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新技术:高效的化合物诱导多能干细胞

2018-04-11 06:54 | 来源:未知 | 责任编辑:本站编辑

科研人员向细胞中加入“魔法药水”。

如何又快又好地诱导多能干细胞,最近有了新方法。科研人员们开发了一套“魔法药水”,用它依次为细胞“洗澡”,便可又快又好地实现多种体细胞类型的“返老还童”。

中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员裴教授领衔的研究团队经过5年攻关,揭示了化学方法制备干细胞的科学原理,为诱导多能干细胞的研究和优化制备途径提供了全新的科学视角和解决方案。相关成果发表在国际干细胞权威杂志Cell Stem Cell(细胞·干细胞)上。

以干细胞为“种子”,培育出可替换自身病变或衰老的器官组织

“返老还童”是一个有魔力的词语,几千年来,古今中外的许多君主帝王都为之痴迷,现代人也在不断地追求永葆青春。如今,细胞水平的“返老还童”在实验室里成为现实,关键的技术就是制备干细胞。

那么什么是干细胞?简而言之,干细胞就是一类会“变”的细胞。

首先,它有自我更新能力,可以在动物胚胎和组织中一直分裂并保持原本的未分化状态。其次,它具有分化的能力,也就是“变”的能力,在不同的培养条件下,它可以变成不同种类、具有不同功能的细胞。再次,它是一类在细胞发育过程中处于较原始阶段的、尚未充分分化的、尚不成熟的细胞。

我们身体的各种组织器官中几乎都蕴含着干细胞,如神经干细胞、造血干细胞、生殖干细胞、间充质干细胞等,这些干细胞因为只能向特定类型的细胞进一步分化,被称为成体干细胞。

“成体干细胞就好比大树的树干,胚胎干细胞相当于那大树的树根。胚胎干细胞不但可以保持无限的自我更新的特性,同时可以分化为体内的各种组织细胞类型,一直被认为是最具临床应用价值的‘万用细胞’。”裴教授说,“也就是说,在不同的培养条件下,它可以变成不同种类、具有不同功能的细胞,就像孙悟空,想变美女变美女,想变帅哥变帅哥。”

干细胞是个大家族,它根据不同的划分标准可以分为好多类,上述成体干细胞和胚胎干细胞只是根据干细胞的来源标准分类的。根据它的发育等级和分化能力,还可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。

裴教授说:“全能干细胞,比如受精卵,是干细胞的最高状态,它能最终发育成完整个体以及胚外组织;多能干细胞,如胚胎干细胞,是具有无限增殖和多向分化潜能的干细胞,可以分化成个体的所有器官和组织;单能干细胞,如造血干细胞、神经干细胞,仅具有分化为有限的几种密切相关的细胞类型。”

总之,干细胞“神通广大”,可以用于医学和基础研究的很多个领域。不过目前离现实最近的还是再生医学,就是以干细胞为“种子”,培育出器官组织等,来替换被损伤的、自身病变或衰老的器官组织。

通过化合物诱导干细胞多样性,实现多种体细胞类型“返老还童”

那么,如何才能在实验室里获得干细胞呢?科学家可通过体外分离培养的方式得到干细胞。通过采用导入外源基因的方法使体细胞去分化为多能干细胞,对于这类干细胞我们称之为诱导多能干细胞。

2007年,日本科学家山中伸弥所在的团队发明了诱导表皮细胞使之变身为多能干细胞的方法。此方法诱导出的干细胞可转变为心肌和神经细胞,为研究治疗多种心血管绝症提供了巨大助力。这一方法被业界称为“山中伸弥方法”,其研究成果免除了使用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约,因此在全世界被广泛应用。山中伸弥团队也凭此获得了2012年的诺贝尔生理或医学奖。

然而,“山中伸弥方法”还是存在缺陷,它是利用病毒载体进行基因运送,具有致癌隐患,对于以后的临床应用有较大风险。后期,又有科学家利用化学小分子替代山中伸弥因子诱导出了多能干细胞,但存在步骤多、时间长、效率低、机理不清楚等缺点。

裴教授研究员领衔的科研团队经过多年攻关,开发出一套高效、简单的化学小分子诱导多能干细胞的方法,即化合物诱导干细胞多能性。

裴教授说:“我们这个方案只需要给细胞用两种不同的‘药水’依次‘洗澡’,便可以将体细胞‘返老还童’到胚胎干细胞的状态。这一方法比之前的方案简单、高效,所需的初始细胞量少。更重要的是,可以实现多种体细胞类型‘返老还童’,包括在体外极难培养的肝细胞。”

为开辟药物诱导细胞命运转变提供新方向,推动再生医学发展

这些神奇的“魔法药水”是如何将成体细胞诱导到胚胎发育早期的多能干细胞状态的呢?研究发现,细胞的命运是受细胞核内部的“信息中枢”染色质的状态控制。

“细胞染色质的开放(1)与关闭(0)状态总和,构成了决定细胞命运状态。这种情况就犹如计算机二进制的‘密码串’,进而将细胞‘锁’在了特定状态。”裴教授说。

科研团队进一步研究发现,在成体细胞的开放染色质位点周围,由AP—1及ETS等转录因子家族成员看守着,而在胚胎干细胞中,则由OCT,SOX 和KLF 等转录因子家族成员看守。细胞的“返老还童”也就是成体细胞特异的染色质由开放到关闭,而干细胞特异的染色质则由关闭到开放的更替过程。

裴教授说:“我们这项研究正是采用药物来精细地调节细胞染色质‘密码串’上的密码状态,首先采用一组药物将体细胞命运状态‘解锁’,进而采用另一组药物将细胞命运驱动到多能干细胞状态,进而实现了细胞命运的‘返老还童’。”

有趣的是,研究人员还发现了药物驱动细胞“返老还童”的青春期,即药物先驱动细胞返回到由GATA 和FOX转录因子家族成员看守的细胞染色质中间态,然后再进一步返回到类似胚胎发育早期的多能干细胞态。该发现体现了药物驱动细胞“返老还童”在“解锁”程序设计上的特殊性和精巧性,为药物诱导细胞命运转变的应用研究提供了理论指导。

由于没有引入外源基因,裴教授团队的化合物诱导干细胞多能性方法操作简便、诱导过程条件均匀、标准化,将为干细胞应用提供安全、高效的制备干细胞的方法,具有广阔应用市场。与此同时,为开辟药物诱导细胞命运转变提供了新方向,将极大推动干细胞及再生医学的发展,服务于我国的医疗与卫生事业。

中科院上海药物研究所研究员、国家新药筛选中心副主任谢教授表示,该研究方法与常规的诱导方法有显著区别,是一个全新的机制。且该研究极大提高了诱导的效率,使化学诱导有望成为诱导多能干细胞的常规方法。更为重要的是,这个研究使我国在化合物诱导多能干细胞领域处于世界领先的地位。

“未来可以根据所需干细胞类型,设计特定药水,有目的性诱导出各种干细胞。”裴端卿说,这只是一个开始,现正在进一步研究如何大幅缩短细胞“浸泡”时间,提高效率。

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