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诱导性多能干细胞最新研究进展(第2期)

来源:本站原创 2019-04-27 21:03

2019年4月27日讯/生物谷BIOON/---诱导性多能干细胞(iPS细胞)最初是日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)团队在2006年利用病毒载体将四个转录因子(Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc)的组合转入到小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞中,使其重编程而得到的类似胚胎干细胞的一种细胞类型。这些ips细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等都与胚胎干细胞极为相似。

2007年11月,由中国科学家俞君英领衔的Thompson实验室和山中伸弥实验室几乎同时报道,成功地诱导人皮肤纤维母细胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的ips细胞,所不同的是日本实验室依然采用了用逆转录病毒引入Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四种因子组合,而Thompson实验室采用了以慢病毒载体引入Oct4、Sox2加Nanog和LIN28这种因子组合。

相比于胚胎干细胞,iPS细胞不会产生伦理问题,而且利用宿主自身的成体细胞(如皮肤细胞、血细胞等)经重编程变成iPS细胞,将它们移植回相同个体,应该有可能不会引发免疫反应,此外iPS细胞非常适合用来构建疾病模型,不过将iPS细胞用于治疗时也有风险:让ips细胞移植到体内时有可能会产生肿瘤

基于此,小编针对近年来ips细胞研究取得的进展,小编进行一番梳理,以飨读者。

1.Stem Cell Res & Ther:来自老年机体的人类诱导多能干细胞衍生的间充质干细胞或能“返老还童”
doi:10.1186/s13287-019-1209-x


原代间充质干细胞(MSCs)的使用往往充满着与年龄相关的不足,诸如有限的扩张及过早衰老等,人类诱导多能干细胞所衍生的间充质干细胞(iMSCs,induced pluripotent stem cells-derived MSCs)已经被证明是MSCs的游泳临床来源,其能有效克服与衰老相关的一些缺点,这一概念的重要性体现在了一项1期临床试验的治疗中。
图片来源:journal.frontiersin.org

近日,一项刊登在国际杂志Stem Cell Research & Therapy上的研究报告中,来自海涅大学等机构的科学家们就通过研究分析了iMSCs中与恢复活力相关的标志是如何获取的。研究者比较了分化自胚胎干细胞(ESCs-H1)的iMSCs和iPSCs(诱导多能干细胞)之间在细胞特性、转录组和分泌组上的差异,ipsCs源于年轻人和老年人机体中的MSCs,其所产生的iMSCs(与来源无关)符合MSCs的标准,而且系统树分析结果证实,所有iMSCs的转录组与亲本的MSCs能聚集在一起,但却不同于多能干细胞。

与供体的年龄和初始细胞类型无关,iMSCs能够获得与活力恢复相关的50个基因特性,这些基因会在多能干细胞中表达,但在亲本的MSCs中并不会表达。值得注意的是,在再生医学研究上,iMSCs能够获得与原代MSCs相类似的分泌蛋白质组,这就突出了其通过旁分泌信号通路进行传导的能力。

2.Stem Cell Rep:科学家利用iPS开发出可工作的三维人工血脑屏障!
doi:10.1016/j.stemcr.2019.01.009


来自范德堡大学的研究人员近日朝着在培养皿中培育出大脑的目标迈出了一大步。他们成功地将诱导多功能干细胞培养诱导成为了三维的血脑屏障模型。

未来的药物测试和疾病研究都依赖于通过类器官(人器官的体外模型)确定药物的疗效和效价。在脑类器官中复制内皮障碍是非常关键的,因为大脑必须被保护起来免受血液中的物质的影响。

研究人员过去在2维培养皿中通过诱导多功能干细胞培养出了大脑内皮,但是并没有在三维水平进行验证。

“以前开发药物之后只需在动物身上进行初步的测试之后就会进行人体试验,但是我们现在意识到这种方法存在一些问题。”生物化学和生物分子工程学副教授Ethan Lippmann博士说道。“我们计划用这些模型去完成所有的其他临床前研究。”力学工程学副教授Leon Bellan是该研究的另一个通讯作者,他表示这种方法甚至比之前的二维器官芯片更好。该研究成果于近日发表在《Stem Cell Reports》上。

3.Nat Biotechnol:CRISPR给iPS披上隐身衣!破解移植排斥难题!
doi:10.1038/s41587-019-0016-3

近日来自加州大学旧金山分校的科学家们首次使用CRISPR-Cas9基因编辑系统去创造出了第一个免疫系统“看不见的”多功能干细胞,这是一个生物工程壮举,这个方法在实验室的动物模型中成功地防止了干细胞移植的免疫排斥作用。由于这种通用的干细胞比病人个体化定制的干细胞更容易生产,因此这个方法让我们距离实现再生医学的终极目标更近了一步。

