人生小哲理幹細胞者說
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正文
幹細胞作為細胞治療的主角，在器官修復和組織再生中發揮著重要作用，具有廣闊的應用前景。今天，我們匯總一下幹細胞領域的研究焦點，主要聚焦於幹細胞微環境，幹細胞與材料，腫瘤幹細胞，間充質幹細胞和誘導多能幹細胞。
撰文：小明月
來源：幹細胞者說
幹細胞作為細胞治療的主角，在器官修復和組織再生中發揮著重要作用，具有廣闊的應用前景。他們是機體的工兵細胞，當其他細胞和組織、器官發生受損、炎症或體內穩態發生變化時，幹細胞就可能成為血液、骨、皮膚、肌肉等的種子細胞，進一步分化成機體所需要的細胞。
01
改變幹細胞微環境硬化，逆轉大腦衰老
——Nature
隨著年齡的增長，人類的肌肉和關節會變得僵硬，使日常活動越發困難。一項發表在國際頂級期刊的新研究表明，我們的大腦也是如此，與年齡有關的大腦微環境的硬化對神經系統的幹細胞功能有著重要影響。
2019年8月15日，英國劍橋幹細胞研究中心的研究團隊在Nature上發表了題為《Niche stiffness underlies the ageing of central nervous system progenitor cells》的文章，揭示了PIEZO1蛋白可以改變衰老進程中幹細胞微環境，促進少突膠質細胞祖細胞（OPCs）功能。
文章結論：
年齡相關的大腦微環境的硬化可能是OPCs功能衰退的原因。
老年小鼠的OPCs可在新生小鼠的幹細胞微環境中被激活。
微環境的改變可能是成體幹細胞衰老的主要原因。
如果微環境對幹細胞的影響機制在人體身上也可以適用，那麼可能將會為基礎研究和再生醫學做出巨大的貢獻，實現「返老還童」為期不遠矣。
[1]https://doi.org/10.1038/s41586-019-1484-9
更多閱讀：Nature ：大腦里的幹細胞衰老原因可能是微環境的改變
02
破解謎題：iPSC未能在臨床上修成正果之謎
——Nat Biotech
2006年，日本科學家山中伸彌首次將小鼠成纖維細胞轉入4個轉錄因子而製備成功iPSCs。很多人認為，iPSC將成功進入臨床，並帶來再生醫學革命。然而，現實狀況並沒有大家想像的那麼美好，臨床前研究表明，來源於iPSCs的細胞移植常常被排斥，基於這類技術的療法並沒有成為最初設想的靈丹妙藥。
最近，加州大學舊金山分校移植和幹細胞免疫生物學（TSI）實驗室，以及美國NIH，史丹福大學的研究人員合作。研究證實，成熟細胞向iPSC轉化的過程會使線粒體中的DNA發生突變，而這些突變之後會觸發免疫反應，導致小鼠和人類排斥iPSCs。
這一研究發現公布在8月19日的Nature Biotechnology雜誌上。
在工作負荷大的細胞中，如心肌細胞，細胞產生蛋白的mRNA分子中有三分之一來源於線粒體。細胞移植後，受體的免疫細胞只會被來自器官供體的「外來」線粒體蛋白質觸發。iPSCs的轉化過程具有高度的誘變性，導致了許多新的能激活免疫反應的線粒體突變。
在培養皿中培養iPSCs的時間越長，引入新突變的可能性就越大，或者，已存在的罕見突變會被放大，這就會使得來源於iPSC 的細胞在移植後更容易被排斥。由於在iPSCs生產過程中很容易引入突變，因此在移植前篩查用於治療的iPSCs和幹細胞產品的線粒體突變至關重要。
iPSCs移植並不是一定就此「game over」了，他們發現了一種讓iPSCs對免疫系統「隱形」的方法，這種技術可以確保iPSCs和其他幹細胞線粒體突變不會被排斥。
或許，未來自體iPSCs移植在臨床上可以修成正果。
[2]Tobias Deuse et al. De novo mutationsin mitochondrial DNA of iPSCs produce immunogenic neoepitopes in mice and humans. Nature Biotechnology (2019).
