技术方法:如何预测干细胞分化

【字体: 时间:2010年10月14日 来源:生物通

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  干细胞具有广阔的应用前景,此类细胞具有多向分化潜能甚至可跨胚层分化,在体外可诱导分化成许多重要的组织细胞,适用于药物的筛选和再生医学的应用。但是在通常的情况下要了解干细胞分化的结果需要花费1个月甚至更长的时间,而在药物的筛选应用中,需要预先知道在新药物作用下的干细胞将会分化成哪种类型的细胞,因此如果要知道干细胞分化结果需要如此长的时间,并不利于实验流程的进展。

  

生物通报道:干细胞是具有自我复制、高度增殖的多向分化潜能的细胞群体,一方面可以通过细胞分裂维持自身细胞群的大小,同时又可以进一步分化成各种不同的组织细胞,从而构成机体各种复杂的组织器官。目前干细胞研究的两大热点是胚胎干细胞(ES)的分离培养及其定向诱导分化,以及成年动物组织来源的成体干细胞的分离培养多向分化潜能(可塑性)研究。

干细胞具有广阔的应用前景,此类细胞具有多向分化潜能甚至可跨胚层分化,在体外可诱导分化成许多重要的组织细胞,适用于药物的筛选和再生医学的应用。但是在通常的情况下要了解干细胞分化的结果需要花费1个月甚至更长的时间,而在药物的筛选应用中,需要预先知道在新药物作用下的干细胞将会分化成哪种类型的细胞,因此如果要知道干细胞分化结果需要如此长的时间,并不利于实验流程的进展。

如何能缩短这一时间呢,来自密歇根大学生物工程系与机械工程系,台湾成功大学医学院骨关节研究中心等处的研究人员开发了一种新型培养基,将成体干细胞在其中培养24小时,就能预测这种干细胞会如何分化,或者说它们会成为何种组织。这一研究成果公布在Nature Methods杂志上。

这一方法首次成功预测培养仅一天的时间的干细胞的分化,将这一方法应用于药物筛选和再生疗法,可以反映出干细胞分化的早期迹象,并指出在某些新药处理的情况下这个细胞会变成什么类型。

这种培养基其实主要基于一种新型的干细胞基质,即一种培养支架(见下图a),这种由聚二甲基硅氧烷弹性聚合物制成的支架的硬度能够被调整而不需要改变化学组成,而且研究人员可以通过调节微柱的高度来调节这种基质的硬度,这是传统的干细胞生长基质所不能实现的。研究人员指出,在调控分化方面力学因素和化学因素同样重要,而在力学方面,直到现在仍一直被干细胞生物学家所忽视。

如果干细胞确定分化为一种类型的细胞,相比于那些还未分化或分化为另一种类型的细胞,它们的牵引力将会更大。因此,牵引力的变化能作为细胞分化的早期预测因子。研究人员在干细胞吸附的材料上施加了一个微小的力,发现这个力与分化有关,因此研究人员认为,干细胞培养材料的坚硬,事实上有助于检测细胞分化的类型。

为了证明这一点,研究人员在人类间叶细胞的干细胞上进行了实验,人类间叶细胞位于骨髓和其他的连接组织,比如脂肪中。当其在坚硬一点的支架上成长时,这类干细胞会分化成骨骼,在柔软一点的支架上则会分化形成脂肪。

如图所示,人类间叶细胞的干细胞被放置在这种培养基质中,e图所示,细胞培养实验第二天,这些细胞开始伸展,其伸展程度和施加在支架上的力均大于在长基质培养的细胞。这些细胞在后期分化为了骨细胞。而f图中,在细胞培养实验第二天,细胞产生向心力,这可以从基质的弯曲程度看出,这个细胞在后期分化为了脂肪细胞。

研究人员可以根据底物的柔软度观察细胞分化,并在细胞培养过程中检测了细胞的牵引力,希望通过这种方式确定能否预测细胞的分化。使用荧光显微技术,研究人员检测了支架的弯曲度以确定牵引力的大小。

除此之外,培养基质在干细胞研究领域的应用还有很多,比如近期来自麻省理工的研究人员发明了一种合成性基质,这种基质没有外来动物材料,能够使干细胞至少三个月保持活性并自我繁殖。而且,该合成性基质首次使得单细胞能够形成细胞集落。

以往研究表明,基质表面的化学和物理特性,比如粗糙度、硬度、对水的亲和力等对干细胞生长有影响。研究人员创造了500种特性不同的聚合物并在上面培养干细胞,分析每个聚合物上面细胞的生长状况。他们发现,基质表面疏水性对细胞生长有个最佳范围,而表面糙度和硬度则没有太多影响。此外,他们调整最佳聚合物的组成为:高比例的丙烯酸酯,外面包裹玻连蛋白。

