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

研究進(jìn)展是建立在 2015 年發(fā)表的工作基礎(chǔ)上的，當(dāng)時(shí)杜克大學(xué)的研究人員從肌肉活檢中所獲得的細(xì)胞生產(chǎn)了具有功能的人類肌肉組織。利用非肌肉組織產(chǎn)生更多肌肉細(xì)胞對(duì)于科學(xué)家來說將更有意義，基因編輯、細(xì)胞治療、開發(fā)個(gè)體化模型用于罕見肌肉疾病的藥物開發(fā)，以及基礎(chǔ)生物學(xué)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(xì)胞的誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞開始，但是可以成為我們身體內(nèi)所有現(xiàn)存的細(xì)胞，允許我們產(chǎn)生無限數(shù)量的肌原始祖細(xì)胞，”杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授 Nenad Bursac 表示，“這些祖細(xì)胞與成人肌肉干細(xì)胞類似，稱為‘衛(wèi)星細(xì)胞’，理論上來說，可以從一個(gè)細(xì)胞開始，產(chǎn)生完整的肌肉?！?/p>

在他們之前的工作中，Bursac 和他們的團(tuán)隊(duì)是從一個(gè)人類肌肉細(xì)胞活檢中所獲得的——稱為“成肌細(xì)胞”的小樣開始的。這種成肌細(xì)胞的進(jìn)程已經(jīng)超越了干細(xì)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(jìn)一個(gè)充滿了滋潤(rùn)的凝膠的三維支架內(nèi)，以提供支持作用，允許這些細(xì)胞形成整齊排列的人體肌纖維。

由誘導(dǎo)多能干細(xì)胞生長(zhǎng)的肌肉纖維的橫截面。綠色表示肌肉細(xì)胞，藍(lán)色是細(xì)胞核，紅色是細(xì)胞周圍的支持基質(zhì)。圖片來源：杜克大學(xué)

在新的研究中，這些研究人員沒有再使用人類誘導(dǎo)多功能干細(xì)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(xì)胞，并通過重新編程轉(zhuǎn)變?yōu)樵紶顟B(tài)。在信號(hào)分子 Pax7 的誘導(dǎo)下，多功能干細(xì)胞之后會(huì)生長(zhǎng)成為肌肉。

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

杜克大學(xué)的研究人員成功的實(shí)現(xiàn)了此前失敗了的嘗試。

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

一旦細(xì)胞順利地成為肌肉，Bursac 和 Rao 會(huì)停止提供 Pax7 信號(hào)分子，并開始提供細(xì)胞充分成熟所需要的支持和營(yíng)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(xì)胞形成了肌肉纖維，并與外部刺激產(chǎn)生反應(yīng)，比如電脈沖和模仿神經(jīng)輸入的生化信號(hào)，就像原生肌肉組織一樣。

他們還將新生長(zhǎng)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(qiáng)壯，也不如之前肌肉活檢所培養(yǎng)的肌肉長(zhǎng)得長(zhǎng)。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(qiáng)度。

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

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

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

“研究罕見疾病的前景對(duì)我們來說尤其令人興奮，”Bursac 說?！爱?dāng)一個(gè)孩子的肌肉已經(jīng)由于杜氏肌肉萎縮癥等疾病而消失時(shí)，再?gòu)乃麄兩砩咸崛〖∪鈽颖?，造成進(jìn)一步的破壞是不道德的。但有了這種技術(shù)，我們只需取一小塊非肌肉組織，如皮膚或血液，將獲得的細(xì)胞恢復(fù)到多能狀態(tài)，并最終生長(zhǎng)出無數(shù)的功能肌纖維來進(jìn)行測(cè)試?！?/p>

這項(xiàng)技術(shù)還有望與基因療法結(jié)合在一起。理論上，研究人員可以在從病人身上提取的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中修復(fù)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(gè)身體的病變肌肉，但它可以與更廣泛的靶向基因療法結(jié)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