用皮膚細胞培育出正常的肌肉 有望用於再生修復及罕見病治療
研究論文 1 月 9 日在線發表在了《Nature Communications》雜誌上。
「從不是肌肉細胞的誘導多功能幹細胞開始，但是可以成為我們身體內所有現存的細胞，允許我們產生無限數量的肌原始祖細胞，」杜克大學生物醫學工程教授 Nenad Bursac 表示，「這些祖細胞與成人肌肉乾細胞類似，稱為『衛星細胞』，理論上來說，可以從一個細胞開始，產生完整的肌肉。」
在他們之前的工作中，Bursac 和他們的團隊是從一個人類肌肉細胞活檢中所獲得的——稱為「成肌細胞」的小樣開始的。這種成肌細胞的進程已經超越了幹細胞階段，但是還沒有成為成熟的肌纖維。研究人員將這些「成肌纖維」培養成很多倍，然後將他們放進一個充滿了滋潤的凝膠的三維支架內，以提供支持作用，允許這些細胞形成整齊排列的人體肌纖維。
由誘導多能幹細胞生長的肌肉纖維的橫截面。綠色表示肌肉細胞，藍色是細胞核，紅色是細胞周圍的支持基質。圖片來源：杜克大學
在新的研究中，這些研究人員沒有再使用人類誘導多功能幹細胞作為開始。他們採用了一些其他的非肌肉組織、例如皮膚或者血細胞，並通過重新編程轉變為原始狀態。在信號分子 Pax7 的誘導下，多功能幹細胞之後會生長成為肌肉。
隨著細胞的增殖，它們會變得和成人的肌肉乾細胞很相似，但沒有那麼強壯。雖然此前的研究已經完成了這個壯舉，但是沒有人能夠讓這些中間細胞變成正常的骨骼肌。
杜克大學的研究人員成功的實現了此前失敗了的嘗試。
「經過多年的反覆試驗，我們做出了有根據的猜測，並採取了一些步驟，最終從多能幹細胞中培育出功能正常的人類肌肉，」 Bursac 實驗室的博士後研究人員，研究的第一作者 Lingjun Rao 表示，「我們獨特的細胞培養條件和 3D 矩陣，可以使得細胞生長和發育都遠快於典型的 2D 培養方法。」
一旦細胞順利地成為肌肉，Bursac 和 Rao 會停止提供 Pax7 信號分子，並開始提供細胞充分成熟所需要的支持和營養。
在研究中，研究人員展示了在 3D 培養 2 - 4 周之後，所獲得的肌肉細胞形成了肌肉纖維，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，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。
所獲得的肌肉，並不像原生肌肉組織那樣強壯，也不如之前肌肉活檢所培養的肌肉長得長。儘管有這樣的問題，但是研究人員說這樣的肌肉依然具備衰老肌肉所不具備的強度。
新肌肉纖維的染色橫截面。紅色的細胞是肌肉細胞，綠色區域是神經元輸入的受體，藍色的斑塊是細胞核。圖片來源：杜克大學
這兩種優勢都證明，這種新方法具有未來進行再生治療和創建疾病治療模型的良好應用潛力。
「研究罕見疾病的前景對我們來說尤其令人興奮，」Bursac 說。「當一個孩子的肌肉已經由於杜氏肌肉萎縮症等疾病而消失時，再從他們身上提取肌肉樣本，造成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，或治療一些局部的疾病。
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