生物医学工程师从干细胞中培育出有功能的人体肌肉


杜克大学的工程师们已经从非肌肉细胞中培育出了第一块有功能的人体肌肉——在这种情况下,皮肤细胞恢复到了原始干细胞状态。从细胞开始使用非肌肉组织的能力将允许科学家生长更多的肌肉细胞,为基因组编辑和细胞治疗提供更简单的途径,并为药物发现和基础生物学研究开发单独定制的罕见肌肉疾病模型。yabo124

生物医学工程师已经用诱导多能干细胞培育出了第一块有功能的人类骨骼肌。

这项进展是基于2015年发表的研究成果,当时杜克大学(Duke University)的研究人员从肌肉活检获得的细胞中培育出了首个功能正常的人体肌肉组织。从细胞开始使用非肌肉组织的能力将允许科学家生长更多的肌肉细胞,为基因组编辑和细胞治疗提供更简单的途径,并为药物发现和基础生物学研究开发单独定制的罕见肌肉疾病模型。yabo124

“从不肌肉细胞的多能干细胞开始,但可以成为我们身体中所有现有的细胞,使我们能够生长无限数量的肌源性祖细胞,”杜克大学生物医学教授的Nenad Bursac说。“这些祖细胞类似于成年肌肉干细胞,称为”卫星细胞“,从理论上可以从单个细胞中生长整个肌肉。”

在他们以前的工作中,Bursac和他的团队开始了从肌肉活检的人体细胞的小样本开始,称为“肌细胞”,它已经超出了干细胞阶段,但尚未成为成熟的肌肉纤维。它们通过许多折叠造成这些肌细胞,然后将它们放入填充有营养凝胶的支撑性3-D脚手架中,使它们允许它们形成对齐和功能的人肌纤维。

工程师从皮肤细胞中培育出功能性人体肌肉

由诱导多能干细胞生长的肌纤维的横截面。绿色为肌细胞,蓝色为细胞核,红色为周围细胞的支持基质。

在新研究中,研究人员代替人类诱导的多能干细胞。这些是从成年肌肉组织中取出的细胞,例如皮肤或血液,并重新编程以恢复原始状态。然后生长多能干细胞,同时用称为pax7的分子淹没 - 这使得细胞开始变成肌肉。

由于细胞增殖,因此它们变得非常相似,但不是与成人肌肉干细胞的不太稳健。虽然以前的研究完成了这一壮举,但没有人能够将这些中间细胞生长成功能性骨骼肌。

杜克大学的研究人员在之前尝试失败的地方成功了。

“已经采取了多年的审判和错误,使受过教育的猜测和培养婴儿步骤最终从多能干细胞产生功能性的人体肌肉,”Bursac的实验室博士后研究人员Lingjun Rao说,并进行了第一个研究员。“差异是我们独特的细胞培养条件和3-D矩阵,它允许细胞生长和发展得比更常用的2-D培养方法更快,更长。”

一旦细胞发育成肌肉,Bursac和Rao就停止提供Pax7信号分子,开始提供细胞完全成熟所需的支持和营养。

在研究中,研究人员显示,在3-D培养的两到四周后,所得到的肌肉细胞形成肌肉纤维,该肌纤维合同并反应外部刺激,例如模仿原生肌肉组织的电脉冲和生物化学信号。它们还将新生长的肌肉纤维植入成人小鼠,并显示它们在通过血管化逐渐整合到天然组织中的至少三个星期的生存和起作用。

然而,由此产生的肌肉不如天然的肌肉组织强壮,也不如之前从肌肉活检开始的研究中生长的肌肉。尽管如此,研究人员说,这块肌肉仍然具有更强壮、更年长的亲戚所没有的潜力。

研究人员利用皮肤细胞培育出功能性人体肌肉

新肌纤维的横切面染色。红色的细胞是肌肉细胞,绿色的区域是神经元输入的受体,蓝色的区域是细胞核。

多能干细胞衍生的肌肉纤维发育“卫星状细胞”的储存器,这对于正常的成年肌肉来修复损伤是必需的,而前一项研究的肌肉则较少的这些细胞。干细胞法也能够从较小的起始批料中生长多种细胞而不是活检方法。

这两种优势都指向了使用这种新方法进行再生治疗的可能性,以及为未来的研究和个性化医疗创造罕见疾病模型的可能性。

“研究罕见疾病的前景对我们来说尤其令人兴奋,”Bursac说。“当一个孩子的肌肉已经因为杜氏肌萎缩症等疾病而萎缩时,从他们身上提取肌肉样本并造成进一步伤害是不道德的。”但有了这项技术,我们就可以从皮肤或血液等非肌肉组织中取一小份样本,将获得的细胞还原为多能状态,最终生长出数量无限的功能性肌肉纤维以供测试。”

这项技术也有望与基因疗法结合使用。理论上,研究人员可以修复来自病人的诱导多能干细胞中的基因缺陷,然后生长出完全健康的小块肌肉。虽然这不能治愈或替代整个身体的患病肌肉,但它可以与更广泛的靶向基因疗法一起使用,或治疗更局部的问题。

研究人员目前正在改进他们的技术,以生长出更强健的肌肉,并开始研究罕见肌肉疾病的新模型。

出版物:Lingjun Rao,等人,“工程人类多能干细胞进入功能性骨骼肌组织,”自然通信9,物品编号:126(2018)doi: 10.1038 / s41467 - 017 - 02636 - 4

1评论“生物医学工程师从干细胞中生长了人体肌肉”

  1. 我对目前的文章很着迷,我想知道是否存在或已经有关动脉瘤修理的科学

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