氧气毒性效应：干细胞培养思路亟待改变

　　

　

2001年11月刊的Journal of Cellular Physiology报道：氧气是非常有益的东西，但是对于干细胞而言却并非如此－这是密歇根大学医学院的最新研究结论。正所谓过犹不及，氧气过多反而会杀死干细胞，使其增殖速度减慢，甚至可能诱导它走上一条令人意想不到的分化道路：使肌肉干细胞分化成为脂肪细胞。     密歇根大学的研究成果刊登在2001年11月刊的Journal of Cellular Physiology上。论文指出，当干细胞处于不同浓度的氧气环境中时，其基因表达方式会出现相应的显著改变，这些改变又可反过来影响干细胞的基础生物学功能。这项研究成果深具科学意义，对于肥胖症和糖尿病的治疗也有重要的临床指导价值。     “干细胞越原始，就对氧气越敏感。” Marie Csete博士说。他是密歇根大学医学院的细胞生物学助理教授兼麻醉科助理教授，同时也是上述研究项目的负责人。     “我们发现骨骼肌卫星细胞在其自然生长的氧气环境中，增殖速度最快，寿命也最长，并能相当稳定地转化成为肌肉细胞。” Csete博士说。事实上，体内自然环境中的氧气浓度要远远低于实验室。     Csete博士设计了一个可以随意调节氧气浓度的细胞培养室，在其中进行干细胞培养。她把干细胞和骨骼肌卫星细胞置于两种不同浓度的氧气环境－传统实验室环境（氧气浓度为20％）与体内环境（氧气浓度为2－6％）中进行培养，分别比较它们的增殖速度和分化方向。     “真是令人非常吃惊，在20％的氧气浓度中，从肌纤维中分离出来的卫星细胞常会自发地转变成为脂肪前体细胞。这一转变在长期培养的情况下尤为多见。” Csete博士说。     Csete博士主要观察一些成熟干细胞（又称卫星细胞）的改变，这些细胞是从成年小鼠的肌肉组织中分离出来的。与胚胎干细胞不同，这类干细胞不能随意分化为任何一种体细胞，而仅能定向地转化为某种细胞。在正常情况下，上述实验中的卫星细胞可转变为肌肉细胞，执行更新换代的功能。然而在非常环境下，它们却转化成了脂肪细胞。     Csete博士猜想，干细胞在氧气充足的环境中出现了反常的增殖行为，这可能与衰老细胞对自由基和氧化应激所起的反应有类似之处。“某些临床表现，如衰老、糖尿病，均涉及到肌肉萎缩和脂肪增多现象，这可能与卫星细胞脂肪化有关。”她说。     氧气的毒性效应并不仅限于一种前体干细胞。Csete博士在其他实验中还发现，成年小鼠的中枢和外周神经系统内的始祖细胞也出现了类似的实验结果。

图注：在20％氧气环境中培养1周后，可见小鼠肌纤维转化为脂肪细胞（图中蓝色的大块球状物）。在高氧环境中培养2周后，培养板上会遍布脂肪细胞。图片来源：密歇根大学医学院，Marie Csete博士提供。

有关实验的数据结果： ·在20％氧气的培养条件下，1/3以上的3T3干细胞株表达出PPARγ蛋白，这表明干细胞并未转化成为肌肉细胞，而是变成了脂肪细胞。而在6％氧气的培养条件下，仅有12％的3T3干细胞表达出这种蛋白。 ·细胞培养进行一周时，在20％氧气的环境中，每个小鼠肌纤维中可见有0.77个脂肪细胞，而在6％氧气的环境中，每个小鼠肌纤维中仅有0.27个脂肪细胞。 ·细胞培养48小时后，6％氧气的环境中有70％的肌肉纤维存活，而20％氧气的环境中则仅见31％。培养10天后，低氧环境中还有30％的存活肌纤维，而在传统的实验室氧气环境中则只有5％细胞继续存活。     在长达5年的时间里，Csete博士一直在观察氧气及其它气体对干细胞生存状态的影响。与此同时，对研究结果的怀疑论调也一直持续不断。“一开始的确非常不容易，人们无法相信氧气具有这种负面效应－毕竟，过去几十年中已经用传统的方法培养出了干细胞。”     “研究表明，传统的干细胞培养方法要求高浓度氧气－其实，这在很大程度上影响了细胞的培养效果。” Csete博士说。“现在约定俗成的这种胚胎干细胞培养条件极有可能限制了它们的分化潜能。”     Csete博士目前正在研究氧化应激的有关问题，以及衰老过程中肌肉－脂肪细胞的转化方式。“初步结果表明，终其一生，这些干细胞在肌肉组织的正常或病理情况下都扮演非常活跃的角色。它们的分化途径与周围的氧气环境息息相关。”     上述研究是由美国国防部的高级研究工程委员会(Defense Advanced Research Projects Administration，DARPA)出资资助的。研究小组由一个毕业生Nicole Slawny；一个协作研究员Yuewang Wei博士；以及Sheryl Korsnes组成。其他研究人员来自加州技术协会（California Institute of Technology），包括研究员Jean Walikonis，生物学教授Barbara Wold博士，以及John C. Doyle博士，他是该协会动力学控制系统的教授。(基因潮)