为了帮人类再造器官，科学家“教会”了干细胞“72变”

whyboy

多功能干细胞的研究已经发展了十余年的时间，科学家们渐渐掌握了诱导分化的技术，希望能帮助发挥它们的潜能。人体内的诱导性多功能干细胞（hiPSCs）对人体的修复也有着极大的潜力，自身的干细胞分化而成的组织、器官都能减少排异的问题，对于先天或后天有缺陷的人来说，这将会拯救他们的生活。
: F* ?! V2 v% y4 n/ B. }3 l0 x3 H9 X" p# M

5 x9 u! k) ^$ _
1 l8 i2 ?/ b" j- E  H: P( N( Z
7 f7 T) a3 p( B  s+ o: `% @8 Z! A

& V" S0 w0 S# X5 `: @8 t+ [9 k& V
7 X6 R" z4 _' e; x; K2 m* ?人的诱导性多功能干细胞$ K# Q$ j- \5 p6 P! D6 g3 {

4 y9 }5 \" a9 Y. ?' p' V0 J8 H8 {
; g4 P5 z- E& j7 {$ L5 H3 m) N* U9 E0 D5 B7 \

. ]/ J$ e& Z* C; n
5 ^  l8 N8 r/ ?7 ]+ n加州大学的研究人员这次就发现了一种非常简便的诱导hiPSCs分化的方法——给它们“喂食”腺苷！我们都知道多功能干细胞的分化能力非常强，因此再生医学中用它来治疗疾病一直是科学家们努力的方向，但是麻烦的是，诱导分化的过程存在许多困难，在临床上的研究和应用也一直难以得到推广。. S/ O% t. ~/ ?- ?( t# K# k
# I. t( e8 Q3 @7 n' @+ n
! J6 p; ?% Q' Q; M
! ^5 s0 u7 q; G
; k. Y9 i, N' @4 q3 A* |: }
在开展研究的十余年中，只有一位女性患者接受了治疗，仅仅一位。在培养过程中，化学物质的诱导往往不能够准确控制分化过程和方向，可能发生某些基因异常表达或者不能表达，分化不出原本想要的细胞。另外近年来研究发现的致癌基因c-Myc也可能导致分化培养出的器官和组织产生肿瘤。还有多能性这一潜能是优点的同时也让分化变得难以控制，想要精确地得到某一种细胞很难。虽然现在也有用基因编辑来实现干细胞分化的技术，效率和准确性提高了，但是出于技术难度，也并不是那么容易广泛使用。
/ \2 H# {; ^6 M. D$ u" a! I. m
, Y" p9 A6 z. b1 A . q: {5 n, i  D1 o* m2 l

8 r$ x& s- `/ z& X, k正是因为分化艰难，所以这项新的研究才显得如此出众，它不仅易操作，而且还高效、廉价，简直是hiPSCs诱导界中的泥石流啊！不过，堤坝的建起并非一日之功，之所以能发现这个方法，也要仰赖于他们团队此前的不懈努力。在过去的研究中，他们发现磷酸钙及一些矿物质混合物可以诱导干细胞分化为成骨细胞，干细胞利用磷酸钙产生ATP，ATP分解产生腺苷，向干细胞发送信号使其转化为成骨细胞。[1]! }. v! c( K  y) A8 o$ {
: n  u9 v' t7 d9 a* X/ ?
  x2 K& s1 ^" g& ~; p+ g! [9 V
# ^% Z  L! v1 N: o5 T) g

