科学家诱导人干细胞形成复杂组织

林辉

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2016-01-11 生物通 最近，科学家开发出一种新的技术，可编程人类干细胞按需产生不同类型的组织，最终可能会允许研究人员为需要移植的患者，制备个性化的器官。: N3 j+ w. X; [; a8 O* s* i0 V
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这项技术是由麻省理工学院（MIT）的研究人员开发的，对于在芯片上制备器官样的组织，也有短期的影响，相关研究结果发表在1月6日的《Nature Communications》杂志。+ m" u0 t# ^+ h2 `; ^

+ N6 u0 o; o& J根据这项研究的负责人、麻省理工学院生物工程系教授Ron Weiss介绍说，利用来自患者自己的干细胞按需制备器官，可以消除人们在移植手术中的漫长等待。它也可以降低患者免疫系统排斥移植的风险，因为组织是从患者自身的细胞生长而来的。9 E  t$ M5 t, v( m
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Weiss说：“想象一下，有一名患有肝脏并发症的患者。我们可以取这名患者的皮肤细胞，然后将它们转换成干细胞，再通过遗传程序，使它们产生肝组织，并移植到病人体内。”
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发育不全的器官* `1 _; n2 n+ E0 H$ {7 r( e

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1 B8 C' C, {1 y1 Z7 l研究人员在尝试使用干细胞来产生胰腺β细胞、用于治疗糖尿病患者的过程中，开发了这项新技术。  Y4 o/ ~* U5 p5 M
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为了做到这一点，研究人员需要设计一种方法，按需地将干细胞转化为胰岛β细胞。& i7 L) b+ c2 h: @7 y' t. d9 Z

: q; q' d; @$ m; v6 p6 _9 n" z, A在这一过程的第一步，他们采用人类诱导多能干细胞（IPS）——干细胞来自于成纤维细胞或皮肤细胞，并将它们转换成“内胚层，”一个发育有机体的三种主要细胞类型中的一种。内胚层、中胚层和外胚层，组成了三个所谓的胚层，可产生全身几乎所有不同类型的细胞。Weiss说：“它们是细胞分化真正的第一步。”1 q6 c% h( r$ }3 l- @) _5 n% d
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研究人员开发了一种方法，使用一种叫做dox的小分子，来诱导IPS细胞表达一个称为GATA6的蛋白质。这个蛋白可以将IPS细胞转化为内胚层。+ J+ i( c1 \# b1 [5 l. V' i1 g( T

+ v( k' ]7 ?2 N" G- L0 Z  {0 n该论文的第一作者、Weiss实验室以前的博士后Patrick Guye并不是立即尝试将这些内胚层细胞转化为胰腺细胞，而是决定让这些细胞继续生长，以监测其进展情况。* B! ?! M; d( \7 M) Y
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3 c' z) U! H& Q, x3 `% N, Z两周后，研究人员发现，内胚层，和在细胞培养中也存在的一些中胚层，更加成熟，形成了一个肝“芽”，或小的未发育的肝脏。
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Guye说：“我们观察到，胎肝中的许多细胞类型开始发育，包括血管样网络、各种间充质前体的发育，以及早期红细胞和白细胞在我们肝样组织中的形成。这是特别令人兴奋的，因为，如果不是发生在体内早期肝芽中，这个过程看起来是非常相似的。”
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更重要的是，研究人员发现，只有那些IPS细胞一直被暴露在更多的遗传编程中，并因此继续产生更多的GATA6，成为肝组织。同时这些没有产生许多GATA6的IPS细胞，反而进一步形成外胚层，然后进一步成熟，成为早期端脑或前脑。# n" k7 s+ n7 V) x* p# m. _

+ p; }1 D$ e$ l# f" aWeiss说，通过控制细胞表达多少基因，研究人员能够确定生成了多少肝芽和前脑组织。这表明，该技术可以用来生产不仅仅个别组织类型，而且还能生产不同组合的组织。7 `, \# c  E4 `# i
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他说：“我们能够产生内胚层、中胚层和外胚层，这一事实给了我们很大的希望，我们可以选取这些胚层中的每一种，并可能成长为我们想要的任何类型的组织。”. N* M; y0 p" I% S

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芯片肝脏
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Weiss说，虽然还需要一段时间才能将该技术用于产生移植器官，但是，它可以被用来几乎即刻地制备不同的人体组织，用以测试新的药物。
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他说，利用人体干细胞来源的器官组织，测试新的治疗方法，可能远比动物试验更可靠，因为对一种药物，不同的物种可能有不同的反应。
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Weiss说：“该技术还可以允许临床医生进行患者特异性的药物测试。如果你不确定你服用一种特定药物之后是否会有并发症，那么在你服用之前，你可以在自己的芯片肝脏上面进行尝试。”
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同样地，芯片器官可以用来监测人们可能会服用的不同药物之间的相互作用。
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他说：“随着人们年龄的增长，有些人将10、15或20种药物组合在一起服用，然而，检测所有这些药物组合，对制药公司来说是不可能的。但我们可以进行测试。”/ N6 |$ V' f/ T" X& z5 S' i7 }
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除了这些治疗应用之外，该技术还可以让研究人员更好地了解不同类型组织（如肝和神经元）的发育。
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/ [$ T% @$ U+ l$ V- h" `$ @英国卡蒂夫大学组织工程教授Bing Song并没有参与这项研究，但是他指出，本文揭示了肝脏发育过程中干细胞相互作用的一些内在机制，并提供了一个有用的模型，可揭示胚胎发育过程中的复杂过程。
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3 Y7 e: C- o4 y1 v' b他说：“我的领域是将基因修饰的干细胞和物理刺激（电和磁场）结合起来，治疗脊髓损伤和退行性疾病，本文给了我一些非常有用的想法。”
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* p  P3 q9 t: n; w现在，研究人员希望调查，他们是否能够使用这种技术来按需地生产其他器官，比如胰腺。