このアプローチが可能になる前に、私たちは基本的なプロセスを深く理解する必要があります。心臓の発達を促進します。」

ボイヤーの研究室では、心臓の発達に影響を与えるために相互作用するさまざまな信号と遺伝子の数を研究しています。 この研究は、誤った規制がどのように病気につながる可能性があるかをよりよく理解することを可能にし、またさまざまな心臓病に苦しむ人々のための新しい治療法を可能にするかもしれません。

重要な接続

最近、ボイヤーの研究室は、21トリソミーまたはダウン症の人々の心臓の発達を研究しています。 毎年、米国で生まれた6,000人の赤ちゃんがダウン症にかかっています。 約半分に心臓の欠陥があります。 ダウン症の赤ちゃんで最も一般的な心臓の欠陥は、心内膜床欠損症と呼ばれる心臓の中心の穴です。 多くの場合、手術で修復されますが、修復は瘢痕組織や心血管系の合併症を引き起こす可能性があります。

体細胞は、生物の体を構成する細胞です。 それらは、生殖に使用される性細胞とは異なります。 ほとんどの人は、体の体細胞に、46対に配置された23本の染色体を持っています。 症例の95％で、ダウン症は、人が21番染色体のコピーを47つではなくXNUMXつ持っている場合に発生します。つまり、細胞あたり合計XNUMXの染色体があります。 これは、細胞に異常な数の染色体がある場合の異数性の例です。 余分な染色体に適応しようとする細胞の試みは、心臓の細胞を含む体の細胞にストレスを引き起こす可能性があります。

MITの アラナダウン症センター （ADSC）は、生物学者、神経科学者、エンジニア、およびその他の専門家を集めて、ダウン症に関する知識を増やします。 ADSCは、生物学の教授でコッホ統合がん研究所のメンバーであるアンジェリカアモンと、ピコワー教授でピコワー学習記憶研究所の所長であるLi-Huei Tsaiが率いる、2019年初頭に発足しました。 アモンは卵巣癌との戦いの後、53年に2020歳で亡くなりました。 MITで、エイモンは異数性が細胞に及ぼす影響を研究していました。

「私にインスピレーションを与えてくれたアンジェリカとの多くの素晴らしい科学的および個人的な話し合いの中で、心臓発生の文脈で21トリソミーを研究することで、最終的にこれらの個人の生活を改善できることが明らかになりました」とボイヤーは言います。

心変わり

ボイヤーのグループは、研究を行うために、体細胞の再プログラミングによって得られたヒト人工多能性細胞（hiPSC）を使用しています。 革新的な技術は、2012年にノーベル生理学・医学賞を受賞したジョン・B・ガードン卿と山中伸弥によって開発されました。 再プログラミングは、ある特定の機能を備えた特殊な成熟体細胞を、別の機能を備えた特殊な成熟体細胞に変換することによって機能します。

ボイヤーの研究室では、ダウン症の成人のhiPSCを使用し、体細胞の再プログラミングによって心筋細胞に変換します。 次に、それらの心筋細胞を、ダウン症を患っていない個人からの再プログラムされた細胞と比較します。 この研究は、ダウン症の人の余分な染色体が先天性心疾患を引き起こす可能性がある理由を推測するのに役立ちます。

「これで、心臓の発達に影響を与える21トリソミー心臓細胞の欠陥のある信号と遺伝子を特定し始めることができます」とボイヤーは言います。 「そして同じ考えで、これらの欠陥を実際に改善または修正する方法を発見することもできます。」

この手法を使用すると、チームは特定の患者の細胞発達の側面が臨床症状とどのように相関しているかを追跡できます。 患者固有の細胞を分析する能力は、個別化医療にも影響を与えるとボイヤー氏は言います。 たとえば、患者の皮膚や血球は、より簡単に入手でき、心筋細胞などの高度に特殊化された成熟細胞に変換され、心臓に損傷を与える可能性のある薬物に対する反応をテストできます。彼らはクリニックに到着します。 このプロセスは、心不全患者の転帰を改善できる新しい治療法をスクリーニングするためにも使用できます。

ボイヤーは、2020年XNUMX月にMIT、ADSC、マサチューセッツ工科大学、LuMind IDSC財団が共催したニューイングランドダウン症シンポジウムで、ダウン症に関するグループの研究を発表しました。

操作の中心

ボイヤーの研究室では、工学、生命科学、コンピューターサイエンスの学部、大学院、ポスドクのレベルの学生を雇用しています。それぞれがチームに独自の専門知識と価値をもたらしているとボイヤーは言います。

「誰もが歓迎されていると感じ、これらの基本的な発見に貢献できると感じているラボを持つことが私にとって重要です」とボイヤーは言います。

Boyer Labは、MITのさまざまな分野の学者と協力することがよくあります。 「それは本当に素晴らしいです」とAuldは言います。 「複数のツールと視点を使用して問題を調査できます。」

あるプロジェクトは、機械工学の教授であるGeorge Barbastathisと共同で、画像ベースの機械学習を使用して、細胞の発達を知らせるタンパク質が操作されたときの心筋細胞内の構造の違いを理解しています。 Auldは、機械学習アルゴリズムが分析できる高解像度の画像を生成します。

別のプロジェクトは、生物工学科の教授であるエド・ボイデンおよびマクガヴァン脳研究所と共同で、心臓細胞のハイスループットイメージングを可能にする新技術の開発を含みます。 ボイヤー氏によると、MITの部門や専門分野を超えた他家受粉は、「キャンディーショップの子供」のように感じることがよくあります。

「私たちの仕事が最終的に人間の健康に影響を与える可能性があることは私にとって非常に充実しており、私たちの科学的発見を使用して医学的結果を改善する能力は私の研究室の重要な方向性です」とボイヤーは言います。 「MITの巨大な才能と、ここにいる全員が協力する興奮と意欲を考えると、人々の生活に変化をもたらす可能性のある重要な問題を解決する前例のない機会があります。」