“胚胎干细胞体外视网膜自组织发育研究”赏析

tpwang

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% s5 e+ f9 a2 Y: [) Y. hSelf-organizing optic-cupmorphogenesis in three-dimensional culture7 APRIL 2011 | VOL 472 | NATURE | 51' b+ c1 R! [, ^4 H
Mototsugu Eiraku1,2, Nozomu Takata1, Hiroki Ishibashi3, Masako Kawada1, Eriko Sakakura1,2, Satoru Okuda3, Kiyotoshi Sekiguchi4, Taiji Adachi3,5 & Yoshiki Sasai1,2
% x" X" Y1 L8 M" c$ Z/ d1Organogenesis and Neurogenesis Group, RIKEN Center for Developmental Biology, Kobe 650-0047, Japan. 2Four-Dimensional Tissue Analysis Unit, RIKEN Center for Developmental Biology, Kobe 650-0047, Japan. 3Department of Biomechanics, Institute for Frontier Medical Sciences, Kyoto University, Kyoto 606-8507, Japan. 4Laboratory of Extracellular Matrix Biochemistry, Institute for ProteinResearch, Osaka University, Suita 565-0871, Japan. 5Computational Cell Biomechanics Team, VCAD System Research Program, RIKEN, Wako 351-0198, Japan
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日本人在《自然》杂志上发表的这个研究成果最近比较热，与诱导胚胎干分化为特定细胞用于细胞移植治疗方向不同，这属于在体外环境中直接诱导胚胎干细胞向复杂组织结构发育的思路，值得学习一下。日本神户大学这个研究组以前曾发表胚胎干体外大脑皮层结构自发育、没有上皮结构的视网膜自发育、视网膜上皮自发育等，核心手段是一个加了basement-membrane matrix components (matrigel)的悬浮状3D培养条件。最新这项研究的主要成果是在这个培养条件下得到了视网膜发育过程中的关键结构“opitical cup”及其后续自分化为各种视网膜细胞包括感光细胞的结果，这是一个分阶段的时间和空间自动过程，各阶段的形态学与分子水平变化与现有体内发育认识相吻合，而且研究者将这个时空过程系统地录了下来，使得能够直观地观察发育过程。并且，这个过程可以在几个特定变量上用计算机来模拟。+ S* {. _/ a7 X6 S) e
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这篇文章的关键“字眼”是“自”（Self），题目是“3D培养环境下光杯形态自组织成型”（Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture），关键步骤包括Optic-cup self-formation in 3D ES cell culture，Self-patterning into neural retina and RPE domains，Self-directed stratification of neural retina tissue等。而且，这个3D培养条件下的自动化过程背后的动力是细胞群体内潜伏的内在自组织机制（latent intrinsic self-organizing program），因为这个自动化过程并没有外在因素如其它细胞组织结构的接触与外来力量的参与（激光打孔不影响）。
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1 R: o6 w9 S+ Y% l& Y; E- r9 i用作者自己的话来说，该研究的结论为：This study has revealed that the complex morphogenesis of the retinal anlage, at least in the in vitro context, possesses a ‘latent intrinsic order’ involving dynamic self-patterning and self-formation driven by a sequential combination of local rules and internal forces within the epithelium. The in vivo situation should be certainly more complex, and extrinsic signals and forces from external structures (for example, the surface ectoderm, lens and periocular mesenchyme) as well as space constraints presumably work together with this intrinsic order to reinforce robust retinal morphogenesis. 作者也指出自然的体内过程一定更复杂，细胞群的外在信号和结构力量以及发育空间的限制应该与这些所谓内在机制共同作用，构成完整的发育过程。
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7 d% Y; p5 \4 G" ?" ]" Q简而言之，该研究的主要成果包括：（1）证明胚胎干细胞具有体外形成复杂组织器官结构的潜能；（2）提示胚胎干细胞（群）或分化结构具有内在的自组织机制与进一步自动分化机制；（3）发展了可诱导多能干细胞体外发育的3D培养条件；（4）提供了体外检测与直观观察胚胎干细胞发育为复杂光杯及其分化过程的平台等。5 P  J0 @. u5 w# f

