生物医学工程人员从干细胞培养人体肌肉功能

日期:2018-05-14 浏览:21


杜克工程师已经从非肌肉细胞培育出第一个功能正常的人体肌肉 - 在这种情况下,皮肤细胞恢复到其原始干细胞状态。利用非肌肉组织开始细胞划痕的能力将使科学家能够生长更多的肌肉细胞,为基因组编辑和细胞治疗提供更简便的途径,并为药物发现和基础生物学研究开发个性化的稀有肌肉疾病模型。 < / EM>

生物医学工程师已经从诱导多能干细胞培育出第一个功能良好的人类骨骼肌。 / em

这一进展建立在2015年公布的工作上,当时杜克大学的研究人员从肌肉活组织检查中获得的第一个功能良好的人体肌肉组织获得了成功。利用非肌肉组织开始细胞划痕的能力将使科学家能够生长更多的肌肉细胞,为基因组编辑和细胞治疗提供更简便的途径,并为药物发现和基础生物学研究开发个性化的稀有肌肉疾病模型。

杜克大学生物医学工程教授Nenad Bursac表示:“从不是肌肉细胞的多能干细胞开始,但可以成为我们体内所有现有的细胞,使我们能够生长无限数量的肌原祖细胞。 “这些祖细胞类似于成体肌肉干细胞,称为'卫星细胞',理论上它可以从单细胞开始生长整个肌肉。”

在他们以前的工作中,Bursac和他的团队从肌肉活组织检查中获得的小型人类细胞样本开始,称为“成肌细胞”,已经进展到干细胞阶段之外,但尚未成为成熟的肌纤维。他们将这些成肌细胞生长了许多倍,然后将它们放入一个支持性的三维脚手架中,该脚手架充满了滋润的凝胶,使它们能够形成对齐和功能良好的人体肌肉纤维。

由诱导多能干细胞生长的肌纤维的横截面。绿色表示肌肉细胞,蓝色是细胞核,红色是细胞周围的支撑基质。

在新的研究中,研究人员开始使用人类诱导的多能干细胞。这些细胞是从成人非肌肉组织如皮肤或血液中提取的细胞,并重新编程恢复到原始状态。随后多能干细胞在被称为Pax7的分子淹没的同时生长,其表达细胞开始变成肌肉。

随着细胞增殖,它们变得非常类似于 - 但不像成人肌肉干细胞那样强壮。虽然以前的研究已经完成了这一壮举,但没有人能够将这些中间细胞生长为正常的骨骼肌。

公爵研究人员在先前的尝试失败的地方取得了成功。

Bursac实验室的博士后研究员,该研究的第一作者Lingjun Rao说:“这需要多年的试验和错误,进行有根据的猜测,并采取婴儿步骤,最终从多能干细胞中产生功能良好的人体肌肉。 “与众不同的是我们独​​特的细胞培养条件和3-D基质,这使得细胞的生长和发育速度比更常用的2-D培养方法快得多和更长。”

一旦这些细胞正在成为肌肉的途中,Bursac和Rao停止提供Pax7信号分子,并开始给予细胞完全成熟所需的支持和营养。

在这项研究中,研究人员表明,经过2至4周的3-D培养后,肌肉细胞形成肌肉纤维,收缩并对外部刺激产生反应,如电脉冲和生化信号,模仿神经元输入,就像天然肌肉组织一样。他们还将新生长的肌肉纤维植入成年小鼠体内,并显示它们存活并运作至少三周,同时通过血管化逐渐整合到天然组织中。

然而,由此产生的肌肉并不像天然肌肉组织那样强壮,而且还不足以前研究中从肌肉活检开始的肌肉。尽管有这样的警告,但研究人员表示,这种肌肉仍然具有这样的潜力,即年长的亲属不会这样做。

新肌纤维的染色横截面。红细胞是肌肉细胞,绿色区域是神经元输入的受体,蓝色斑块是细胞核。

多能干细胞衍生的肌纤维发育成为正常成人肌肉修复损伤所必需的“卫星样细胞”的储库,而来自先前研究的肌肉具有更少的这些细胞。干细胞方法也能够比活检方法从更小的起始批次生长更多的细胞。

这两种优势都指向了将这种新方法用于再生治疗以及为未来研究和个性化医疗保健创造罕见疾病模型的可能性。

“研究罕见疾病的前景对我们来说尤其令人兴奋,”Bursac说。 “当孩子的肌肉已经消失,如杜兴肌营养不良症,从他们的肌肉样本和进一步的损害是不道德的。但是通过这种技术,我们可以只取一小块非肌肉组织的样本,比如皮肤或血液,将获得的细胞恢复到多能状态,并最终生长出无数功能性肌纤维进行测试。“

该技术也有希望与遗传疗法相结合。理论上,研究人员可以解决来源于患者的诱导性多能干细胞的遗传功能障碍,然后生长完整健康肌肉的小片。虽然这不能治愈或取代整个身体的肌肉价值,但它可以与更广泛的靶向基因治疗相结合,或治愈更多局部化问题。

研究人员正在改进他们的技术,以培养更强健的肌肉,并开始开发罕见肌肉疾病的新模型。

发表:Lingjun Rao等,“将人多能干细胞工程化为功能性骨骼肌组织”,Nature Communications 9,文章编号:126(2018)doi:10.1038 / s41467-017-02636-4

来源:杜克大学