Cell：北大學者利用一種化學混合物讓多能性幹細胞具備全能性

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當科學家們談論實驗室幹細胞是全能性還是多能性時，他們的意思是這些幹細胞如胚胎那樣有潛力產生體內的任何組織。然而，全能性幹細胞（totipotent stem cell）與多能性幹細胞（pluripotent stem cell, PSC）的差別在於前者能夠產生支持胚胎的組織，如胎盤。這些組織被稱作胚外組織（extra-embryonic tissue），在發育和健康生長中發揮著至關重要的作用。

如今，在一項新的研究中，來自中國北京大學和美國沙克研究所的研究人員發現一種化學混合物能夠讓體外培養的小鼠PSC和人PSC做到這一點：產生胚胎組織和胚外組織。他們的方法可能對哺乳動物發育提供新的見解，也有助更好地建立疾病模型，開發藥物，甚至實現組織再生。這種新的方法有望特別適合於為影響胚胎著床和胎盤功能的早期發育過程和疾病建立模型，並且可能為改進體外受精技術鋪平道路。相關研究結果發表在2017年4月6日的Cell期刊上，論文標題為「Derivation of Pluripotent Stem Cells with In Vivo Embryonic and Extraembryonic Potency」。論文通信作者為來自北京大學鄧宏魁教授、北京大學人民醫院生殖中心沈浣教授和沙克研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授。

在胚胎髮育期間，受精卵和它的初始細胞被認為是全能性的，這是因為它們能夠產生所有的胚胎細胞系和胚外細胞系。然而，在體外獲得具有這種發育潛能的幹細胞一直幹細胞生物學領域的一個重大挑戰。這項研究是世界上首次報道獲得一種穩定的有潛能產生胚胎細胞系和胚外細胞系的全能性樣幹細胞（totipotent-like stem cell）。

一旦哺乳動物卵子受精，開始發生細胞分裂，新產生的細胞就分成兩類：一類細胞產生胚胎；另一類細胞產生支持性組織，如胎盤和羊膜囊。鑒於這種分工發生得相對較早，科學家們經常不能夠穩定地維持體外培養的全能性幹細胞系。這種新發現的化學混合物能夠讓PSC穩定地產生胚胎細胞系和胚外細胞系，也正因如此，這些研究人員將它們稱作為潛能擴展的多能性幹細胞（extended pluripotent stem cell, EPS）。

發現EPS細胞為開發出一種建立具有哺乳動物中的擴展發育潛能的幹細胞的通用方法提供一種潛在的機會。重要的是，EPS細胞可高效地嵌合到小鼠不同發育時期的胚胎組織和胚外組織中，而且它們還具有優異的異種嵌合能力，這就使得它們對利用多種宿主動物物種研究發育、進化和人類器官再生是特別有價值的。

為了開發出這種化學混合物，這些研究人員首次對支持多能性的化合物進行篩選。他們發現四種化學物（即LIF、CHIR、DiM和MiH）和一種生長因子的簡單組合能夠讓人PSC穩定地維持在一種在發育上不那麼成熟的狀態，從而允許它們更加高效地在發育中的小鼠胚胎內形成嵌合體（來自兩種不同物種的細胞混合物）。他們也將這些同樣的物質添加給小鼠PSC，獲得小鼠EPS細胞，結果令人吃驚地發現，這些小鼠EPS細胞不僅能夠產生胚胎組織，而且也能夠分化為胚外細胞系。再者，他們發現這些EPS細胞具有優異的形成嵌合體的能力，而且單個這樣的EPS細胞能夠產生一隻完整的成年小鼠。對這個領域而言，這一發現是史無前例的。

人EPS細胞和小鼠EPS細胞的優異嵌合能力在培育轉基因動物模型和產生替換組織等應用中是優勢的。這些研究人員如今正在開展測試以便觀察人EPS細胞是否更加高效地在嵌入到豬體內。豬的器官大小和生理學特徵更接近於人類。2017年1月，沙克研究所的研究人員已在發表Cell期刊上的一項研究中報道，人EPS細胞與跨物種的囊胚互補（blastocyst complementation）平台相結合有巨大的潛力在豬體內再生人器官以便滿足不斷增加的供者器官需求。 這些研究人員認為，獲得一種穩定的全能性樣幹細胞系將在幹細胞領域產生廣泛而又響亮的影響。

原始出處：

Yang Yang, Bei Liu, Jun Xu et al. Derivation of Pluripotent Stem Cells with In Vivo Embryonic and Extraembryonic Potency. Cell, 6 April 2017, 169(2):243-257, doi:10.1016/j.cell.2017.02.005