) ]7 c& p/ y) X! V  x
# v1 l- ?* N5 ?4 U2 ~骨细胞
/ \4 G- G! l/ O2 c; O6 U/ Z: M5 z+ A) o4 k/ B% B
( N4 X- O! k7 S" {6 d0 _
$ J+ R2 e' h+ e( s- Q
在这个基础上，研究人员们设想能否跳过繁杂的步骤，只用腺苷就得到骨细胞和骨组织呢？于是他们将hiPSCs在含有生长因子和腺苷的培养基中培养，经过21天的培养，成骨基因表达，hiPSCs分化为成骨细胞。在得到成骨细胞之后，研究人员继续进行探索，希望能用得到的成骨细胞培养出骨组织。将成骨细胞转移到聚丙烯酸多孔水凝胶中培养，经过3天之后，使用live-dead染色的方法，观察到孔内的活细胞数量足够，分布均匀，通过函数模拟，可以判断钙化骨组织正在形成。经过3周时间，在三维X线断层扫描下，可以看到连续生长的含有血管的骨组织。8 E( G5 o: Y: q1 q
8 X( g' w0 t2 @2 ?$ u" W

& _! u; J  h* _" i0 @1 \* O2 R  B/ M5 C. g4 v9 G

7 S2 q  S, f' M) \- X0 y9 q* b" }& m5 `  u
live-dead染色示意图
( o( q8 a/ ]: P
$ J7 K1 D  R% Z' N1 {
3 N2 x5 Q. p" p3 L! n; ~1 e
! B* u$ a$ }4 T$ ]1 E/ v) z! ~既然已经成功培养出了骨组织，那么实际功用如何呢？这个问题也得到了验证，研究人员将培养了4周和16周的新生骨组织分别移植到了骨质缺陷的小鼠体内，对比发现，4周的骨组织钙化程度不足，很难覆盖整个缺陷；而16周的骨组织移植后的骨体积则与小鼠体内缺陷相似，能够达到弥补小鼠骨质缺陷的要求。不仅修复了小鼠的缺陷，也完全没有出现肿瘤，这个结果令研究人员吃惊又感到很满意！[2], T2 u# }# Z% B' [5 ~( G. r; m! p$ S

& @7 H6 c- Z% F2 L: m& y, B, L. U) f5 P% d
2 N5 Y- R7 F. S# y
/ D( s' ~, u( g# Y0 q, g6 y, h  k实现了单一分子的简单诱导，这在过去的研究中是难以想象的。但我们可以看到，从hiPSCs诱导成为成骨细胞仍然需要21天的时间，这个时间虽然算不上长，可是干细胞诱导在时间上还有没有再进步的余地呢？想不到还真的有！这就要追溯到7月的时候，斯坦福大学的研究人员实现了在短短几天内就诱导人类胚胎干细胞分化出了包括骨骼、心肌和软骨细胞在内的12种细胞！$ n3 ~  o8 f2 @3 G, E) U

1 G, h" u( P  D, R& I2 S$ P
1 |! w" C6 L+ Q; }% T# l/ p8 o. a) T; ?! G( `' c3 o  y
人类胚胎干细胞（hESCs）与人类诱导性多功能干细胞（hiPSCs）都属于人类多功能干细胞（hPSCs），是再生医学中最适合的两种细胞。斯坦福的研究人员不从培养条件出发，另辟蹊径，利用了引导分化所需的多组生物和化学信号实现了快速、准确地诱导分化！4 R/ ?8 x- v3 r8 P2 p+ u7 Z' q1 u

+ z. E( m; g- L; b" O# B& d1 e& i1 {2 U8 Z/ K
4 ]! s5 E, `7 f( P9 g

' K5 ^) v6 H# f' }. m, W! I0 L4 _/ F# g1 o9 H+ C
人类胚胎干细胞
! q$ w  i8 L- ]
7 [, W8 O- @! l  ` 0 }2 V' b4 m% Q9 s
* ^9 m; N1 f7 N& ]5 N( c
胚胎干细胞分化的难处在于不同胚层分化出的细胞类型不同，所以，如果不能精确控制，最终得到的就是多种细胞的混合物。胚胎早期阶段有外胚层、中胚层和内胚层之分，而其中中胚层可以说贡献最大，心肌细胞、骨骼、骨骼肌细胞、肾脏细胞以及皮肤细胞等许多重要的细胞都是在中胚层产生的。因此，研究人员将目光锁定在了一个问题上，是哪些信号驱动了中胚层不同类型细胞的分化？
5 H: k4 [. m" w2 y1 `: g$ n. w' ?) s8 H

