Nature Methods发布干细胞培育新方法

　　

生物通报道  就像大多数其他身体组织一样，小肠有一个小储存库，里面储存着一些可以分化为更成熟的、特化细胞类型的不成熟成体干细胞。然而由于它们只有在与一种称作为潘氏细胞（Paneth cell）的支持细胞类型接触时才维持不成熟状态，直到现在还没有好的方法来大量培养这些干细胞。

在发表于12月1日《自然方法》（Nature Methods）杂志上的一项新研究中，研究人员找到了一种方法用两种小分子替代潘氏细胞来维持干细胞并促进它们增殖。在包含这些分子的实验皿中培养干细胞，它们能够无限期地停留在不成熟状态；通过添加抑制剂和激活剂等其他的分子，研究人员可以控制最终生成的细胞类型。

“这为某天为肠病患者构建出新的肠道到进行药物安全和药效筛查，完成各种各样的事情打开了大门，”论文的资深作者之一、麻省理工学院Koch综合癌症研究所成员、David H. Koch研究所教授Robert Langer说。

论文的另一位资深作者是哈佛大学医学院和Brigham妇女医院医学副教授Jeffrey Karp。Koch和Brigham妇女医院博士后尹晓磊（Xiaolei Yin，音译）是这篇论文的主要作者。

肠内壁具有几个重要功能。一些细胞专门吸收来自消化食物的营养物质，另一些细胞形成一个屏障分泌粘液，以及阻止病毒和细菌进入细胞。还有另外一些细胞当存在外来病原体时负责向免疫系统发出警报。

肠上皮层上有许多称之为隐窝（crypt）的小凹陷。一个小上皮干细胞池定位在每个隐窝的底部，不断地补充特化的肠上皮细胞，后者只能存活大约5天。这些干细胞可以变成所有的肠上皮细胞类型，但却没有胚胎干细胞的多能性，不能变成机体所有的细胞类型。

如果科学家们能够获得大量的肠上皮干细胞，就可以利用它们来帮助治疗上皮层损伤的胃肠道疾病。近期的一些动物研究表明，将肠干细胞传送到肠道，它们可以附着到溃疡上，帮助再生健康组织，从而为治疗溃疡性结肠炎提供了一种潜在新疗法。

研究人员说，还可以利用这些干细胞来生成大量的特化细胞，用于药物研发和测试。杯状细胞（goblet cell）可帮助控制针对食物蛋白的免疫反应，获得大量这样的细胞科学家们可以研究食物过敏；肠内分泌细胞可释放饥饿激素，得到这些细胞他们能够测试肥胖新疗法。

“如果我们能够找到一些方法对大量的、这些非常特异的细胞类型进行高通量筛查，我们有可能能够为从炎性肠病到糖尿病等一些疾病鉴别出新的靶点及开发出全新的药物，”Karp说。

控制细胞命运

2007年，新Nature Methods论文的作者之一、荷兰Hubrecht研究所教授Hans Clevers发现了肠上皮干细胞的一个标记物——一种叫做Lgr5的蛋白。Clevers还确定了一些细胞因子能够使得这些干细胞在实验皿中少量增殖，同时分化为成熟细胞，形成与天然肠壁结构相似的一些称之为类器官（organoids）的小型结构。

在这项新研究中，研究人员想要弄清楚如何能够在维持干细胞增殖的同时阻止它们分化，生成几近纯的干细胞群。由于干细胞一离开潘氏细胞就会开始分化，一直以来很难做到这一点。

潘氏细胞控制了Notch和Wnt两条信号通路，这两条通路尤其是在胚胎发育过程中协调了细胞增殖。研究人员确定了两个小分子：丙戊酸和CHIR-99021，可协同作用诱导干细胞增殖，阻止它们分化为成熟细胞。

当研究人员在包含这些小分子的培养皿中培育小鼠肠干细胞时，他们获得了包含70-90%干细胞的大细胞簇。

在研究人员获得几乎纯的干细胞群之后，他们证实他们能够通过添加影响Wnt和Notch信号通路的其他一些因子，来驱使这些细胞发育成特殊的肠细胞类型。“我们利用不同的抑制剂和激活剂组合，驱使干细胞分化为了特定的成熟细胞群，”尹晓磊说。

研究人员发现，这种方法也适用于小鼠胃细胞和结肠细胞。他们还证实，这些小分子促进了人类肠干细胞增殖。他们现正致力于构建可用于患者移植的肠组织，并开发出一些新方法快速检测药物对于肠细胞的影响。

哈佛大学医学院和Dana-Farber癌症研究所副教授Ramesh Shivdasani（未参与该研究）说，这些细胞的另一个潜在应用是：研究干细胞具有自我更新和发育为其他细胞类型这一特殊能力的基础生物学。

Shivdasani说：“关于干细胞我们还有许多未知的东西。无法获得大量这样的细胞，很难开展任何的实验。这项研究为开发出一种系统的、敏锐的、可靠的方法来阐析肠干细胞生物学开启了大门。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Niche-independent high-purity cultures of Lgr5+ intestinal stem cells and their progeny

Although Lgr5+ intestinal stem cells have been expanded in vitro as organoids, homogeneous culture of these cells has not been possible thus far. Here we show that two small molecules, CHIR99021 and valproic acid, synergistically maintain self-renewal of mouse Lgr5+ intestinal stem cells, resulting in nearly homogeneous cultures. The colony-forming efficiency of cells from these cultures is ~100-fold greater than that of cells cultured in the absence of CHIR99021 and valproic acid, and multilineage differentiation ability is preserved. We made use of these homogeneous cultures to identify conditions employing simultaneous modulation of Wnt and Notch signaling to direct lineage differentiation into mature enterocytes, goblet cells and Paneth cells. Expansion in these culture conditions may be feasible for Lgr5+ cells from the mouse stomach and colon and from the human small intestine. These methods provide new tools for the study and application of multiple intestinal epithelial cell types.