誘導人胚胎干細胞快速和地產生12種高純度的中胚層細胞群體

在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學醫學院的研究人員繪制出快速地和地指導人胚胎干細胞變成骨細胞、心肌細胞和軟骨細胞等12種細胞中任何一種純的細胞群體所必需的生物學信號和化學信號。相關研究結果發表在2016年7月14日那期Cell期刊上，論文標題為“Mapping the Pairwise Choices Leading from Pluripotency to Human Bone, Heart, and Other Mesoderm Cell Types”。論文通信作者為斯坦福大學醫學院干細胞生物學與再生醫學研究所主任Irving Weissman博士和新加坡基因組研究所研究員Lay Teng Ang。論文*作者為來自斯坦福大學醫學院干細胞生物學與再生醫學研究所的研究生Kyle Loh和研究助理Angela Chen。

在幾天內而不是之前需要幾周或幾個月制造這些純的細胞群體的能力是實現臨床上有用的再生醫學的關鍵一步---潛在地允許科學家們產生新的跳動的心臟細胞來修復心臟病發作后的損傷，或者制造軟骨或骨組織讓破舊的關節再次恢復新的活力或從創傷中愈合。

這項研究也強調了關鍵的胚胎分節（embryo segmentation）期間發生的但持續時間不長的基因表達模式，并且證實人發育似乎依賴在很多動物中進化上保守的過程。這些認識可能也有助更好地了解先天缺陷是如何發生的。

Weissman博士說，“再生醫學依賴將人多能性干細胞分化為能夠移植到病人體內并且發揮功能的特化組織干細胞的能力。我們花了幾年時間才能夠分離出造血干細胞和造腦干細胞（brain-forming stem cell, 即形成大腦的干細胞）。在這項新的研究中，我們利用我們對很多其他動物模型發育生物學的了解提供號因子和負信號因子來指導這些組織干細胞和器官干細胞的發育選擇。在5到9天內，我們能夠產生幾乎所有我們需要的純細胞群體。”

探究奧秘

胚胎干細胞是多能性的，這意味著它們能夠變成體內任何一種細胞。為了做到這一點，它們對發育中的胚胎內的多種時間特異性和位置特異性的信號作出應對，從而指導它們變成特定類型的細胞。針對這種過程在魚、小鼠和青蛙等動物中如何受到控制，科學家們已了解很多。

不同于很多其他動物的是，人胚胎發育是一個神秘的過程，特別是在受孕后的頭幾個星期內。這是因為在體外培育人胚胎超過14天在許多國家和科學界是被禁止的。但是科學家們確實知道像其他動物一樣，zui早階段的人胚胎由三個胚層組成：外胚層、內胚層和中胚層。

當胚胎發育時，每種胚層負責產生某些類型的細胞。比如，中胚層產生關鍵的細胞類型，包括心肌細胞、骨骼肌細胞、結締組織細胞、骨細胞、血管細胞、血細胞、軟骨細胞、某些腎細胞和皮膚細胞。

Loh說，“產生這些純的細胞群體的能力對任何一種臨床重要的再生醫學而言是非常重要的，而且有助繪制出人胚胎發育的基本路線圖。在此之前，制造這些細胞需要幾周到幾個月的時間，這主要是因為不能夠準確地控制細胞命運。其結果就是，科學家們zui終獲得不同類型細胞的混雜物。”

Loh和Chen想知道是什么信號驅動源自中胚層的每種細胞類型的形成。為了做到這一點，他們利用人胚胎干細胞系開展研究，隨后通過化學信號誘導讓它們轉化為形成早期胚胎的中空細胞球表面上的原條（primitive streak）。他們接著利用已知信號分子（包括WNT、BMP和Hedgehog）的不同組合開展實驗，以便誘導人胚胎干細胞變成更加特化的前體細胞。

一種既肯定又否定的策略

他們了解到人胚胎干細胞經常在眾多兩種可能的選擇中進行一系列連續的選擇，從而沿著發育途徑進行發育。

zui快捷和zui有效的在微觀上調節人胚胎干細胞發育選擇的方法是促進它們分化為一種細胞類型，同時也積極地阻斷它們選擇另一種不同的細胞命運---一種既“肯定”又“否定”策略。

例如，原條中的細胞能夠變成內胚層細胞或者兩種中胚層細胞中的一種。抑制TGF-β的活性促進這些細胞選擇一種中胚層細胞命運。加入一種信號分子WNT，同時阻斷另一種分子BMP的活性，促進這些細胞分化為一種中胚層細胞；相反地，加入BMP，同時阻斷WNT，促進這些細胞變成另一種中胚層細胞。

Loh說，“在這個過程中，我們了解到同樣重要的是，要理解不想要的細胞類型是如何產生的，并且發現一種阻斷這個不想要的過程，同時促進發育途徑沿著我們真正想要的方向進展下去。”

通過在發育途徑中的每個分叉口，仔細地指導這些細胞的選擇，Loh和Chen能夠讓它們產生骨細胞前體細胞（bone cell precursor），而且當將這些骨細胞前體細胞移植到實驗室小鼠體內時，能夠形成人骨組織，此外，這些前體細胞還能產生跳動的心肌細胞和另外10種中胚層細胞系。

在每個發育階段，研究人員進行單細胞RNA測序以便鑒定*的基因表達模式和評估單個細胞群體的純度。通過研究單個細胞中的基因表達譜，他們能夠鑒定出之前未知的瞬時狀態（transient state），這些瞬時狀態是前體細胞分化為更加特化的細胞時的典型特征。

特別地，他們觀察到在人胚胎分節后形成將發育為人體的頭部、軀干和四肢的不連續部分之前出現的基因表達瞬時脈沖。這個過程反映了已知在其他動物體內發生的情形，并且證實人胚胎發育中的這個分節過程在進化上是保守的。

Loh說，“胚胎分節是人發育的一個基本步驟。如今，我們能夠看到它是一個非常保守的過程。”了解分節和其他關鍵發育步驟何時和如何發生可能有助理解當這些步驟發生差錯時，先天性出生缺陷如何產生。

快速產生純的特化前體細胞群體的能力為進一步開展研究打開大門。

Loh說，“接下來，我們想要證實這些不同的前體細胞能夠再生它們各自的組織，而且甚至可能緩解動物模型中的疾病。”