誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞快速和地產(chǎn)生12種高純度的中胚層細(xì)胞群體

在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員繪制出快速地和地指導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞變成骨細(xì)胞,、心肌細(xì)胞和軟骨細(xì)胞等12種細(xì)胞中任何一種純的細(xì)胞群體所必需的生物學(xué)信號(hào)和化學(xué)信號(hào),。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2016年7月14日那期Cell期刊上,，論文標(biāo)題為“Mapping the Pairwise Choices Leading from Pluripotency to Human Bone, Heart, and Other Mesoderm Cell Types”。論文通信作者為斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)研究所主任Irving Weissman博士和新加坡基因組研究所研究員Lay Teng Ang,。論文*作者為來(lái)自斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)研究所的研究生Kyle Loh和研究助理Angela Chen,。

在幾天內(nèi)而不是之前需要幾周或幾個(gè)月制造這些純的細(xì)胞群體的能力是實(shí)現(xiàn)臨床上有用的再生醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵一步---潛在地允許科學(xué)家們產(chǎn)生新的跳動(dòng)的心臟細(xì)胞來(lái)修復(fù)心臟病發(fā)作后的損傷，或者制造軟骨或骨組織讓破舊的關(guān)節(jié)再次恢復(fù)新的活力或從創(chuàng)傷中愈合,。

這項(xiàng)研究也強(qiáng)調(diào)了關(guān)鍵的胚胎分節(jié)（embryo segmentation）期間發(fā)生的但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)的基因表達(dá)模式,，并且證實(shí)人發(fā)育似乎依賴(lài)在很多動(dòng)物中進(jìn)化上保守的過(guò)程,。這些認(rèn)識(shí)可能也有助更好地了解先天缺陷是如何發(fā)生的。

Weissman博士說(shuō),，“再生醫(yī)學(xué)依賴(lài)將人多能性干細(xì)胞分化為能夠移植到病人體內(nèi)并且發(fā)揮功能的特化組織干細(xì)胞的能力,。我們花了幾年時(shí)間才能夠分離出造血干細(xì)胞和造腦干細(xì)胞（brain-forming stem cell, 即形成大腦的干細(xì)胞）。在這項(xiàng)新的研究中,，我們利用我們對(duì)很多其他動(dòng)物模型發(fā)育生物學(xué)的了解提供號(hào)因子和負(fù)信號(hào)因子來(lái)指導(dǎo)這些組織干細(xì)胞和器官干細(xì)胞的發(fā)育選擇,。在5到9天內(nèi)，我們能夠產(chǎn)生幾乎所有我們需要的純細(xì)胞群體,。”

探究奧秘

胚胎干細(xì)胞是多能性的,，這意味著它們能夠變成體內(nèi)任何一種細(xì)胞。為了做到這一點(diǎn),，它們對(duì)發(fā)育中的胚胎內(nèi)的多種時(shí)間特異性和位置特異性的信號(hào)作出應(yīng)對(duì),，從而指導(dǎo)它們變成特定類(lèi)型的細(xì)胞。針對(duì)這種過(guò)程在魚(yú),、小鼠和青蛙等動(dòng)物中如何受到控制,，科學(xué)家們已了解很多。

不同于很多其他動(dòng)物的是,，人胚胎發(fā)育是一個(gè)神秘的過(guò)程,，特別是在受孕后的頭幾個(gè)星期內(nèi)。這是因?yàn)樵隗w外培育人胚胎超過(guò)14天在許多國(guó)家和科學(xué)界是被禁止的,。但是科學(xué)家們確實(shí)知道像其他動(dòng)物一樣,，zui早階段的人胚胎由三個(gè)胚層組成：外胚層、內(nèi)胚層和中胚層,。

當(dāng)胚胎發(fā)育時(shí),，每種胚層負(fù)責(zé)產(chǎn)生某些類(lèi)型的細(xì)胞。比如,，中胚層產(chǎn)生關(guān)鍵的細(xì)胞類(lèi)型,，包括心肌細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞,、結(jié)締組織細(xì)胞,、骨細(xì)胞、血管細(xì)胞,、血細(xì)胞,、軟骨細(xì)胞、某些腎細(xì)胞和皮膚細(xì)胞,。

Loh說(shuō),，“產(chǎn)生這些純的細(xì)胞群體的能力對(duì)任何一種臨床重要的再生醫(yī)學(xué)而言是非常重要的，而且有助繪制出人胚胎發(fā)育的基本路線(xiàn)圖,。在此之前,，制造這些細(xì)胞需要幾周到幾個(gè)月的時(shí)間,，這主要是因?yàn)椴荒軌驕?zhǔn)確地控制細(xì)胞命運(yùn)。其結(jié)果就是,，科學(xué)家們zui終獲得不同類(lèi)型細(xì)胞的混雜物,。”