“科学家们一直在吹捧多功能干细胞的治疗潜力,这些细胞可以生长成为任何成年人组织,但是免疫系统是安全有效的干细胞疗法最大的障碍。”该研究领导作者、加州大学旧金山分校的心脏外科讲座教授Tobias Deuse博士说道。

为了让免疫系统无法识别这些干细胞,研究人员使用CRISPR-Cas9系统敲除了干细胞的主要组织相容性复合物(major histocompatibility complex,MHC)1和2对应的基因并使之高表达CD47,发现无论是小鼠还是人体来源的iPSCs都失去了免疫原性。这种无免疫原性的ipsCs可以维持它们的多功能干细胞的潜能以及分化的能力。

由无免疫原性的小鼠或者人ipsCs分化而来的内皮细胞、平滑肌细胞、心肌细胞都成功地避开了MHC完全不匹配的异体受体的免疫排斥作用,同时在不使用免疫抑制剂的情况下可以长期存活。这些发现表明这种无免疫原性的细胞移植物可以进一步开发用于通用的移植产品。

4.日本开展临床试验利用干细胞疗法治疗脊椎损伤
新闻来源:Japan trial to treat spinal cord injuries with stem cells


最近,日本研究人员将使用一种干细胞进行临床试验,试图治疗脊髓损伤。东京庆应义塾大学的研究小组已经获得了政府的批准,该试验使用所谓的诱导多能干(iPS)细胞 - 这种细胞有可能发展成体内的任何细胞 - 来治疗严重脊髓损伤的患者。

(图片来源:www.pixabay.com)

该大学表示,该试验预计将于今年晚些时候开始,最初将集中对4名患者展开治疗,这些患者在术前14至28天内发生脊椎损伤。该团队将把200万个iPS细胞移植到患者的脊柱中,然后进行康复治疗并进行一年的监测。该大学补充说,对参与人数的严格限制是必要的,因为这个过程是“前所未有的,世界上第一个临床试验”。

据报道,该研究将针对18岁或以上完全失去运动和感觉功能的患者进行。研究人员表示,该试验的主要目的是确认移植细胞的安全性和移植方法。

5.PNAS:细胞替代疗法可用于治疗肌营养不良症
doi:10.1073/pnas.1808303116


明尼苏达大学医学院最近一项研究为利用细胞疗法治疗肌营养不良带来了新的希望。在这一发表在美国国家科学院院刊(PNAS)上的研究中,作者深入地研究了体外产生的细胞如何达到肌肉再生的目的。

多年来,研究者们率先在体外从多能干细胞培养分化产生肌肉干/祖细胞。这些细胞在移植到患有肌营养不良症的小鼠后能够产生新的功能性肌肉。如今,研究人员已经推进了这些研究结果,首次确定了培养皿中产生的肌肉干细胞的分子特征。

“虽然移植的肌肉干细胞与成年肌肉细胞看起来不一样,但它们看起来也不再像胚胎细胞那样,因此,这些细胞在被移植到肌肉环境后会发生变化,”作者说到。

“我们早就已经知道知道肌肉干细胞在移植之后会发育产生新的肌肉细胞,但对组织环境在这一过程中的影响并不清楚。对此,我们这一研究了解了环境起着的具体作用,这是一个令人兴奋的发现,”作者说到。 “在分子和功能水平上了解移植后这些细胞发生的变化,对于为未来的治疗应用提供理论基础尤为重要。”

6.eLife:科学家鉴别出与自闭症发病相关的基因突变
doi:10.7554/eLife.40092


近日,一项刊登在国际杂志eLife上的研究报告中,来自加拿大多伦多大学病童医院等机构的科学家们通过研究深入阐明了神经细胞突变对人类自闭症相关特性的影响。如今自闭症谱系障碍和自闭症患者常常会对一种特殊疗法产生反应,即用诱导多能干细胞(ipsCs)衍生的神经元细胞来治疗患者,诱导多能干细胞能产生人体所需要的任何一种类型的细胞,但较高的成本意味着在单一的从测试中仅会有少数的诱导多能干细胞被使用,这就明显限制了自闭症的研究,因此目前研究人员继续在自闭症研究领域取得新的突破。

