新南威尔士大学(UNSW)悉尼分校的生物医学工程师和医学研究人员独立完成的关于胚胎造血干细胞的新发现有朝一日可以消除对造血干细胞捐赠者的需求。
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UNSW血液干细胞研究或将改变未来的医学© 由 cnBeta.COM 提供
据悉，这些成就是再生医学走向使用“诱导多能干细胞”来治疗疾病的一部分。在这种情况下，干细胞是由成人组织细胞逆向设计的，而非使用活的人类或动物胚胎。
虽然自2006年以来我们就已经开始知道诱导多能干细胞，但研究人员仍有很多东西需要学习从而了解如何在实验室中人为地、安全地模仿人体的细胞分化以提供有针对性的医疗。
UNSW的研究人员最近在这一领域完成了两项研究，其不仅揭示了造血干细胞的前体如何在动物和人类体内发生而且还揭示了如何以人工方式诱导它们。
当地时间9月13日，UNSW生物医学工程学院的科学家在《Cell Reports》上发表了一项研究。他们展示了如何在实验室中使用微流控设备模拟胚胎的跳动心脏从而发展出人类造血干细胞“前体”，即即将成为造血干细胞的干细胞。
在另一篇最近发表于《Nature Cell Biology》的文章中，UNSW医学与健康学院的研究人员揭示了小鼠胚胎中负责造血干细胞的细胞身份。
这两项研究都是了解如何、何时、何地及哪些细胞参与造血干细胞的重要步骤。在未来，这一知识可用于帮助癌症患者，其中包括接受过大剂量放射治疗和化疗的患者以补充他们耗尽的血液干细胞。
模仿心脏
在《Cell Reports》详述的研究中，论文第一作者Jingjing Li博士和研究人员描述了一个3厘米x3厘米的微流体系统如何泵送由胚胎干细胞系产生的血液干细胞以模拟胚胎的心脏跳动和血液循环状况。
Li表示，在过去的几十年时间里，生物医学工程师一直在尝试在实验室皿中制造造血干细胞以解决捐献者造血干细胞短缺的问题。但目前还没有人能够实现这一目标。
“问题的一部分是，我们仍不完全了解在胚胎发育过程中微环境中发生的所有过程，这些过程导致了在胚胎发育的大约第32天产生造血干细胞，”Li说道，“因此，我们制作了一个模拟心脏跳动和血液循环的设备及一个轨道摇动系统，当血细胞在设备中或在培养皿中移动时会产生剪切应力-或摩擦。”
这些系统促进了前体造血干细胞的发展，它们可以分化成各种血液成分--白细胞、红细胞、血小板和其他。他们很高兴看到这个同样的过程--被称为造血--在设备中得到复制。
研究的共同作者Robert Nordon副教授称，他感到惊讶的是，该设备不仅创造了血液干细胞前体从而继续产生分化的血细胞，而且还创造了对这一过程至关重要的胚胎心脏环境的组织细胞。
“让我惊叹的是，造血干细胞在胚胎中形成时是在被称为主动脉的主要血管壁上形成。它们基本上从这个主动脉跳出来、进入血液循环，然后到肝脏并形成所谓的明确造血或明确的血液形成。让主动脉形成然后细胞实际从该主动脉进入循环，这是生成这些细胞所需的关键步骤。我们所展示的是，我们可以生成一种能形成所有不同类型血细胞的细胞。我们还发现，它跟主动脉内衬细胞有非常密切的关系--因此我们知道它的起源是正确的--而且它能增殖，”Nordon教授说道。
研究人员对他们用机械装置模拟胚胎心脏状况的成就持谨慎乐观态度。他们希望这能成为解决限制当今再生医学治疗的挑战的一步：捐献者造血干细胞的短缺、捐献者组织细胞的排斥及围绕使用试管婴儿胚胎的伦理问题。
Nordon教授表示：“用于移植的造血干细胞需要与病人有相同组织类型的捐赠者。从多能干细胞系中制造造血干细胞将解决这一问题，而不需要组织匹配的捐赠者，这为治疗血癌或遗传疾病提供充足的供应。”
Li博士则补充称：“我们正在努力利用生物反应器扩大这些细胞的制造规模。”
解开谜团
与此同时，独立于Li博士和Nordon教授的UNSW医学与健康学院的John Pimanda教授和Vashe Chandrakanthan博士正在进行他们自己有关血液干细胞是如何在胚胎中产生的研究。
在对小鼠的研究中，研究人员寻找了哺乳动物中自然使用的机制，即从排列血管的细胞（被称为内皮细胞）中制造造血干细胞。
“人们已经知道这一过程发生在哺乳动物的胚胎中，在造血过程中，排列在主动脉上的内皮细胞会变成血细胞。但到目前为止，调节这一过程的细胞的身份一直是个谜，”Pimanda教授说道。
Pimanda教授和Chandrakanthan博士在他们的论文中描述了他们如何通过识别胚胎中能将胚胎和成人内皮细胞转化为血细胞的细胞来解决这个难题。这些细胞--被称为“Mesp1衍生的PDGFRA+基质细胞”--居住在主动脉下方，且在胚胎发育过程中只在一个非常狭窄的窗口内围绕着主动脉。
Chandrakanthan博士称，了解这些细胞的身份为医学研究人员提供了关于如何触发哺乳动物成体内皮细胞创造造血干细胞的线索--这是它们通常无法做到的。
“我们的研究表明，当来自胚胎或成人的内皮细胞与‘Mesp1衍生的PDGFRA+基质细胞’混合时--它们开始制造血液干细胞。
虽然在将其转化为临床实践之前还需要更多的研究--包括在人类细胞中确认结果--但这一发现可以提供一个潜在的新工具来生成可移植的造血细胞。
“使用自己的细胞来生成造血干细胞可以消除对捐赠者输血或干细胞移植的需要，”Pimanda教授说道，“解开自然界使用的机制使我们离实现这一目标又近了一步。”