工程師們從皮膚細胞中培育出功能正常的人類肌肉
【博科園-科學科普】生物醫學工程師已經從誘導多能幹細胞中培育出了第一個功能正常的人類骨骼肌。這一進展是在2015年發表的，當時杜克大學(Duke University)的研究人員從肌肉活組織檢查獲得的細胞中培育出了第一個正常的人體肌肉組織。利用非肌肉組織從頭開始的能力將使科學家們能夠長出更多的肌肉細胞，為基因組編輯和細胞治療提供更容易的途徑，並為藥物發現和基礎生物學研究開發個別的罕見肌肉疾病模型。
這一結果於1月9日星期二在自然上公布。杜克大學生物醫學工程教授Nenad Bursac說：從多能幹細胞開始，它們不是肌肉細胞，而是可以成為我們體內所有現有的細胞，從而使我們能夠生長出無限數量的肌原性祖細胞。這些祖細胞類似於成人肌肉乾細胞，稱為『衛星細胞』，理論上可以從單個細胞開始生長一整塊肌肉。
在他們之前的研究中，Bursac和他的團隊開始使用從肌肉活組織切片中獲得的人類細胞的小樣本，稱為「肌細胞」，它已經在幹細胞階段已經發展，但還沒有成為成熟的肌肉纖維。他們將這些肌細胞進行了多次摺疊，然後將它們放入一個支持的3-D支架中，支架上填充了一種滋養的凝膠，使它們能夠形成排列整齊的人體肌肉纖維。在新的研究中，研究人員開始使用人類誘導的多能幹細胞。這些細胞取自成人的非肌肉組織，如皮膚或血液，並重新編程，恢復到原始狀態。多能幹細胞在被稱為pax7的分子浸水的同時生長，這標誌著細胞開始變成肌肉。
杜克大學的工程師們已經從非肌肉細胞中培育出了第一個有效的人體肌肉——皮膚細胞恢復到原始的幹細胞狀態。這一進展為細胞治療、藥物發現和研究罕見疾病提供了希望。圖片版權：Duke University
隨著細胞的增殖，它們變得非常相似，但並不像成人的肌肉乾細胞那樣健壯。雖然先前的研究已經完成了這一壯舉，但沒有人能夠將這些中間細胞培育成功能正常的骨骼肌。杜克大學的研究人員在先前的嘗試失敗的地方取得了成功。
該研究的第一作者、Bursac實驗室的博士後研究員Lingjun Rao說:「經過數年的反覆試驗，我們做出了有根據的猜測，並採取了嬰兒步驟，最終從多功能幹細胞中培育出功能正常的人類肌肉。」「造成這種差異的是我們獨特的細胞培養條件和3-D矩陣，這使得細胞能夠比通常使用的二維培養方法更快、更長的生長和發展。」
一旦細胞順利地進入肌肉，Bursac和Rao停止提供Pax7信號分子，並開始給予細胞充分發育所需的支持和營養。在這項研究中，研究人員發現，在2 - 4周的3d文化之後，產生的肌肉細胞形成肌肉纖維，並與外部刺激產生反應，比如電脈衝和模仿神經輸入的生化信號，就像原生肌肉組織一樣。他們還將新生長的肌肉纖維植入成年老鼠，並顯示它們至少存活了3周，並通過血管化逐漸融入到原生組織中。
然而，由此產生的肌肉並不像原來的肌肉組織那樣強壯，也沒有在先前的肌肉活組織檢查中生長出來的肌肉。儘管有這樣的警告，研究人員表示，這種肌肉仍然具有較強的、較年長的親屬不具備的潛力。多能幹細胞衍生的肌肉纖維形成了「星狀細胞」的儲層，這是正常成人肌肉修復損傷所必需的，而先前研究的肌肉細胞則少得多。幹細胞法也能從較小的起始批次中生長出更多的細胞，而不是活檢法。
這兩種優勢都指向了使用這種新方法進行再生治療的可能性，以及為未來的研究和個性化的衛生保健創造罕見疾病模型的可能性。研究罕見疾病的前景對我們來說尤其令人興奮。當一個孩子的肌肉已經從杜氏肌肉萎縮症等疾病中消失時，從他們身上提取肌肉樣本並做進一步的破壞是不道德的。」但有了這種技術，我們只需取一小塊非肌肉組織，如皮膚或血液，將獲得的細胞恢復到多能狀態，並最終生長出無數的功能肌纖維來進行測試。
這項技術還有望與基因療法結合在一起。理論上，研究人員可以在從病人身上提取的誘導多能幹細胞中修復遺傳缺陷，然後再培養一小塊完全健康的肌肉。雖然這不能治癒或取代整個身體的病變肌肉，但它可以與更廣泛的靶向基因療法結合使用，或治療更局部的問題。研究人員現在正在改進他們的技術，以培養更強健的肌肉，並開始研究罕見的肌肉疾病的新模型。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
參考：Nature Communications
內容：「博科園」判定符合今主流科學
來自：杜克大學
編譯：雙螺旋
審校：博科園
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