新南威爾士大學(UNSW)悉尼分校的生物醫學工程師和醫學研究人員獨立完成的關於胚胎造血幹細胞的新發現有朝一日可以消除對造血幹細胞捐贈者的需求。
據悉，這些成就是再生醫學走向使用“誘導多能幹細胞”來治療疾病的一部分。在這種情況下，幹細胞是由成人組織細胞逆向設計的，而非使用活的人類或動物胚胎。
雖然自2006年以來我們就已經開始知道誘導多能幹細胞，但研究人員仍有很多東西需要學習從而了解如何在實驗室中人為地、安全地模仿人體的細胞分化以提供有針對性的醫療。
UNSW的研究人員最近在這一領域完成了兩項研究，其不僅揭示了造血幹細胞的前體如何在動物和人類體內發生而且還揭示了如何以人工方式誘導它們。
當地時間9月13日，UNSW生物醫學工程學院的科學家在《Cell Reports》上發表了一項研究。他們展示了如何在實驗室中使用微流控設備模擬胚胎的跳動心臟從而發展出人類造血幹細胞“前體”，即即將成為造血幹細胞的幹細胞。
在另一篇最近發表於《Nature Cell Biology》的文章中，UNSW醫學與健康學院的研究人員揭示了小鼠胚胎中負責造血幹細胞的細胞身份。
這兩項研究都是了解如何、何時、何地及哪些細胞參與造血幹細胞的重要步驟。在未來，這一知識可用於幫助癌症患者，其中包括接受過大劑量放射治療和化療的患者以補充他們耗盡的血液幹細胞。
模仿心臟
在《Cell Reports》詳述的研究中，論文第一作者Jingjing Li博士和研究人員描述了一個3厘米x3厘米的微流體系統如何泵送由胚胎幹細胞系產生的血液幹細胞以模擬胚胎的心臟跳動和血液循環狀況。
Li表示，在過去的幾十年時間裡，生物醫學工程師一直在嘗試在實驗室皿中製造造血幹細胞以解決捐獻者造血幹細胞短缺的問題。但目前還沒有人能夠實現這一目標。
“問題的一部分是，我們仍不完全了解在胚胎髮育過程中微環境中發生的所有過程，這些過程導致了在胚胎髮育的大約第32天產生造血幹細胞，”Li說道，“因此，我們製作了一個模擬心臟跳動和血液循環的設備及一個軌道搖動系統，當血細胞在設備中或在培養皿中移動時會產生剪切應力-或摩擦。”
這些系統促進了前體造血幹細胞的發展，它們可以分化成各種血液成分–白細胞、紅細胞、血小板和其他。他們很高興看到這個同樣的過程–被稱為造血–在設備中得到複製。
研究的共同作者Robert Nordon副教授稱，他感到驚訝的是，該設備不僅創造了血液幹細胞前體從而繼續產生分化的血細胞，而且還創造了對這一過程至關重要的胚胎心臟環境的組織細胞。
“讓我驚嘆的是，造血幹細胞在胚胎中形成時是在被稱為主動脈的主要血管壁上形成。它們基本上從這個主動脈跳出來、進入血液循環，然後到肝臟並形成所謂的明確造血或明確的血液形成。讓主動脈形成然後細胞實際從該主動脈進入循環，這是生成這些細胞所需的關鍵步驟。我們所展示的是，我們可以生成一種能形成所有不同類型血細胞的細胞。我們還發現，它跟主動脈內襯細胞有非常密切的關係–因此我們知道它的起源是正確的–而且它能增殖，”Nordon教授說道。
研究人員對他們用機械裝置模擬胚胎心臟狀況的成就持謹慎樂觀態度。他們希望這能成為解決限制當今再生醫學治療的挑戰的一步：捐獻者造血幹細胞的短缺、捐獻者組織細胞的排斥及圍繞使用試管嬰兒胚胎的倫理問題。
Nordon教授表示：“用於移植的造血幹細胞需要與病人有相同組織類型的捐贈者。從多能幹細胞系中製造造血幹細胞將解決這一問題，而不需要組織匹配的捐贈者，這為治療血癌或遺傳疾病提供充足的供應。”
Li博士則補充稱：“我們正在努力利用生物反應器擴大這些細胞的製造規模。”
解開謎團
與此同時，獨立於Li博士和Nordon教授的UNSW醫學與健康學院的John Pimanda教授和Vashe Chandrakanthan博士正在進行他們自己有關血液幹細胞是如何在胚胎中產生的研究。
在對小鼠的研究中，研究人員尋找了哺乳動物中自然使用的機制，即從排列血管的細胞（被稱為內皮細胞）中製造造血幹細胞。
“人們已經知道這一過程發生在哺乳動物的胚胎中，在造血過程中，排列在主動脈上的內皮細胞會變成血細胞。但到目前為止，調節這一過程的細胞的身份一直是個謎，”Pimanda教授說道。
Pimanda教授和Chandrakanthan博士在他們的論文中描述了他們如何通過識別胚胎中能將胚胎和成人內皮細胞轉化為血細胞的細胞來解決這個難題。這些細胞–被稱為“Mesp1衍生的PDGFRA+基質細胞”–居住在主動脈下方，且在胚胎髮育過程中只在一個非常狹窄的窗口內圍繞着主動脈。
Chandrakanthan博士稱，了解這些細胞的身份為醫學研究人員提供了關於如何觸發哺乳動物成體內皮細胞創造造血幹細胞的線索–這是它們通常無法做到的。
“我們的研究表明，當來自胚胎或成人的內皮細胞與‘Mesp1衍生的PDGFRA+基質細胞’混合時–它們開始製造血液幹細胞。
雖然在將其轉化為臨床實踐之前還需要更多的研究–包括在人類細胞中確認結果–但這一發現可以提供一個潛在的新工具來生成可移植的造血細胞。
“使用自己的細胞來生成造血幹細胞可以消除對捐贈者輸血或幹細胞移植的需要，”Pimanda教授說道，“解開自然界使用的機制使我們離實現這一目標又近了一步。”