0 l; \+ m2 T4 ]2 \; c, Y( P被提出与存在的问题。有一个评论者提出，该研究似乎没有走到视神经发育阶段，并指出一项涉及PAX6的相关研究。这有可能是研究者认为可以阶段性发表该成果了，因为如前所述，这个研究组是从体外大脑皮层和神经系统分化研究开始这个模型的，而且其中有一项研究涉及了PAX6及其作用。另外，这个体外环境中没有涉及正常发育过程中optic cups周围存在的其它组织结构，作者解释为干细胞群潜伏着内在的自发育机制，这仍需进一步验证。如果确实如此，一方面当然有利于体外操作，另一方面有可能因为缺乏体内的其它机制而具有潜在的缺陷。. \4 V8 D7 w* `) D9 I
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新闻媒体一般都直接了当把一项研究提示的苗头延伸到终极价值上，所谓有可能造出眼睛来给失明患者移植。其实，这种阶段性成果当然具有很多的科学研究上的用途。比如：（1）提供了一个技术平台用于研究干细胞体外发育其它组织（例如很接近的神经系统）；（2）干细胞体外3D培养条件的发展（模拟体内环境）；（3）这个平台有助于解析自然发育过程：基因、细胞、环境互动关系和阶段性；（4）因为发育出了感光细胞，因此有助于了解视网膜光感生理过程，解析疾病病理（感光病理）；（5）可能通过这个模型取未成熟的感光细胞用于移植，因为已经有动物实验证明视网膜前体细胞移植可以恢复视网膜性失明；（5）作者比较谨慎的临床应用预测：视网膜整体结构性移植以取代细胞移植（transplantation of artificial retinal tissue sheets,rather than simple cell grafting）；（6）当然，这个模型有可能是最终发育成视网膜甚或眼睛用于移植的一个开端。1 k# I/ }- _8 y' ~) d. F
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下一步的方向应该包括：（1）进一步发展这个模型达到完整的视神经诱导分化；（2）进一步探究体外自发育的分子水平机制以及其它因素如物理条件等；（3）用人胚胎干细胞复制此模式；（4）用自体iPSC复制此模型；（5）上述细胞或组织移植的动物实验，等。
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与多能干细胞体外分化为可移植的细胞相比，这个模型当然更复杂。不过理论上一定有其优势，因为干细胞分化与组织过程应该是一个特定发育环境条件下的群体行为，体外模拟发育过程有可能得到一定发育阶段的组织结构，这是有利于移植治疗效果的。比如，一定数量的单个细胞移植治疗常常面对的首要问题是homing以及随后的interation和integration，往往细胞进到特定组织环境要不无法停留，要不无法生存，要不无法起到一个组织结构的作用。如果能够在体外培养出已经具有一定结构的组织，上述移植的问题应该能够得到很大程度的解决。毕竟，功能性细胞很少是单独其作用的。干细胞治疗的最早尝试如分泌胰岛素的细胞移植，就不如胰岛（islet）的移植效果。当然，从技术操作上来说，特定情况下细胞移植也有其优势。未来的再生医学应该是多途径的一系列武器库，而不会是一个终极的“大力丸”。
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7 a+ O% v/ V( w9 @) x顺便说一句，器官与神经成型组（Organogenesis and Neurogenesis Group），四维组织分析组（Four-Dimensional Tissue Analysis Unit）的名称比较特别。5 x5 h) }) f/ E6 \* \8 U

4 y4 ^, W# @# {2 l（最近还有一条类似的消息说爱丁堡的研究者用羊水中的羊膜细胞搞出了类似胚胎肾脏的复杂结构，只是个要在会上演讲的消息，还没有见到文章。不知详情，是否与这个思路有类似的地方。）- L; u: G: }' O( ?, y2 e$ v4 d3 L

% O. n& O& }+ T原文7 d5 p+ z' E. E* B; y2 |
述评
/ v3 x( C1 d" H2 A# {' G9 F( ]读者评论
& L+ A* z: L( h( ]. |视频与补充材料连接：http://www.nature.com/nature/jou ... ll/nature09941.html( x- a* g4 q* [2 j

1 ]! p& ~# x9 W3 C* S0 a该研究组的几篇其它相关研究：4 f2 S$ I% t7 |2 I% H
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evial

谢谢，很好的资源

easyes

逻辑很清晰 值得借鉴

easyes

日本人在这方面做得确实很不错

wolfgang

前一段时间有三维结构的肠组织的分化模型，现在又出来三维结构的optical cup，像楼主说的
' h2 _5 R. \8 B9 z4 \“因为干细胞分化与组织过程应该是一个特定发育环境条件下的群体行为，体外模拟发育过程有可能得到一定发育阶段的组织结构，这是有利于移植治疗效果的。比如，一定数量的单个细胞移植治疗常常面对的首要问题是homing以及随后的interation和integration，往往细胞进到特定组织环境要不无法停留，要不无法生存，要不无法起到一个组织结构的作用。如果能够在体外培养出已经具有一定结构的组织，上述移植的问题应该能够得到很大程度的解决。”( Q& U6 N8 k1 r3 t3 t- t1 E0 M9 H
是临床应用很关键的问题，现在能从体外培养把ES变成相对精细和复杂的三维结构已是让人惊喜的进步了，这么一路走下去，终有一天能够体外培养出复杂如心脏和肾脏这样的脏器。0 P+ F, g8 O+ ?" ~4 w! \( G; k8 W
另外有一点，都是用ES来做的，而不是处于发育上较晚阶段的成体干细胞（也是因为没有好的体外长期培养成体干细胞的方法），可见从多能性最高的胚胎干细胞向结构精细复杂的终末结构组织分化也是能够做到的，将来如果能建立起体外培养成体干细胞的方法，选取不同种类的成体干细胞组合在一起，也许会更方便的构建出大型脏器。

tpwang

回复 wolfgang 的帖子& H6 X( R) r2 R1 g

8 Q7 x. U& j- _: n* ?“将来如果能建立起体外培养成体干细胞的方法，选取不同种类的成体干细胞组合在一起，也许会更方便的构建出大型脏器。”
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这个想法挺好，也许还可以延伸出其它综合方法。比如，考虑到组织器官发育过程，可以用胚胎干细胞或其它多潜能干细胞来模拟初期的发育过程，然后在特定组织器官形态阶段结合成体干细胞，例如利用cell-contact效应等，来更有效构成终端组织或器官。$ T4 c, Z  S/ }& _# n: {

- l) g9 Z: i2 y+ |: {! V但成体干在体外培养和传代的问题是否能够不采用iPSC的“弯路”方法来实现，可能是个难题，所谓体外干细胞的干性问题。另外，有限的分化多潜能性能够靠纯组合（没有发育过程）方法制造出合适的组织器官，是否也是个问题。& v  C% ~  X$ e: L4 y
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肖特

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国外有人做的将皮肤内的一种干细胞体外培养自组生成多层的皮肤，然后自体移植给局部烧伤患者，只是这种皮肤没有汗腺和毛囊。小面积移植没问题，大范围移植需要激光打孔以透气和散热。
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通过干细胞实现皮肤自组可能比其他器官要容易一些。