A Transcriptomic Biomarker to Classify Chemical-Induced Histone Deacetylase Inhibition in Human HepaRG Cells
本研究开发并验证了一个包含102个基因的转录组特征谱 TGx-HDACi-HepaRG，该特征谱在人类 HepaRG 肝细胞中对组蛋白去乙酰化酶抑制剂的分类准确率达到了100%，为化学风险评估提供了一种极具前景的无动物生物标志物，尚需进一步的外部验证。
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环境中的化学物质有时会以一种难以察觉的方式伤害人体，直到损害已经造成。为了保护公众健康，科学家需要更好的方法，在物质接触人类之前预测其危险性。几十年来，这项工作在很大程度上依赖于对动物进行化学物质测试，但新一代的方法正在将重点转向在实验室中培养的人类细胞。这些“新方法”（new approach methods）旨在更快速、更廉价，并且与人类生物学更相关。这一转变的一个关键部分涉及观察化学物质如何改变基因的活性。基因是细胞内部的指令，当有毒化学物质进入人体时，它往往会扰乱这些指令，使某些基因开启，而关闭另一些。通过读取这些变化，科学家可以识别出化学物质造成的特定类型危害，例如它是破坏了 DNA，还是干扰了细胞管理其内部机制的方式。其中一种破坏涉及组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDAC 抑制剂）。这些化学物质会干扰一种被称为“去乙酰化”的自然过程，该过程有助于保持我们的 DNA 紧密包装和有序排列。当这一过程被阻断时，DNA 会变得过于松散，导致基因在错误的时间启动，并可能导致细胞死亡或癌症。识别这些特定的破坏者对于安全性测试至关重要，但用于寻找它们的工具在历史上一直局限于无法完全代表人类肝脏处理药物方式的细胞类型。
加拿大卫生部的研究人员及其国际合作伙伴致力于解决这一差距，他们专门为人类肝脏细胞开发了一种新的检测工具。肝脏是人体的主要化学处理工厂，许多物质在造成伤害之前都会在这里被分解。研究团队使用了名为 HepaRG 的高级人类肝脏细胞系，该细胞系以其模拟肝脏自然代谢功能的能力而闻名。他们将这些细胞暴露在二十二种精心挑选的不同化学物质中：八种已知的 HDAC 抑制剂和十四种不具有此效应的化学物质。目标是教计算机系统识别由 HDAC 抑制剂留下的独特“指纹”。研究人员在三天内用不同剂量的每种化学物质处理细胞，这个持续时间足以捕捉完整的生物反应，而不会立即杀死细胞。随后，他们使用一种称为 TempO-Seq 的高速测序技术测量了细胞中每个基因的活性，该技术就像一个快速扫描仪，可以读取细胞内的化学指令。
从这些海量数据中，科学家们确定了一组特定的 102 个基因，每当存在 HDAC 抑制剂时，这些基因的活性就会发生一致的变化。他们将这组基因命名为 TGx-HDACi-HepaRG。为了测试这个新工具是否有效，他们再次使用它来分析细胞，这次观察的是所测试的所有不同浓度的化学物质。结果非常准确。这个新的基因特征正确地将每一个 HDAC 抑制剂识别为威胁，并将每一个非抑制剂识别为安全，只有一个显著的例外：在测试的最低浓度下，该工具未能正确分类 HDAC 抑制剂 Panobinostat。它在广泛的化学强度范围内均表现出色，从极低剂量到高剂量，显示出该工具足够敏感，甚至能在引起明显的细胞死亡之前捕捉到这些破坏者。这种精确度至关重要，因为这意味着监管机构可以潜在地快速且可靠地筛选数千种化学物质，而无需依赖动物测试。
这项研究还揭示了关于不同细胞对相同化学压力反应的重要信息。研究人员将他们的新型基于肝脏的工具与另一种旧版工具进行了比较，后者是使用另一种不具备肝脏同等代谢能力的类型的人类细胞开发的。他们发现这两个工具几乎没有共同的基因；只有四个基因在两个列表中是相同的。这并非失败，而是一项发现。它表明，虽然最终的生物学结果——即细胞内部秩序的破坏——是相同的，但细胞到达该结果的路径高度取决于所涉及的细胞类型。肝脏细胞利用与其它细胞不同的基因集来发出压力信号。这一发现强化了这样一个观点：安全性测试必须针对所研究的具体器官或细胞类型进行定制，才能真正准确。一个为肝脏设计的工具必须使用肝脏细胞来构建，以捕捉该器官处理化学物质的独特方式。
除了识别这些化学物质外，研究人员还深入研究了这 102 个基因实际上在指示细胞做什么。分析表明，HDAC 抑制剂触发了一种涉及细胞周期控制、压力管理和清除受损细胞的协调反应。这些基因指向了特定的生物通路，例如调节细胞分裂以及如何应对氧化应激的通路。这证实了该工具不仅仅是在捕捉随机的噪声，而是在捕捉使这些化学物质变得危险的真实且复杂的生物机制。研究人员指出，虽然该工具在其用于构建的化学物质上表现完美，但仍需针对更多样化的物质进行测试，以证明其在所有现实场景中都能奏效。然而，这项研究的成功为未来奠定了坚实的基础。它证明了建立高度准确的、基于人类的化学品安全工具是可能的，并且能够尊重人类肝脏独特的生物学特性，为建立一个更现代、更有效的公众健康保护体系铺平了道路。
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