研究顯示并非所有干細(xì)胞都是平等的

多倫多大學(xué)生物材料與生物醫(yī)學(xué)工程研究所(IBBME)和唐納利中心的研究人員發(fā)現(xiàn)了一大批細(xì)胞 - 被稱為“精英” - 在將分化細(xì)胞轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞的過程中起著關(guān)鍵作用。該發(fā)現(xiàn)對(duì)再生醫(yī)學(xué)具有重要意義。

干細(xì)胞具有轉(zhuǎn)化為特定細(xì)胞的能力 - 從肺到大腦。干細(xì)胞在胚胎中很常見，但在過去的15年中，一種稱為細(xì)胞重編程的技術(shù)使科學(xué)家能夠?qū)⒊墒旒?xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樗^的多能干細(xì)胞，并具有發(fā)育成任何細(xì)胞類型的能力。這項(xiàng)技術(shù)獲得了2012年諾貝爾獎(jiǎng)。

雖然很好地理解重編程，但對(duì)于個(gè)體重編程細(xì)胞如何在群體環(huán)境中表現(xiàn)的復(fù)雜性知之甚少。大學(xué)教授Peter Zandstra的小組(他是U of T和不列顛哥倫比亞大學(xué)的雙重任命)最近領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)研究，研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)一組細(xì)胞似乎在重編程方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該研究發(fā)表于今天的“科學(xué)”雜志。

Zandstra和他的團(tuán)隊(duì)使用從小鼠皮膚中提取的細(xì)胞，稱為小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(MEF)。他們使用DNA條形碼技術(shù)為每個(gè)MEF提供獨(dú)特的標(biāo)簽，在重新編程期間跟蹤單個(gè)細(xì)胞并將其與其親本群體相關(guān)聯(lián)。他們還使用計(jì)算建模來幫助理解生成的復(fù)雜數(shù)據(jù)并進(jìn)行在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的預(yù)測(cè)。

研究小組發(fā)現(xiàn)，在重新編程一周后，高達(dá)80%的原始細(xì)胞群被消除。在壓力重編程過程中，只有一小部分親代足以繁殖其克隆并轉(zhuǎn)變?yōu)楦杉?xì)胞。雖然這些細(xì)胞與其兄弟姐妹相比具有相似的基因組成和外觀，但它們更高的適應(yīng)性使它們能夠產(chǎn)生更多后代，即以更高的頻率克隆自身。該團(tuán)隊(duì)稱這些細(xì)胞為“精英克隆”。

“從廣義上講，細(xì)胞適應(yīng)性是指細(xì)胞直接或間接地與其鄰居競(jìng)爭(zhēng)的能力，”在唐納利中心完成博士研究并且是該文章的**作者的Nika Shakiba說。

“直接消除，一個(gè)細(xì)胞可以吞噬另一個(gè)細(xì)胞或釋放引發(fā)其死亡的化學(xué)物質(zhì)。但也存在間接競(jìng)爭(zhēng)，細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)培養(yǎng)皿中有限的營(yíng)養(yǎng)和空間池。這類似于類似的競(jìng)爭(zhēng)生態(tài)。

這一新發(fā)現(xiàn)說明了干細(xì)胞界的爭(zhēng)論。一些研究人員認(rèn)為，所有細(xì)胞都具有重新編程為胚胎干細(xì)胞樣狀態(tài)的能力，而另一些人認(rèn)為只有特定細(xì)胞亞群具有這種精英能力。Shakiba說雖然雙方都有證據(jù)，但最新的研究有利于后者的解釋。

“(我們的研究)要求人們通過克隆動(dòng)力學(xué)的視角來看待重編程現(xiàn)象 - 組成多細(xì)胞群體的克隆如何競(jìng)爭(zhēng)以及這如何影響整體人群，”她說。

Zandstra的團(tuán)隊(duì)與位于Donnelly中心的分子遺傳學(xué)教授Derek van der Kooy合作。通過使用由共同主要作者，分子遺傳學(xué)研究生Ahmed Fahmy開發(fā)的小鼠模型，作者能夠找到一系列具有Shakiba發(fā)現(xiàn)的“精英克隆”特性的MEF。這些細(xì)胞來源于被稱為神經(jīng)嵴的胚胎的一部分，其在皮膚，神經(jīng)元和平滑肌細(xì)胞的發(fā)育中起關(guān)鍵作用。研究人員假設(shè)神經(jīng)嵴細(xì)胞“命中注定要適合”。

“他們很幸運(yùn)，因此他們?cè)谥匦戮幊瘫荣愔姓紦?jù)了先機(jī)，”Shakiba說。“通過更早地達(dá)到預(yù)編程狀態(tài)，他們將比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更快地分裂。幾代之后，最初的開端變得更大。”

本文的研究結(jié)果對(duì)再生醫(yī)學(xué)也具有重要意義，包括干細(xì)胞用于制造特定組織的技術(shù)，然后將這些組織植入體內(nèi)以修復(fù)損傷。

“讓我們說我們想要將干細(xì)胞群體注入體內(nèi)以使心臟再生，”Shakiba說。“注射細(xì)胞能夠存活并融入天然組織的能力取決于這些細(xì)胞的競(jìng)爭(zhēng)能力 - 適應(yīng)性。除非我們對(duì)這些細(xì)胞如何競(jìng)爭(zhēng)有所了解和認(rèn)識(shí)，不僅是彼此競(jìng)爭(zhēng)，而是與內(nèi)源競(jìng)爭(zhēng)我們現(xiàn)在注射它們的細(xì)胞，我們無法真正預(yù)測(cè)或控制它們?cè)隗w內(nèi)會(huì)做什么。“

“我對(duì)這項(xiàng)研究感到非常興奮，因?yàn)樗虝?huì)了我們一些新的基礎(chǔ)知識(shí)，”贊德斯特說。“最終，它告訴我們，細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)是一個(gè)可控制的參數(shù)，可以設(shè)計(jì)來影響動(dòng)態(tài)再生過程的結(jié)果。

這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)該導(dǎo)致新的策略和技術(shù)在干細(xì)胞移植后重新組織體內(nèi)組織，或者確定使細(xì)胞更容易在克隆性疾病如癌癥中競(jìng)爭(zhēng)的方法。