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

在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員繪制出快速地和地指導(dǎo)人胚胎干細胞變成骨細胞、心肌細胞和軟骨細胞等12種細胞中任何一種純的細胞群體所必需的生物學(xué)信號和化學(xué)信號。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*作者為來自斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細胞生物學(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月制造這些純的細胞群體的能力是實現(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)生新的跳動的心臟細胞來修復(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。

這項研究也強調(diào)了關(guān)鍵的胚胎分節(jié)（embryo segmentation）期間發(fā)生的但持續(xù)時間不長的基因表達模式，并且證實人發(fā)育似乎依賴在很多動物中進化上保守的過程。這些認識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，“再生醫(yī)學(xué)依賴將人多能性干細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胞的能力。我們花了幾年時間才能夠分離出造血干細胞和造腦干細胞（brain-forming stem cell, 即形成大腦的干細胞）。在這項新的研究中，我們利用我們對很多其他動物模型發(fā)育生物學(xué)的了解提供號因子和負信號因子來指導(dǎo)這些組織干細胞和器官干細胞的發(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胞群體。”

探究奧秘

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

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

當胚胎發(fā)育時，每種胚層負責(zé)產(chǎn)生某些類型的細胞。比如，中胚層產(chǎn)生關(guān)鍵的細胞類型，包括心肌細胞、骨骼肌細胞、結(jié)締組織細胞、骨細胞、血管細胞、血細胞、軟骨細胞、某些腎細胞和皮膚細胞。

Loh說，“產(chǎn)生這些純的細胞群體的能力對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)育的基本路線圖。在此之前，制造這些細胞需要幾周到幾個月的時間，這主要是因為不能夠準確地控制細胞命運。其結(jié)果就是，科學(xué)家們zui終獲得不同類型細胞的混雜物。”

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

一種既肯定又否定的策略

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

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

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

Loh說，“在這個過程中，我們了解到同樣重要的是，要理解不想要的細胞類型是如何產(chǎn)生的，并且發(fā)現(xiàn)一種阻斷這個不想要的過程，同時促進發(fā)育途徑沿著我們真正想要的方向進展下去。”

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

在每個發(fā)育階段，研究人員進行單細胞RNA測序以便鑒定*的基因表達模式和評估單個細胞群體的純度。通過研究單個細胞中的基因表達譜，他們能夠鑒定出之前未知的瞬時狀態(tài)（transient state），這些瞬時狀態(tài)是前體細胞分化為更加特化的細胞時的典型特征。

特別地，他們觀察到在人胚胎分節(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)的基因表達瞬時脈沖。這個過程反映了已知在其他動物體內(nèi)發(fā)生的情形，并且證實人胚胎發(fā)育中的這個分節(jié)過程在進化上是保守的。

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

快速產(chǎn)生純的特化前體細胞群體的能力為進一步開展研究打開大門。

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