彻底改变成人干细胞培养的新程序

　　

生物通报道：最近，马萨诸塞州总医院(MGH)开发的一种新程序，可能彻底改变成人干细胞的培养。相关研究结果将发表在8月6日出版的《Cell Stem Cell》，该研究小组利用肺病常规治疗过程中采集到的几种组织样本，生成和扩增了气管干细胞。整个方法也适用于其他组织类型，包括皮肤和消化道、生殖道的内皮组织。

这项研究的资深作者、MGH再生医学中心和哈佛干细胞研究所的Jayaraj Rajagopal博士指出：“这种新方法为研究任何呼吸道疾病，开辟了新的途径，如哮喘或慢性阻塞性肺病。虽然在过去我们只能扩增几代的干细胞，但是现在我们有能力产生充足的细胞，来持续多年来多个实验室的实验。我们的系统也很简单，从而避免了以前培养系统的复杂性，并使其更容易用于许多实验室。”

科学家曾经提出许多假说，来解释维持培养的干细胞的有限能力——包括保护染色体末端的端粒缺失和细胞衰老。Rajagopal的团队专注于一个细胞信号通路，已知它可调节细胞生长和分化的关键过程，在这个通路中，细胞变得更专门化，并失去了产生其它细胞类型的能力。通过某些蛋白质（如TGF-β和骨形态发生蛋白BMP）的激活，这条途径可借助于称为SMADs的细胞内蛋白质，传送信号到细胞核。

研究人员调查了抑制SMAD通路是否能通过阻止分化而促进培养成人干细胞的扩增。在一系列的实验中，他们首先确认，TGF-β/ BMP和SMAD信号在分化细胞中是活跃的，而不是成人干细胞。研究人员发现，阻断SMAD信号可以防止小鼠气管干细胞的分化，接着他们发现，阻断TGF-β和BMP通路，可允许多代气管干细胞的扩增。他们能够从气管镜检（通常用于诊断或监测气道疾病）过程中采集的样本，生成人类气管干细胞。值得注意的是，研究人员也成功地利用一些痰样品（在咳嗽时被驱逐出呼吸道的液体），生成和维持了气道干细胞。

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Rajagopal说：“如果我们能找到方法来诱发含有大量干细胞的咳嗽样品，我们的技术将提供最小的侵入性方式，从任何器官获取干细胞，如果我们可以改善这个过程，从100%的痰液样本中产生干细胞培养物，我们就可能获得样品，在实验室中研究肺部疾病，侵袭性比抽血还要小。”

他说：“我们还发现，相同的方法适用于许多身体的组织，从皮肤到食道到乳腺。目前，这些器官组织许多是不能培养的，所以这些领域的科学家们，将能够利用其他微创程序获得的样品（包括分泌物的集合）来生成干细胞。如果这一切成为可能，这将是疾病个性化医疗的一个很大进步。”

哈佛医学院医学副教授Rajagopal阐述称，能够维护和扩增成人干细胞种群的能力，将会改善疾病过程的建模，允许我们使用患者来源的细胞，筛选潜在的治疗药物，并使我们能够使用强大的CRISPR-Cas9基因编辑技术，来制备“基因敲除/敲入”细胞模型。“在很多疾病——尤其是肺部疾病中，小鼠是一种非常可怜的人类疾病模型，所以这种能力开辟了新的视域，将人类遗传学应用于人类肺细胞和疾病模型。”

他补充说，这种技术可去除传统用来支持培养气管干细胞的小鼠细胞所引入的污染风险，应该能够提高干细胞为基础的治疗的安全性。而这种新程序可维持多代成人干细胞的功能，最终它们开始恶化，这使得减少甚至消除这个功能损失，成为了下一个重要的目标。Rajagopal说：“我们有很多的想法和合作，试图找出方法让这些细胞近乎完美。问题可能是遗传学的或表观遗传学的，MGH在这两个领域已经有相当多的专业知识。”

人类多能干细胞（hPSCs）能够成长为几乎任何的细胞类型，这使得它们成为研究早期人类发育和疾病的动态工具，为此科学家们一直都在探索新的方法，来更有效地制备它们。2015年2月，斯克里普斯研究所（TSRI）和加州大学（UC）圣迭戈医学院的研究人员带领的一项新研究表明，某些特定干细胞培养方法与DNA突变增加有关。这项研究为研究人员指出了更安全和更可靠的干细胞培养方法，来治疗疾病和损伤。相关研究结果发表在PLOS ONE杂志。相关阅读：更安全的干细胞培养新方法。

2015年5月在Nature子刊《Scientific Reports》发表的一项研究中，加州大学圣迭戈分校医学院的研究人员，使用一种强大的统计工具，称为design of experiments（DOE），确定最佳细胞培养配方，来培育和生产hPSCs。相关阅读：优化干细胞培养基的新策略。

2016年伊始，来自德国亥姆霍兹协会Max Delbrück分子医学中心（MDC）的科学家们，提出了一种方法，在细胞培养物中检测这样的多能干细胞，并在实验室中有效地保存它们。相关阅读：人类干细胞培养又有新方法。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：

Dual SMAD Signaling Inhibition Enables Long-Term Expansion of Diverse Epithelial Basal Cells
Summary: Functional modeling of many adult epithelia is limited by the difficulty in maintaining relevant stem cell populations in culture. Here, we show that dual inhibition of SMAD signaling pathways enables robust expansion of primary epithelial basal cell populations. We find that TGFβ/BMP/SMAD pathway signaling is strongly activated in luminal and suprabasal cells of several epithelia, but suppressed in p63+ basal cells. In airway epithelium, SMAD signaling promotes differentiation, and its inhibition leads to stem cell hyperplasia. Using dual SMAD signaling inhibition in a feeder-free culture system, we have been able to expand airway basal stem cells from multiple species. Expanded cells can produce functional airway epithelium physiologically responsive to clinically relevant drugs, such as CFTR modulators. This approach is effective for the clonal expansion of single human cells and for basal cell populations from epithelial tissues from all three germ layers and therefore may be broadly applicable for modeling of epithelia.