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生物醫(yī)學工程師使用誘導多功能干細胞首次培養(yǎng)出具有功能的人類骨骼肌肉。

研究進展是建立在 2015 年發(fā)表的工作基礎上的，當時杜克大學的研究人員從肌肉活檢中所獲得的細胞生產了具有功能的人類肌肉組織。利用非肌肉組織產生更多肌肉細胞對于科學家來說將更有意義，基因編輯、細胞治療、開發(fā)個體化模型用于罕見肌肉疾病的藥物開發(fā)，以及基礎生物學研究等。

研究論文 1 月 9 日在線發(fā)表在了《Nature Communications》雜志上。

“從不是肌肉細胞的誘導多功能干細胞開始，但是可以成為我們身體內所有現(xiàn)存的細胞，允許我們產生無限數(shù)量的肌原始祖細胞，”杜克大學生物醫(yī)學工程教授 Nenad Bursac 表示，“這些祖細胞與成人肌肉干細胞類似，稱為‘衛(wèi)星細胞’，理論上來說，可以從一個細胞開始，產生完整的肌肉。”

在他們之前的工作中，Bursac 和他們的團隊是從一個人類肌肉細胞活檢中所獲得的——稱為“成肌細胞”的小樣開始的。這種成肌細胞的進程已經超越了干細胞階段，但是還沒有成為成熟的肌纖維。研究人員將這些“成肌纖維”培養(yǎng)成很多倍，然后將他們放進一個充滿了滋潤的凝膠的三維支架內，以提供支持作用，允許這些細胞形成整齊排列的人體肌纖維。

由誘導多能干細胞生長的肌肉纖維的橫截面。綠色表示肌肉細胞，藍色是細胞核，紅色是細胞周圍的支持基質。圖片來源：杜克大學

在新的研究中，這些研究人員沒有再使用人類誘導多功能干細胞作為開始。他們采用了一些其他的非肌肉組織、例如皮膚或者血細胞，并通過重新編程轉變?yōu)樵紶顟B(tài)。在信號分子 Pax7 的誘導下，多功能干細胞之后會生長成為肌肉。

隨著細胞的增殖，它們會變得和成人的肌肉干細胞很相似，但沒有那么強壯。雖然此前的研究已經完成了這個壯舉，但是沒有人能夠讓這些中間細胞變成正常的骨骼肌。

杜克大學的研究人員成功的實現(xiàn)了此前失敗了的嘗試。

“經過多年的反復試驗，我們做出了有根據(jù)的猜測，并采取了一些步驟，最終從多能干細胞中培育出功能正常的人類肌肉，” Bursac 實驗室的博士后研究人員，研究的第一作者 Lingjun Rao 表示，“我們獨特的細胞培養(yǎng)條件和 3D 矩陣，可以使得細胞生長和發(fā)育都遠快于典型的 2D 培養(yǎng)方法。”

一旦細胞順利地成為肌肉，Bursac 和 Rao 會停止提供 Pax7 信號分子，并開始提供細胞充分成熟所需要的支持和營養(yǎng)。

在研究中，研究人員展示了在 3D 培養(yǎng) 2 - 4 周之后，所獲得的肌肉細胞形成了肌肉纖維，并與外部刺激產生反應，比如電脈沖和模仿神經輸入的生化信號，就像原生肌肉組織一樣。

他們還將新生長的肌肉纖維植入成年老鼠，顯示它們至少存活了 3 周，并通過血管化逐漸融入到原生組織中。

所獲得的肌肉，并不像原生肌肉組織那樣強壯，也不如之前肌肉活檢所培養(yǎng)的肌肉長得長。盡管有這樣的問題，但是研究人員說這樣的肌肉依然具備衰老肌肉所不具備的強度。

新肌肉纖維的染色橫截面。紅色的細胞是肌肉細胞，綠色區(qū)域是神經元輸入的受體，藍色的斑塊是細胞核。圖片來源：杜克大學

多能干細胞衍生的肌肉纖維形成了“星狀細胞”的儲層，這是正常成人肌肉修復損傷所必需的，而先前研究的肌肉細胞中這種細胞則少得多。相比于活檢法而言，干細胞法也能從較小的起始批次中生長出更多的細胞。

這兩種優(yōu)勢都證明，這種新方法具有未來進行再生治療和創(chuàng)建疾病治療模型的良好應用潛力。

“研究罕見疾病的前景對我們來說尤其令人興奮，”Bursac 說。“當一個孩子的肌肉已經由于杜氏肌肉萎縮癥等疾病而消失時，再從他們身上提取肌肉樣本，造成進一步的破壞是不道德的。但有了這種技術，我們只需取一小塊非肌肉組織，如皮膚或血液，將獲得的細胞恢復到多能狀態(tài)，并最終生長出無數(shù)的功能肌纖維來進行測試。”

這項技術還有望與基因療法結合在一起。理論上，研究人員可以在從病人身上提取的誘導多能干細胞中修復遺傳缺陷，然后再培養(yǎng)一小塊完全健康的肌肉。雖然這不能治愈或取代整個身體的病變肌肉，但它可以與更廣泛的靶向基因療法結合使用，或治療一些局部的疾病。

參考資料：[1]Engineers Grow Functioning Human Musclefrom Skin Cells