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科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

时间:2019-06-07|栏目: 生物 • 医学 |点击:2

    几十年来,科学家都在追求能够在体外大量扩增造血干细胞(HSC)的办法。

    造血干细胞移植是血液肿瘤等血液病的终极解决方案,也与近几年火热的基因治疗相关。但造血干细胞扩增之难始终局限着临床应用。

    如今这个问题有了一个意想不到的解答。美日两国科学家团队联手发现,阻碍造血干细胞扩增的是培养基中存在的血清白蛋白,将其替换为一种高分子材料聚乙烯醇(PVA)即可令造血干细胞持续自我更新。在最优培养条件下,小鼠造血干细胞在28天内扩增了近千倍!

    该论文发表在近期的《自然》杂志上[1],通讯作者是斯坦福大学遗传学教授中内启光(Hiromitsu Nakauchi)和东京大学干细胞生物学副教授山崎聪(Satoshi Yamazaki)。

    科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

    图源 | nature.com

    多能自我更新造血干细胞移植后可以再生造血系统,是免疫缺陷、白血病在内多种疾病的治疗方法,即我们常说的骨髓移植。

    但这种疗法有个问题。造血干细胞数量稀少,为了保证稳定定植,需要对患者进行放射或化学疗法事先清除原有的造血干细胞,也就是俗称的“清髓”。这一方面是为了给“新来的”供体细胞提供居住空间,一方面也是为了抑制免疫功能,避免它们误杀外来者。

    但清髓谈何容易,免疫抑制、发育迟缓、不育、继发性癌症等副作用虎视眈眈,更别说有些体质较弱或年纪较大的患者根本无法耐受,自然也就没法做骨髓移植。

    科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

    图源 | pixabay

    长时间里,科学家们一直在猜测,是不是一次性移植大量的造血干细胞,采用“人海战术”就能够避免清髓的必要呢?

    验证这个猜想很难,追根究底,问题在于,造血干细胞太难养了。

    体外培养造血干细胞,情况与体内十分不同。就算用再昂贵的培养基,造血干细胞永远不肯乖乖自我更新,而是很快就分化成前体细胞、失去干性。科学家们几十年里一直在研究骨髓微环境[2],试图破解造血干细胞稳定扩增的奥秘,但至今还没人能搞定这个难题[3]。

    到底是哪里不行?

    研究者们分析了培养过程中培养基成分的变化,发现大量细胞因子的出现促进了干细胞的分化,而这些细胞因子的组成,看起来非常像是发生了先天性免疫反应。研究者向培养基中添加了地塞米松,细胞因子便减少了。

    科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

    细胞因子的变化显示,有炎症反应

    经过进一步分析,研究者发现,没错,培养基是被“污染”了,坏事儿的居然是培养基中的一种常见成分——人血清白蛋白(HSA)。

    难怪以前的研究都不成功!

    既然这样,把HSA替换掉应该就可以了!HSA在培养基中主要是起到载体的作用,研究者测试了11种高分子化合物,筛选出唯一一种能够支持造血干细胞生长和维持干性的物质,聚乙烯醇(PVA)。

    值得一提的是,PVA培养出的造血干细胞,在移植实验中甚至还比HSA培养出的活性更强一些。

    科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

    移植实验:PVA,强,无敌!

    这个PVA是什么神物?其实PVA还蛮常见的,比如医疗用的水性凝胶、伤口敷料,各种化妆品的成膜剂,工业建筑材料,可降解生物膜之类。当然,最常见的还是下面这个东西——胶水。

    科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

    图源 | 我自己

    事实上,在日本媒体的采访中,山崎副教授确实提到,用便利店买的液体胶做实验也成功了……

    #当然我们不建议用便利店售材料养细胞

    ##山崎老师这种话怎么可以告诉媒体辣

    研究者确定了最佳的条件为100 ng/ml血小板生成因子(TPO),10 ng/ml干细胞因子(SCF),87%水解PVA,纤连蛋白培养。在这个条件下,50个小鼠造血干细胞28天后数量足足增长了8000倍!

    科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

    这些细胞中造血干细胞频率大约为1:34.3,也就是差不多35个细胞中有一个是功能性造血干细胞,相当于28天培养出了12000个造血干细胞。与既往研究给出的数据[4]比较,可知造血干细胞本身的扩增大约在236倍到899倍之间。

    在实验中,培养持续到57天,细胞仍可保持干细胞活性和相关表型,也未出现衰老征兆。

    科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

    厉害,时间真的长

    不过和前人的认知一样[5],造血干细胞具有明显的功能异质性。研究者观察到,某些单个造血干细胞只能够产生不到100个细胞,另外一些则能够产生50万以上。

    那么“人海战术”能帮我们告别清髓吗?

    研究者把扩增后的造血干细胞直接移植给小鼠,包括免疫功能正常的和缺陷的。虽然未经清髓处理,但最后小鼠都生长出了来自自体和供体两者的血液/免疫细胞,证明移植成功了。

    科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增

    除了在骨髓抑制方面的应用之外,中内教授还提到,如果在培养过程中使用CRISPR等基因编辑技术修正遗传缺陷,那么患者用自己的细胞来进行基因治疗也是很可行的[6]。

    山崎副教授在采访中说;“大规模培养能够消除脐带血和造血干细胞短缺的问题,也能够减轻骨髓抑制的负担。”如果其他干细胞也能够用同样的办法培养,“它可能会为再生医学和基础研究做出巨大的贡献。”


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