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前沿 | 用CRISPR诱发肿瘤,MIT带来结直肠癌研究新法

导语:

转移是结直肠癌最常见的死亡原因之一。然而,一直以来都没有能够研究结直肠原发肿瘤转移的有效方法。近日,麻省理工学院(MIT)的研究人员使用CRISPR基因编辑技术在小鼠体内生成了结直肠肿瘤。这种肿瘤会扩散到肝脏,与人类结直肠癌的行为十分相似。这项研究成果可以帮助科学家更深入地了解肿瘤进展情况,测试新的癌症疗法。



▲本项研究的作者之一是MIT大牛Tyler Jacks博士(图片来源:MIT)


该研究由美国麻省理工学院Koch癌症研究所(Koch Institute for Integrative Cancer Research)主导,成果发表在5月1日的《自然》子刊《Nature Biotechnology》上。

Koch癌症研究所所长Tyler Jacks博士也是本文的作者之一,他表示:“CRISPR技术已经给癌症研究的许多方面带来革新,包括以更快速、更精准地建立疾病小鼠模型,这项研究就是个很好的例子。”

模拟人类肿瘤
多年来,癌症研究者通常采用两种方法来建立癌症模型。一种是在实验室培养癌细胞系——永生化的人类癌细胞。科学家用这些二维的细胞系发现了很多癌症机制,但是它们仍然存在较大的局限性——不能真正体现肿瘤复杂的体内环境。

另一种广泛使用的技术是基因工程小鼠,后者携带易于引发癌症的基因突变。然而,繁殖这种小鼠可能需要数年时间,特别是当需要插入多于1个癌症相关的突变时。


▲CRISPR技术原理(图片来源:Cambridge University Press)

最近,研究人员已经开始使用一种新技术——CRISPR基因编辑来建立癌症模型。研究细菌免疫系统的生物学家最初发现的CRISPR由DNA切割酶Cas9和靶向特定基因组序列的RNA短链组成,后者指示Cas9在什么位点进行剪切。使用该技术,科学家们可以在活体基因组中引入靶向突变,以及删除或插入新的基因。

本文的通讯作者、MIT的Yilmaz教授研究出一种称为“类器官”(organoid)的微型组织,可以准确地模拟结直肠三维结构。他和同事们使用CRISPR将致癌突变引入“类器官”内,然后通过结肠镜把“类器官”送进小鼠的结肠,使其附着在结肠上,并生长成为肿瘤。这样的肿瘤模型能够模拟人类肿瘤的许多特征。

更精准的建模
在小鼠中成功建立肿瘤模型后,研究人员还可以随时引入新的突变,从而能够研究每种突变类型对肿瘤发生、进展和转移的影响。

大约30年前,科学家就发现人类的结直肠肿瘤会发生一系列致癌突变。但是到目前为止,还没有办法能够在小鼠模型中准确地模拟这些突变的顺序。在患者体内,突变不会一次性发生,而是在肿瘤侵袭性、浸润性和转移性变得更强的进展过程中不断累积。


▲该研究建立的模型有望加速结直肠癌的研究(图片来源:MIT)

麻省理工学院的研究团队先在“类器官”中引入APC基因突变,这是80%结肠癌患者都会出现的起始突变。一旦突变肿瘤建立成功,他们就继续引发KRAS突变(在结肠和许多其它癌症的常见突变)。此外,研究人员也把CRISPR组件直接输送到结肠壁,通过APC和P53基因编辑快速建立结直肠癌模型。

P53和KRAS突变模型证明了这套CRISPR基因编辑和“类器官”移植的方法可以用来快速建立任何癌症相关的基因突变模型。只需要用CRISPR进行非常基础的基因编辑,这种新方法就能将基因工程小鼠的发育时间从两年缩短到仅仅几个月。

此外,这项研究还证明了患者的癌细胞可以培育成为能植入小鼠的“类器官”。这能使医生以个体化医学的方式,针对患者自身的肿瘤细胞测试各种治疗方案。

哈佛大学(Harvard University)研究干细胞和再生生物学的Fernando Camargo教授认为,这项研究是结直肠癌研究的重要进展。“这是一个非常灵活的模型,可以用来开展结直肠癌的各种研究,从与肿瘤进展和转移有关的基础生物学研究,到可能的药物检测。”

参考资料:
[1] New model could speed up colon cancer research

[2] In vivo genome editing and organoid transplantation models of colorectal cancer and metastasis


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