研究人员“测序”并找到了一种制造猪视网膜细胞的方法，以推进眼科治疗

研究人员首次开发了干细胞衍生的猪视网膜细胞，并将其与人类视网膜细胞进行了比较，为眼科疾病和损伤的先进治疗开辟了一条道路。

　　

在人眼中，视网膜由多种类型的细胞组成，包括能够感光的光感受器，这些细胞启动了一系列导致视觉的事件。光感受器的损伤，无论是由于退行性疾病还是受伤，都会导致永久性视力障碍或失明。

威斯康星大学麦迪逊分校的McPherson眼科研究所所长、眼科和视觉科学教授David Gamm表示，利用实验室培养的光感受器进行干细胞替代疗法是抗击视网膜疾病的一个有前景的策略。挑战在于，旨在替代光感受器的干细胞治疗首先需要在动物身上进行测试。由于人类细胞与其他物种不兼容，移植后会迅速被排斥，因此很难评估它们的潜力。

“猪和人类的视网膜有许多共同的关键特征，这使得猪成为模拟人类视网膜疾病和测试眼部治疗的理想模型。”Gamm说，“通过在猪身上测试‘人类等效’的光感受器，我们可以更好地了解这些细胞如果不受宿主动物立即攻击时能够发挥什么作用。”

在《干细胞报告》上发表的一项新研究中，Gamm实验室与Morgridge研究所的研究人员合作，开发了实验室培养的猪视网膜类器官。他们发现，猪源光感受器与人类视网膜类器官中制造的光感受器有许多相似之处。

“这是人们第一次制造猪视网膜类器官。”Gamm实验室的研究生、该研究的第一作者Kim Edwards说，“这也是人们第一次对人类与其他物种的视网膜类器官进行比较。”

类器官是小的组织簇——大约是一个大针头的大小——由数十万个细胞组成，它们允许科学家在实验室培养皿的受控环境中复制人体组织或器官中的细胞相互作用和条件。

“人类类器官中的光感受器细胞可以对光产生反应，并通过突触连接彼此通信。”Gamm说，“为了确定它们是否能在受损的视网膜中建立连接并恢复视力，我们需要将它们移植到猪身上进行测试。”

Edwards表示，要获得高质量的类器官，重要的是要从高质量的干细胞开始。他们与卡尔加里大学助理教授Li-Fang“Jack”Chu合作，后者曾在Morgridge研究所的Jamie Thomson实验室做博士后，以获取猪多能干细胞。

“历史上，Thomson实验室擅长制造人类诱导多能干细胞。”Morgridge计算生物学研究员Ron Stewart说，“但事实证明，为其他物种如猪制造这些细胞是非常具有挑战性的。Jack解决了这个问题，并在他的新实验室中引领了这一领域。”

在成功生成猪诱导多能干细胞后，下一个挑战是如何促使它们分化为视网膜细胞。Edwards首先使用Gamm实验室已建立的人类类器官协议，看看它是否适用于猪的干细胞。

该协议的时间是基于人类妊娠期40周，但他们注意到猪的妊娠期只有大约一半的时间。因此，科学家们想，如果我们使用相同的协议，但将时间减半呢？

“我们能够制造出很多视网膜类器官，这真是令人兴奋。”Edwards说，“这是一个很好的概念验证，表明如果我们打算分化为特定细胞类型，我们真的需要关注妊娠差异以及细胞之间的固有差异。”

通过免疫细胞化学技术，他们对猪和人类类器官模型中早期与晚期发育阶段存在的特定视网膜细胞相关的蛋白质进行了表征。为了深入了解，Gamm实验室与Morgridge的Stewart计算生物学小组的计算生物学家Beth Moore合作，使用单细胞RNA测序（RNA-seq）观察细胞中的基因表达。

“他们在单细胞RNA-seq方面做了很多我们甚至认为不可能的事情。”Edwards说。

类器官被分离成单个细胞，每个细胞都被标记上条形码并单独测序。捕获的数据随后被用来将相似的细胞分组在一起，深入洞察类器官中存在的所有细胞类型，包括视杆细胞和视锥细胞光感受器以及其他细胞类型，如视网膜神经节细胞。

“这是一种无偏见且非常全面的视角，展示了类器官中每种细胞类型表达的基因。”Moore说，“这与免疫化学是一种不同的标记方式。这是一种不同的方法，用来得出相同的关于识别不同细胞类型的结论。”

Edwards和Moore都必须克服挑战才能得出这些结论。首先，鉴于类器官的性质，Edwards需要优化他们的协议，以分离细胞并在测序前维持它们。

“它们不喜欢被分离并放在培养皿上，尤其是光感受器。”Edwards说，“我们开玩笑说光感受器在一起工作得更好，就像人类一样。”

在数据分析方面，Moore解释说，每个细胞都被封装在一个含有测序条形码的液滴中。但有时，一个液滴会封装多个细胞，或者液滴可能为空并不包含任何细胞，这会在测序数据中引入错误。

“这真的会搞乱你的分析，尤其是当你试图识别不同细胞类型时。”Moore说。Moore开发了一个分析流程，以过滤掉任何不需要的序列并标准化数据。她随后映射了不同簇中表达的基因，这些基因可以映射到特定细胞类型并与免疫细胞化学结果进行比较。

另一个挑战——猪和人类基因组之间的显著差异——意味着Moore还需要处理两个物种中已知基因的列表，并将它们与序列匹配以映射出不同的细胞类型。

“Beth的确认数据对我们来说真的很重要，让我们对我们所看到的东西充满信心。”Edwards说。

这项工作得到了美国国防部与国家眼科研究所合作的资助，目的是探索用于治疗常见于军队的视网膜损伤的细胞替代疗法。研究人员已经开始在猪身上使用猪类器官中的光感受器进行移植，以确定它们是否能够建立连接并与下游神经元形成突触。

“我们很高兴能够证明可以从不同物种中培养这些视网膜类器官，世界上许多小组也开始制造它们。”Edwards说，“这都始于拥有良好的干细胞。”