03
膠原蛋白作為墨水，列印一顆跳動的心
——Science
儘管當下3D列印生物器官已經取得了里程碑式成果，但在用活細胞和軟生物材料列印方面仍有困難。其中一個關鍵的障礙就是，缺乏列印過程中支持柔軟和動態的生物材料，以實現重建複雜的3D結構和功能所需的解析度和保真度。
現在，美國卡耐基梅隆大學（CMU）的研究人員找到了解決方案。他們開發了一種叫做Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels（FRESH）技術，以膠原蛋白為生物墨水，3D生物列印了人類心臟的功能性部件（血管、瓣膜和心室搏動），並實現了前所未有的解析度和保真度。相關研究結果發表在《Science》雜誌上。
人體的每一個器官，都是由一種叫做細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的生物支架，將各種特殊的細胞組成在一起的。ECM蛋白網絡提供了細胞執行正常功能所需的結構和生化信號。然而，到目前為止，還不可能使用傳統的生物製造方法重建這種複雜的ECM結構。
最初天然的膠原蛋白應用於3D生物列印也有困難，因為它是液態的，在空氣中列印就只會得到一灘水。Feinberg實驗室開發的FRESH 3D生物列印方法允許膠原蛋白在支持凝膠中逐層沉積，使膠原蛋白有機會在從支持凝膠中取出之前固化。使用FRESH技術，列印完成後，通過將凝膠從室溫加熱至體溫，即可將支持凝膠融化。這樣，研究人員就可以在不破壞膠原蛋白或細胞列印結構的前提下移除支持凝膠。
目前仍然存在的挑戰是，列印大型組織需要數十億的細胞，如何實現製造規模以及遵循監管程序，以便能在動物和人類中進行測試。儘管任重道遠，但我們距離實現3D生物列印全尺寸人類心臟的夢想又近了一步。
文章結論：
開發了一種叫做FRESH技術，以膠原蛋白為生物墨水，3D生物列印了人類心臟的功能性部件（血管、瓣膜和心室搏動），並實現了前所未有的解析度和保真度。
[3]https://doi: 10.1126/science.aav9051
04
追蹤腸道幹細胞起源——不僅僅是LGR5+細胞
——Nature
成年人的腸道幹細胞是位於腸組織基底部的LGR5+的細胞，成年人的LGR5+細胞能夠分化為所有類型的腸道上皮細胞，以更新腸道上皮組織。儘管胎兒期的腸道幹細胞LGR5+細胞能夠為成人腸道組織提供幹細胞，但是LGR5+細胞是否是唯一一種成人腸道幹細胞的前體細胞還不清楚。
近期，來自哥本哈根大學的Kim B. Jensen課題組和劍橋大學的Benjamin D. Simons課題組聯合發表了題為Tracing the origin of adult intestinal stem cells的文章，研究指出存在非LGR5+的胎兒腸道細胞也能夠通過重塑（remodelling）和裂變（fission）作為成人腸道幹細胞的前體細胞。
腸道是由胚胎的假復層腸管形成的，在胚胎末期由LGR5-和LGR5+細胞形成絨毛和絨毛間區。絨毛間區是主要形成腸道的增殖區，並在出生後形成隱窩。作者在胚胎16.5天時，利用譜系追蹤技術，發現LGR5+確實是成年腸道幹細胞的重要來源。
如果能夠將胚胎前體細胞誘導為成人幹細胞的機制闡明清楚，則能夠提供體外誘導成年組織幹細胞的潛在方法。為了解從多能幹細胞中分化為腸道幹細胞分化步驟奠定了基礎。
[4]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1212-5
05
破解胰島β細胞關鍵技術，推動糖尿病幹細胞療法
——Nature
今年5月，在頂級生物期刊自然（Nature）上再次發表了新成果，報道了能夠在體外培養β細胞分化的時候，盯牢α細胞+β細胞，把α細胞+β細胞先單獨分離出來，再放在一起形成可用於移植的類似胰島的結構。
梅教授使用單細胞RNA測序技術可以檢測每個階段的細胞分化情況，並且使用單細胞分離和重聚團培養技術把需要的細胞類型分離出來。三種內分泌型細胞中，有一種叫SC-β細胞具有β細胞的特性，而且可以聚團成幹細胞誘導的胰島。這種方法將轉化幹細胞樣本中的β細胞純度從30%提高到80%。
這項研究意義重大，讓我們離胰島β細胞替代療法在臨床上得以應用更近一步。或許在不久的將來，人類會開啟胰島細胞治療1型糖尿病的新時代！
[4]Harvard News : Improving cell therapy for diabetes.
