对镰状细胞病构建模块的最精确测量可能会导致新的治疗方法

在对镰状细胞病的突破性研究中，明尼苏达大学理工学院的生物医学工程师们发现，这种疾病的基石组织效率低于先前的预期。

研究结果为全球约有2000万患有终生疾病的人提供了新的治疗方法，包括可以较低剂量开出的新药。这项研究包括分子水平上最精确的疾病测量，发表在美国科学促进协会期刊Science Advances上。

“尽管几十年前人们已经知道导致镰状细胞病在分子水平上发生的原因，但是没有人在这个细节水平上研究这种疾病，”明尼苏达大学生物医学工程副教授大卫·伍德说。该研究的主要作者。“我们在纳米尺度上发现的是非常令人惊讶的。我们发现疾病自组装过程效率低于我们的想象，这意味着开发新药物可能更容易，这种药物在较低剂量下会有效并且会导致更少的副作用对患者的影响。“

镰状细胞病是一种遗传性终身疾病，会引起红细胞内蛋白质的问题，称为血红蛋白。血红蛋白分子在整个身体内携带氧气。对于镰状细胞病，血红蛋白分子形成纤维，其作用类似于红细胞内的硬杆。这些纤维的形成使红细胞变硬，并且可以将形状从圆盘形改变为新月形或镰刀形。

当红细胞变硬时，它们会导致血管阻塞，从而减缓或阻止血液流动。当发生这种情况时，氧气无法到达附近的组织。缺氧会影响整个身体，导致严重的疼痛，增加中风的风险，并导致感染。

明尼苏达大学的这项研究的研究人员使用可以测量纳米级分子的显微镜和照相机，对单镰刀血红蛋白纤维组件进行了最高分辨率测量。他们的测量表明，先前的研究中低估了镰状血红蛋白的添加和丢失率。新的结果表明，镰状血红蛋白自组装过程非常迅速和低效。他们发现，该过程的效率为4%，而研究人员此前认为的效率为96%。

“这有点像堆叠乐高积木建造一座塔，”伍德说。“对于每100个LEGO，只有四个实际上留在塔楼的一部分。我将不得不再堆叠另外100个LEGO以留下另外四个。这告诉我们这是一个比以前想象的更低效的过程，并且它不会不要用太多的药来破坏这个过程。“

目前，镰状细胞病患者只能使用两种经FDA批准的药物。虽然目前正在开发新的现有药物替代品来治疗这种疾病，包括干细胞移植和基因治疗，但伍德表示，发展中国家数百万患有这种疾病的人可能无法获得这些治疗方法。

在全球范围内，估计每年有300,000名婴儿出生时患有镰状细胞病。在发展中国家，它仍然是婴儿和儿童的主要杀手，特别是在撒哈拉以南非洲和印度，估计有50%至90%的镰状细胞病婴儿将在5岁之前死亡。在美国，几乎100,000人患有镰状细胞病。美国疾病控制和预防中心估计，镰状细胞病每365名黑人或非洲裔美国人中就有1名出生，每16,300名西班牙裔美国人分娩中就有1名出生。美国镰状细胞病患者的预期寿命中位数为47岁。

“我们希望我们在这项研究中披露的新信息能够在全球范围内产生巨大的影响，开发出能够帮助数百万人的药物和其他治疗方法，”伍德说。

伍德与明尼苏达大学生物医学工程系教授David Odde和博士后研究员Brian Castle合作进行了这项研究。这项研究建立在Odde先前研究类似的癌症微管装配的基础之上。

“我们认为我们可以应用我们学习的研究微管，它是癌症治疗的重要目标，对镰状细胞病，我们是正确的，”奥德说。“这显示了合作研究的力量。我的专业领域是研究癌症中的微管自组装，而伍德教授已经研究镰状细胞病已有十多年了。通过合作，并引入Castle博士的纳米级专业知识成像和分析，我们觉得我们取得了重大突破。“