Cell：利用合成组织者细胞诱导胚胎干细胞发育来再生和修复器官

在一项新的研究中，来自西达赛奈医学中心和加州大学旧金山分校的研究人员发现了一种新的方法来传递指令，告诉小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）生长成特定的身体结构，这是最终再生和修复组织和器官的关键步骤。

相关研究结果于2024年12月19日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Synthetic organizer cells guide development via spatial and biochemical instructions”。

这些作者设计出形成特定身体结构的细胞，即合成组织者细胞（synthetic organizer cell）。这些组织者细胞通过称为形态发生素（morphogen）的生化信号向小鼠ESC提供指令，这些信号刺激并使得这些干细胞生长成特定的复杂组织和器官样组件。

论文共同通讯作者、西达赛奈医学中心儿童健康执行副院长Ophir Klein医学博士说，“我们可以利用这些合成组织者细胞来推动小鼠ESC制造早期胚胎的不同部分，或制造心脏或其他器官。”

在一个例子中，这些作者能够诱导小鼠ESC开始形成从头到尾延伸的小鼠身体，类似于子宫中的正常胚胎发育。在另一个例子中，他们能够刺激这些干细胞产生一种大型的心脏样结构，该结构具有一个中央腔室和一个有规律的跳动，以及一个早期血管网络。

论文共同通讯作者、加州大学旧金山分校细胞与分子药理学教授Wendell Lim博士说，“这种类型的合成组织者细胞平台提供了一种与小鼠ESC形成接口并对其发育进行编程的新方法。通过控制和重塑小鼠ESC分化和发育的方式，它可能使我们能够生长出更好的器官用于移植或用于疾病建模的类器官，并最终利用它来驱动活的患者体内的组织再生。”

为了引导合成组织者细胞和控制小鼠ESC发育，这些作者将遗传密码上传到这些合成组织者细胞中，并在它们中设计了两个关键特征。首先，他们指示合成组织者细胞以在小鼠ESC团周围聚集的节点或外壳的形式粘附在这些干细胞上。其次，他们改造了这些合成组织者细胞，使其产生对诱导早期胚胎发育至关重要的特定生化信号。

为了有效和精确地控制合成组织者细胞，这些作者在这些细胞内开发了一种化学开关，从而能够打开或关闭传递到小鼠ESC中的指令。此外，他们还安装了一种“自杀”开关，以便在需要时消除这些合成组织者细胞。

Lim说，“这些合成组织者细胞表明，我们可以通过在何时何地提供特定的形态发生素信号，为小鼠ESC提供更精细的发育指示。这些合成组织者细胞携带空间信息和生化信息，从而为我们提供了前所未有的控制能力。”

Klein说，使用工程化的合成组织者细胞最终可能让科学家们在未来构建现实世界的应用程序。Klein说，“诱导小鼠ESC的编程指令的卓越科学有朝一日可能会为解决复杂疾病打开大门。我们可能在更大的组织甚至整个器官的背景下产生特定的细胞类型，如制造胰岛素的β细胞或治疗帕金森病的神经元。这项研究开辟了许多新的、令人兴奋的可能性。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Toshimichi Yamada et al. Synthetic organizer cells guide development via spatial and biochemical instructions. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.11.017.