更多閱讀：《自然》重磅：破解製備胰島β細胞關鍵技術，治癒1型糖尿病值得期待
06
間充質幹細胞微囊化，開創幹細胞療法新時代
——PNAS
眾所周知，間充質幹細胞由於具有抑制免疫反應、促進造血重建的作用，能夠有效防治急性及慢性移植物抗宿主病（aGCHD、cGVHD）。與造血幹細胞聯合移植的臨床試驗結果顯示，間充質幹細胞能促進造血幹細胞植入。但間充質幹細胞自身仍然可能被體內的免疫系統攻擊，從而清除出體外。如果能更久的存活，間充質幹細胞就能更好的幫助骨髓移植。
近日，哈佛大學維斯生物工程研究所（Wyss）和哈佛幹細胞計劃的研究人員發表在PNAS《美國國家科學院院刊》雜誌上的一種單細胞封裝技術，能有效地保護移植的間充質幹細胞（MSCs）不被清除並免受免疫攻擊，提高了小鼠骨髓移植的成功率。
如此一來，間充質幹細胞臨床應用中輸入體內後，無法長期停留在體內而是會隨著時間的延長而被機體清除的這一影響其治療效果的難題也或將被解決。這將進一步推進了間充質幹細胞治療的發展。
研究人員對原來的海藻酸鹽微凝膠進行了改進，加入了另一種與海藻酸鹽交聯的化合物，使微凝膠更加堅硬，能夠更好地抵抗人體的免疫系統和清除機制。他們培養了封裝後的MSCs，以刺激它們分裂產生更多的細胞。
研究小組發現，9天後，接受 MSCs 微凝膠治療的小鼠骨髓中的同種異體細胞數量是未接受 MSCs 治療的小鼠的兩倍。同樣，微凝膠間充質幹細胞也比無凝膠間充質幹細胞表現得更好。
文章結論：
利用一種非基因技術，來大幅提高MSCs在移植環境下的存活率，很好地補充了基因工程的不足，是臨床缺少的。
[6]Coating cells in hydrogel help protect implanted tissue from the immune system
07
利用小分子Gboxin殺死腫瘤幹細胞
——Nature
腫瘤幹細胞是一群分裂相對不活躍、成瘤能力強，並有高度幹細胞特性的腫瘤細胞，最早在白血病中發現有這類細胞的存在。如化學療法和放射療法等傳統的能有效殺死腫瘤細胞的治療手段，並不能有效傷害腫瘤幹細胞。它們依然可以存活，並介導腫瘤藥物耐受、腫瘤遷移和腫瘤復發。因此，研究腫瘤幹細胞的生物學特性，探究分子和細胞機制，為靶向腫瘤幹細胞提供了依據。
近日，美國紀念斯隆-凱特琳癌症中心的研究團隊在Nature上發表長文Gboxin is an oxidative phosphorylation inhibitor that targets glioblastoma，利用高通量篩選揭示了小分子Gboxin可以特異性地抑制原代膠質瘤母細胞生長。
研究者用小分子篩選來研究原代培養的膠質母細胞瘤細胞的生物學特性。在初篩得到的幾千個能有效殺死膠質母細胞瘤細胞的小分子中，去除了那些對原代培養的野生型細胞亦有殺傷能力的小分子。再經過一系列篩選，最終得到了3個小分子, 其中包括Gboxin。Gboxin能高特異性地殺死 膠質母細胞瘤細胞。
文章結論：
腫瘤幹細胞有區別於正常細胞的線粒體特徵，而針對腫瘤幹細胞線粒體是一個設計腫瘤藥物的好思路。
[7]https://www.nature.com/articles/s41586-019-0993-x