8 E7 e, f/ m0 F& C, [6 _! f- l* P) L# v" n
过去的研究已经发现了几种信号分子，比如TGF、WNT、BMP和ERK等，研究人员们的目标就是梳理出不同信号的作用如何。举个例子给大家，在细胞培养时，抑制信号分子TGF-β的活性会驱动细胞向中胚层发展；而添加WNT，同时阻断BMP与添加BMP但阻断WNT这两种不同的信号引导，会产生两种不同类型的细胞。
' F6 Y4 `. u- P( Y' _- i  T, V- j+ W
; N2 Q- T2 d/ M2 L/ ~   Z$ i/ |3 l$ l3 d# v

9 z3 y; C4 T$ R摸清了不同信号对分化的影响，在随后的实验中，在每个发育阶段的“岔路口”上，施加正确的信号引导胚胎干细胞的选择，就可以让它们分化成想要的细胞类型了。每走过一个发育阶段，研究人员都会用单细胞RNA测序检查基因表达的情况，评估分化细胞群的纯度。高纯度的细胞群在应用于移植时，显然在移植中的是修复效率更高的。[3]
4 b4 Q$ m- x, \5 z* n& e
' C. X% y0 M( b; \( J9 [) j2 e
# b  `1 @. n- f" _6 v. g6 D! O$ N4 s; w# I# f* @! E5 s) g

* K8 e7 }- K. Y1 n8 U: \
. ^" h. {( g: |, R) F$ ~: B* W' G! l& T+ d

+ g- k8 p# \% ?/ h6 r# c4 w3 b" |

) @$ y1 P' K2 ^
, R8 @, E3 j2 [- r1 z% L用短时间得到了不同类型的高纯度细胞群是这个研究的成果，可以说是为进一步的研究打开了新的大门。研究人员的下一步目标是希望能将分化出来的细胞培育成组织，再进行移植，希望验证是否能够达到和普通分化的细胞同样修复缺陷的目的。而反观前一组研究，他们则是完成了移植成功的结果，希望能搞清楚腺苷酸分化出骨组织的分子机制究竟如何。
7 r! B6 c9 A1 `- P9 r0 ^  J2 \6 c5 s! k  `. |2 a1 h; r. X
: s$ g- p* r' X* n; |6 E2 r
+ _4 p5 C- _: I# w& o# n; Y% @
干细胞移植已经在临床上有了多例应用，这两项新的研究虽然从不同的角度出发，但都达到了新的高度。在未来投入临床后，一定能够更好地发挥干细胞的潜能，为有缺陷的人们解决现在的烦恼。
8 s( u7 v. t2 d" N
# L* e; \3 F! u1 R" v+ M% P' W: }- f& i  l. p
5 R& S1 b1 y& K+ Q! H, X

) V9 J+ Y& c1 I2 ]4 @4 r/ |参考文献：
; p  @) C2 z9 a- {# z2 P7 ^5 D$ C5 b7 K0 c6 T* R
% t( F1 _) ~: f6 W, o
[1] Shih Y R V, Hwang Y S, Phadke A, et al. Calcium phosphate-bearing matrices induce osteogenic differentiation of stem cells through adenosine signaling[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(3): 990-995.
7 J  `( ~" q* E% T% W) Q5 a
5 }: d: p. o/ s+ ?! _# J[2] Kang H, Shih Y R V, Nakasaki M, et al. Small molecule–driven direct conversion of human pluripotent stem cells into functional osteoblasts[J]. Science Advances, 2016, 2(8): e1600691.
9 S3 _( s0 K/ g6 J) k- V0 M
, x0 H, M% i! `[3] Loh K M, Chen A, Koh P W, et al. Mapping the Pairwise Choices Leading from Pluripotency to Human Bone, Heart, and Other Mesoderm Cell Types[J]. Cell, 2016, 166(2): 451-467./ ~# B$ G" y* J+ `: O, Y6 M