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干细胞体外培养的新技术—ESPN

 

 

时间:2018-10-22

 

 

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干细胞体外培养的新技术—ESPN

干细胞 (stem cell) 是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。它们数量虽少,但是作用巨大,可以为体内衰老、损伤的细胞提供补充,从而维持个体的健康状态。近日,国际著名学术期刊Advanced Materials(《先进材料》)在线发表了上海交通大学公共卫生学院宋海云课题组与上海交通大学化学化工学院樊春海课题组共同发表的论文“Programming Niche Accessibility and In Vitro Stemness with Intercellular DNA Reactions” [1]。该研究利用DNA纳米技术开发了一项构建体外干细胞巢的新技术--ESPN (expansion of stem cells with pairing niches)。这项技术的开发对于干细胞的体外培养以及体外条件下三维组织的重构具有非常重要的意义。

漫画和电影中的金刚狼所拥有的快速愈合伤口的能力,可以理解为超强的干细胞活性。当然,现实生活中干细胞并没有那么夸张的分裂和分化速度,但是医学研究者已经在动物模型和部分患者中尝试通过移植的干细胞实现组织修复和器官再生:比如移植骨髓干细胞治疗白血病、利用肝脏干细胞修复肝脏损伤、移植脊髓神经干细胞促进皮质脊髓再生、利用皮肤干细胞治疗大面积烧伤、等等。这就是所谓的干细胞治疗,将干细胞当做一种全新的药物,为受伤受损的部位提供健康的细胞来源。

电影《金刚狼2[2]

人体组织器官多种多样,并且常有相对应的成体干细胞。一旦这些组织器官受损了,干细胞就开始发挥其修补复原的作用。但许多种类的干细胞还没有合适的体外培养和扩增条件。不能获得足够数量的干细胞,会影响它们在临床上的应用。这也是制约干细胞疗法进一步发展的一大难点。

干细胞与再生医学[3]

一般认为,干细胞在体内的维持和分化受到多种因素影响。比如来自干细胞周围的巢细胞 (niche cell) 能提供多种生长调控信号,其中包括细胞之间物理接触产生的机械力调节 (mechanical regulation),还有某些细胞分泌的生长因子 (paracrine signaling)。目前,利用模拟细胞外基质ECM (extracellular matrix) 的基质胶 (Matrigel) 进行体外三维培养是一种不错的选择,因为让干细胞在三维空间生长同时补充特定的生长因子,可以较好地模拟体内的干细胞微环境。

基质胶中的干细胞培养[4]

近日,上海交通大学公共卫生学院宋海云课题组和上海交通大学化学化工学院樊春海课题组共同开发了一项干细胞体外培养的新技术--ESPN (expansion of stem cells with pairing niches)。这项技术利用嵌在细胞膜表面的DNA分子构建stem cell-niche cell细胞对。在后续的3D培养过程中,巢细胞和干细胞的密切接触,能够更好地提供干细胞所需的物理信号和生化信号。

在这项研究中,研究人员利用末端修饰胆固醇的DNA,将DNA单链锚定在细胞膜上。DNA作为纳米材料具有许多优点,合成方便,序列容易设计;通过碱基配对,两条互补的DNA单链可以形成具备特异性识别功能的分子linker。当小鼠乳腺干细胞从体内分离纯化出来后,利用DNA链将它和特定的巢细胞按1:1比例精准地绑定到一起,从而形成细胞对。在基质胶中,与干细胞同时扩增的巢细胞不仅能够分泌维持乳腺干细胞干性的细胞因子Wnt,还能提供更接近体内微环境的细胞间接触。


研究结果表明,当机械力调控和旁分泌Wnt信号调控两种因素同时存在时,干细胞的扩增效率可以提高将近4倍。而且,当使用不产生Wnt信号的Hek293细胞作为巢细胞与干细胞相连时,干细胞的扩增效率也有约2倍的提升。这说明了来自于巢细胞动态变化的物理接触和细胞因子,都对干细胞的生长有重要的影响。同时也证明,这种有巢细胞伴侣的共培养方法,比简单的3D培养,更适于体外扩增干细胞。


相信随着相关研究的深入,基于干细胞的治疗技术将愈发成熟,使得人类的医疗水平进入全新的时代!未来可期!!

参考文献

[1] Li X, Xie X, Ma Z, Li Q, Liu L, Hu X, Liu C, Li B, Wang H, Chen N, Fan C, Song H. Programming Niche Accessibility and In Vitro Stemness with Intercellular DNA Reactions. Adv Mater. 2018 Oct 1:e1804861. doi: 10.1002/adma.201804861.

[2] https://movie.douban.com/photos/photo/2038574838/

[3] https://www.gringogazette.com/?q=breaking-news&page=2

[4] https://polarnet-itn.eu/organoids-vitro-model-human-development-disease/

 

 

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