这项研究中,研究人员通过研究建立了一种可伸缩的iPSCs衍生神经元模型来改善自闭症领域的研究,研究者开发出了一种新型的资源库,该资源库中包含来自25名自闭症个体衍生的53种不同的iPSC细胞系,这些自闭症个体携带广泛的罕见遗传性突变。利用CRISPR基因编辑技术,研究人员开发出了四对等基因的ipsC细胞系(相同或类似遗传组成),这些细胞系携带或不携带遗传突变,他们想通过研究阐明突变对个体机体自闭症特性的影响。

研究者Eric Deneault博士说道,我们利用大规模的多电极阵列神经元记录和更传统的膜片钳记录来调查ipsC细胞系的突触特性和电生理特性,研究结果揭示了遗传突变和神经元细胞特性之间的诸多有趣的关联。最让研究人员不可思议的研究发现是,缺失CNTN5或EHMT2基因的神经元会出现一致的自发性神经网络过度活跃,其会诱发人群出现自闭症特点,这种极度活跃神经网络的发现与当前研究人员对自闭症的观点一致,这就为后期深入研究自闭症的发病机制提供了新的思路和希望。

7.Gene Therapy:科学家开发出高效重编程干细胞的新型系统
doi:10.1038/s41434-019-0058-7


诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cell)是许多再生医学研究的主力军,其能从分化细胞开始,当暴露在一系列复杂的遗传混合制剂中时就会被重编程为多能干细胞,近日,一项刊登在国际杂志Gene Therapy上的研究报告中,来自梅奥诊所的科学家们通过研究表示,利用麻疹病毒载体,他们就能实现将四个重编程因子的多载体过程转化称为单一循环的载体过程。这一过程是安全、稳定、快速且能应用于临床实践中。

此前,四种重编程因子(蛋白质OCT4,SOX2,KLF4和cMYC)能被引入细胞中诱导其以适当的方式进行改变,从而达到研究者的预期结果,这就会导致潜在部分重编程细胞的出现,因为并不是所有细胞都接受了重编程所需的四个因素;这项研究中,研究者就将上述四个重编程因子整合入麻疹病毒载体中,使这一过程一步完成,而且所有的靶向性细胞都能被潜在重编程。

值得注意的是,研究者所使用的麻疹病毒是减毒过的,即去除了病毒的危险因素,正如它们在疫苗中一样,同时病毒也能作为运输其它遗传物质的载体,麻疹病毒因其安全、快速及可靶向性操作经常会被研究者使用。最后研究者表示,一种不进行基因组修饰的临床可用的重编程系统或许能使诱导多能干细胞疗法的广泛应用成为可能,在这些疗法中,研究者就能使得患者自身的细胞被重编程,从而在特定的疾病器官中发挥作用,避免细胞排斥的风险。

8.Cell:新研究有望增加干细胞重编程效率
doi:10.1016/j.cell.2019.01.006


单细胞RNA测序(scRNA-seq)可揭示单个细胞在一个给定时刻表达哪些基因,并且能够提供关于细胞随时间的推移如何发生变化的大量数据。然而,scRNA-seq会破坏细胞,因此科学家们无法精确追踪细胞从一种状态转变到另一种状态时所采用的发育路径。因此,人们并未太多地了解细胞在正常胚胎发育过程中或者当从一种成熟状态重编程为一种干细胞状态时如何发生转化。

在一项新的研究中,为了解决这个问题,来自美国布罗德研究所的研究人员利用一种强大的称为“最佳运输(optimal transport)”的数学方法构建出一种称为Waddington-OT的框架。他们随后在对干细胞重编程开展的大规模scRNA-seq时间进程研究中使用这种方法来预测细胞群体如何从一种状态转变到另一种状态。它为生物界提供了新的分析能力和巨大的发育路径数据。相关研究结果在2019年2月7日的Cell期刊上,论文标题为“Optimal-Transport Analysis of Single-Cell Gene Expression Identifies Developmental Trajectories in Reprogramming”。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.01.006。

具体而言,这些研究人员在追踪将成熟细胞(在这项研究中,指的是小鼠成纤维细胞)重编程为诱导性多能干细胞(ipsC)的发育过程的大规模scRNA-seq研究中使用了Waddington-OT。在将Waddington-OT应用于所产生的数据集后,他们发现细胞重编程引起的发育程序和状态变化比之前认为的更加广泛。比如,在这种重编程过进展到一天半中,他们观察到这些细胞开始分为两个主要的细胞群体:一个细胞群体产生基质样细胞(支持性的结构和结缔组织细胞);另一个细胞群体经历上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT),产生类似于ipsC、神经元和胎盘细胞的细胞。此外,他们观察到这些早期的细胞命运并非是固定的:在一个细胞群体中开始发育的一些细胞随后转化为另一个细胞群体中的细胞。