Loh和Chen想知道是什么信號(hào)驅(qū)動(dòng)源自中胚層的每種細(xì)胞類(lèi)型的形成。為了做到這一點(diǎn),，他們利用人胚胎干細(xì)胞系開(kāi)展研究,，隨后通過(guò)化學(xué)信號(hào)誘導(dǎo)讓它們轉(zhuǎn)化為形成早期胚胎的中空細(xì)胞球表面上的原條（primitive streak）。他們接著利用已知信號(hào)分子（包括WNT,、BMP和Hedgehog）的不同組合開(kāi)展實(shí)驗(yàn),，以便誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞變成更加特化的前體細(xì)胞。

一種既肯定又否定的策略

他們了解到人胚胎干細(xì)胞經(jīng)常在眾多兩種可能的選擇中進(jìn)行一系列連續(xù)的選擇,，從而沿著發(fā)育途徑進(jìn)行發(fā)育,。

zui快捷和zui有效的在微觀(guān)上調(diào)節(jié)人胚胎干細(xì)胞發(fā)育選擇的方法是促進(jìn)它們分化為一種細(xì)胞類(lèi)型，同時(shí)也積極地阻斷它們選擇另一種不同的細(xì)胞命運(yùn)---一種既“肯定”又“否定”策略,。

例如,，原條中的細(xì)胞能夠變成內(nèi)胚層細(xì)胞或者兩種中胚層細(xì)胞中的一種。抑制TGF-β的活性促進(jìn)這些細(xì)胞選擇一種中胚層細(xì)胞命運(yùn),。加入一種信號(hào)分子WNT,，同時(shí)阻斷另一種分子BMP的活性，促進(jìn)這些細(xì)胞分化為一種中胚層細(xì)胞,；相反地,，加入BMP，同時(shí)阻斷WNT,，促進(jìn)這些細(xì)胞變成另一種中胚層細(xì)胞,。

Loh說(shuō)，“在這個(gè)過(guò)程中,，我們了解到同樣重要的是,，要理解不想要的細(xì)胞類(lèi)型是如何產(chǎn)生的，并且發(fā)現(xiàn)一種阻斷這個(gè)不想要的過(guò)程,，同時(shí)促進(jìn)發(fā)育途徑沿著我們真正想要的方向進(jìn)展下去,。”

通過(guò)在發(fā)育途徑中的每個(gè)分叉口，仔細(xì)地指導(dǎo)這些細(xì)胞的選擇,，Loh和Chen能夠讓它們產(chǎn)生骨細(xì)胞前體細(xì)胞（bone cell precursor）,，而且當(dāng)將這些骨細(xì)胞前體細(xì)胞移植到實(shí)驗(yàn)室小鼠體內(nèi)時(shí)，能夠形成人骨組織,，此外,，這些前體細(xì)胞還能產(chǎn)生跳動(dòng)的心肌細(xì)胞和另外10種中胚層細(xì)胞系,。

在每個(gè)發(fā)育階段,，研究人員進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序以便鑒定*的基因表達(dá)模式和評(píng)估單個(gè)細(xì)胞群體的純度,。通過(guò)研究單個(gè)細(xì)胞中的基因表達(dá)譜，他們能夠鑒定出之前未知的瞬時(shí)狀態(tài)（transient state）,，這些瞬時(shí)狀態(tài)是前體細(xì)胞分化為更加特化的細(xì)胞時(shí)的典型特征,。

特別地，他們觀(guān)察到在人胚胎分節(jié)后形成將發(fā)育為人體的頭部,、軀干和四肢的不連續(xù)部分之前出現(xiàn)的基因表達(dá)瞬時(shí)脈沖,。這個(gè)過(guò)程反映了已知在其他動(dòng)物體內(nèi)發(fā)生的情形，并且證實(shí)人胚胎發(fā)育中的這個(gè)分節(jié)過(guò)程在進(jìn)化上是保守的,。

Loh說(shuō),，“胚胎分節(jié)是人發(fā)育的一個(gè)基本步驟。如今,，我們能夠看到它是一個(gè)非常保守的過(guò)程,。”了解分節(jié)和其他關(guān)鍵發(fā)育步驟何時(shí)和如何發(fā)生可能有助理解當(dāng)這些步驟發(fā)生差錯(cuò)時(shí)，先天性出生缺陷如何產(chǎn)生,。

快速產(chǎn)生純的特化前體細(xì)胞群體的能力為進(jìn)一步開(kāi)展研究打開(kāi)大門(mén),。

Loh說(shuō)，“接下來(lái),，我們想要證實(shí)這些不同的前體細(xì)胞能夠再生它們各自的組織,，而且甚至可能緩解動(dòng)物模型中的疾病。”