08
揭秘大腦幹細胞被激活的分子機制
——Cell Rep
眾所周知，我們的大腦並不善於再生因損傷或疾病而丟失的細胞，儘管利用神經幹細胞（NSCs）進行治療有望替代損傷的細胞，但科學家們需要了解這些細胞在大腦中的作用方式，以便能夠開發出有效的治療方法。
近日，一項刊登在國際雜誌Cell Reports上的研究報告中，來自普利茅斯大學的科學家們通過研究闡明了神經幹細胞從通常的休眠狀態「醒來」並開始活動的分子機制，神經幹細胞能在大腦中產生神經元細胞和周圍的神經膠質細胞。通過理解神經幹細胞的工作機制，研究人員或有望開發出新型療法來加速神經元和神經膠質細胞的再生過程。
這項研究中，研究人員通過對果蠅進行研究發現，一種能形成復合體的特殊分子STRIPAK對於促進神經幹細胞再度激活非常重要。這種分子在包括真菌和人類等多種有機體中都存在。
[8]doi：10.1016/j.celrep.2019.05.023
09
利用幹細胞首次製備「血腦屏障」晶片「
——Cell Stem Cell
近日，來自內格夫本古里安大學等機構的研究人員，首次創造了一種含有幹細胞的人類血腦屏障（BBB）晶片，用於開發個性化醫療和研究腦部疾病的新技術。用於開發個性化醫療和研究腦部疾病的新技術，相關研究刊登在Cell Stem Cell雜誌上。
血腦屏障阻止血液中的毒素和其他外來物質進入腦組織並造成損害。但它也可以防止治療藥物到達大腦。神經系統疾病如多發性硬化症，癲癇，阿爾茨海默病和亨廷頓氏病，共同影響全世界數百萬人，與血腦屏障缺陷有關。在這項研究中，研究人員將從個體收集的血細胞重編程成為幹細胞（稱為誘導多能幹細胞），可以產生任何類型的細胞。之後，作者將細胞置於微流體BBB器官晶片上，其尺寸大約為AA電池，其中包含細小的空心通道，內襯有數萬個活細胞和組織。
[9]doi：10.1016/j.stem.2019.05.011
10
觸碰聖杯，造血幹細胞擴增技術有望破解
——Nature
2019年5月，世界頂級期刊Nature一篇論文中，來自東京大學和史丹福大學的研究團隊發明了一種新的無血清培養體系，成功在實驗室中穩定地培養出造血幹細胞。結果顯示，從小鼠骨髓中獲得原始的50個造血幹細胞，體外增殖28天，可以得到長期保持活性的造血幹細胞。原始樣本中的造血幹細胞數量增加了236倍到899倍，達到了前所未有的水平。當他們把新生長的細胞移植到沒有接受過清髓預處理的小鼠體內時，這些動物的血液和免疫細胞都是從移植的造血幹細胞和自身的造血幹細胞中發展而來，這表明移植的幹細胞已經成功並發揮了功能。
如果這套培養體系可以成功地優化培養人源造血幹細胞，它可能會為再生醫學和基礎研究做出巨大的貢獻。
[10]Long-term ex vivo haematopoietic-stem-cell expansion allows non -conditioned transplantation .nature2019-5-29
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