在随后的实验中,这些研究人员根据Waddington-OT的预测结果,探究了将一种称为Obox6的转录因子和一种称为GDF9的细胞因子添加到重编程细胞中如何可能影响重编程效率。正如Waddington-OT所预测的那样,这两种蛋白因子增强干细胞增殖,这就表明Waddington-OT可能有机会改善这种重编程过程的效率。

9.Cell Stem Cell:重大突破!首次诱导多能干细胞产生杀死肿瘤细胞的成熟T细胞
doi:10.1016/j.stem.2018.12.011


在一项新的研究中,来自美国加州大学旧金山分校的研究人员首次证实他们开发出的一种技术诱导多能干细胞---它们能够产生体内的每种细胞类型,并且可在实验室里无限制地生长---产生能够杀死肿瘤细胞的成熟T细胞。这种技术使用一种称为人工胸腺类器官(thymic organoids)的三维结构。这种人工胸腺类器官通过模拟胸腺环境发挥作用。在胸腺中,T细胞是由造血干细胞产生的。相关研究结果于2019年1月17日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Organoid-Induced Differentiation of Conventional T Cells from Human Pluripotent Stem Cells”。论文通讯作者为加州大学旧金山分校的Gay Crooks博士。
在人工胸腺类器官中,人胚胎干细胞产生T细胞(红色轮廓),图片来自UCLA Broad Stem Cell Research Center/Cell Stem Cell。

T细胞是抵抗感染的免疫系统细胞,但也有消除癌细胞的潜力。通过使用加州大学旧金山分校开发出的这种技术让自我更新的多能干细胞产生T细胞的能力可能导致人们开发出新的癌症免疫疗法,并可能促进人们进一步研究针对HIV等病毒感染和自身免疫疾病的T细胞疗法。这种技术最有希望的一个方面是它可以与基因编辑方法相结合,以便创造出几乎无限制的T细胞供应用于大量患者体内而无需使用患者自己的T细胞。

10.Nat Neurosci:科学家阐明自闭症谱系障碍发生的分子机制
doi:10.1038/s41593-018-0295-x


自闭症谱系障碍(Autism spectrum disorder,ASD)是一种相对常见的机体交流和行为发育障碍,其在美国影响着1/59的儿童的健康,尽管这种疾病如此流行,但目前研究人员并不清楚诱发该疾病的原因以及如何有效治疗该病;近日,一项刊登在国际杂志Nature Neuroscience上的研究报告中,来自索尔克研究所的科学家们通过研究将来自ASD个体机体的干细胞与正常个体机体的干细胞进行对比,首次阐明了ASD个体机体衍生细胞发育模式和速度上的差异;相关研究结果或能帮助研究人员开发出能早期诊断ASD的新方法。

研究者Rusty Gage说道,这项研究中尽管我们对培养中的细胞进行了研究,但相关结果或能帮助我们理解基因表达的早期改变如何导致ASD个体大脑发育的改变,本文研究或为后期研究神经精神病学和神经发育障碍提供新的思路和方法。这项研究中,研究者对来自8名ASD个体及5名正常个体机体的干细胞进行研究,将其转化成为多能干细胞,随后将这些多能干细胞暴露于特定化学因子中诱导其转化称为神经元细胞。

通过利用干细胞不同发育阶段的分子“快照”信息,在干细胞发育为神经元的过程中研究者就能够以特定的顺序追踪细胞处于开启状态的遗传程序,这或许就能揭示来自ASD个体的细胞表现出的关键差异,比如研究者就观察到,在ASD细胞中,与神经干细胞阶段相关的遗传程序会在早期阶段开启,这种遗传程序包括与高几率ASD患病风险相关的许多基因,此外,相比对照组而言,最终由ASD个体发育所产生的神经元细胞会生长迅速并表现出更为复杂的分支。

研究者Simon Schafer说道,目前科学家们假设,早期大脑发育的异常会导致自闭症发生,但他们并不清楚正常发育的大脑如何转化成为ASD的表现,本文研究中,研究人员确定了关键的发育时期和相关的细胞状态,这或许就能帮助研究者发现ASD发生过程中的常见病理学特点。相关研究结果或能帮助研究人员更加地细化当前的方法框架,并在患者出现疾病症状前理解早期的细胞生物学事件,同时本文研究还能帮助研究者开发更多动态学方法,来研究参与ASD发生和进展过程的多种机制。(生物谷 Bioon.com)

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