应用这种新的培养基质,研究人员成功实现了人类胚胎干细胞持续三个月的生长和分裂,并获得了大量的细胞。他们将进一步研究,争取将这种培养基质应用到其它类细胞。

目前生物技术公司普遍利用的是干细胞的再生能力,以及分化成各种细胞的潜能,进行再生医疗的研究、药物的筛选、基因学的研究,但是在预测干细胞分化方面目前还没有相关技术产品化,相信虽然这干细胞研究成果的不断发表,尤其是生物信息学,以及其它生物交叉学科的发展,将有利于科学家们对干细胞分化的预测及了解。当然在产品化的过程中,也受到各种争议的限制,不过就成体干细胞这一部分而言,还是相对没有道德争议及免疫排斥问题。

国外的干细胞公司发展的时间比国内早,除了脐带血银行外,已有胚胎干细胞公司成立,像捷容(Geron)、先进细胞科技公司(Advanced Cell Technology)、加州干细胞公司(Stem Cells California,Inc.)等。这些干细胞公司的发展方向以细胞或基因疗法为主,致力于目前医疗上棘手的疾病,像阿兹海默氏症、帕金森氏症、遗传性疾病、老化等方面的研究。

不过目前研究干细胞的公司大多还未开始进行临床实验,离临床医疗仍有好长的一段路(近期美国捷容宣布,佐治亚州亚特兰大“牧者中心”医院已于10月8日利用该公司培植的GRNOPC1人类胚胎干细胞,展开全球首宗人类胚胎干细胞治疗的人体临床试验,见美国施行全球首例人类胚胎干细胞临床试验)。另一个影响这些干细胞公司成败的隐忧是研究经费庞大,资金的运用有限,能否实现未来的梦想,仍有待期盼。不过这些新兴的行业,的确开启了医疗上另一页的全新治疗途径。

我国已成功将MSC或MAPC等干细胞诱导分化成肝细胞、神经细胞、软骨细胞、胰岛细胞、心肌细胞、视网膜细胞等。部分成体组织干细胞还具有跨系分化潜能,应用基因标记等方法证明,不同来源的NSC和肌肉来源的干细胞可以分化成造血细胞,而造血细胞移植后也可以修复肌肉组织等。同时,干细胞的增殖分化模型还可以用于进行基因功能的分析或寻找新基因,应用这一策略,已筛选获得了多个参与干细胞增殖分化的重要功能基因。

在下一篇文章中,我们将就干细胞培养方面的一些问题展开讨论。

附:干细胞公司简介

捷容

1993年成立,拥有70项以上的专利,主要的技术平台有端粒酶、胚胎干细胞及核转殖,利用目前的技术平台,往疫苗新药、诊断工具、细胞再生技术及核转殖或基因转殖四个方向发展。虽然目前尚无产品在市场上营销,但由于和众多公司如罗氏医学仪器股份有限公司(Roche Diagnostics)、赛雷拉基因公司(Celera Genomics)、罗斯林研究所(The Roslin Institute)等,以及学术机构有合作关系,使其研究成果受到重视,目前营收主要来源是相关技术的授权费和端粒酶检测工具的权利金。由于一九九七年向罗斯林研究所以四千五百万美金买下复制桃丽羊的技术专利,再加上和约翰霍普金斯大学合作发展的干细胞技术,使得其发展备受瞩目,是目前干细胞公司中技术平台最多,资金也最庞大的一个。

先进细胞科技公司

先进细胞科技公司的技术核心,是运用细胞核转殖技术,将病人的细胞核转殖到受精卵细胞中得到胚胎干细胞后,再使其分化为所需的组织特异性细胞,以得到完好的分化细胞。目前在动物模式的实验上,利用细胞核转殖技术,已成功地复制出肾细胞、心肌和肌肉等已分化的细胞。

加州干细胞公司

加州干细胞公司则避开胚胎干细胞道德与法规的问题,选择争议性较小的成体干细胞发展,运用组织衍生的干细胞或前驱细胞作为研究工具,诱导分化为所需的成熟细胞为其主要技术,目前将主要的方向放在神经、肝脏及胰脏上,期望以细胞疗法解决神经退化、阿兹海默氏症、肝癌、糖尿病等的器官缺失性疾病。在未来应用的策略上,该公司致力于运用干细胞进行组织修复与置换、药物的筛选试验、遗传性疾病、基因质体学的研究,目前在技术上已经拥有将老鼠造血干细胞分化为肝细胞的基础。

(生物通:张迪)

原文摘要:

Mechanical regulation of cell function with geometrically modulated elastomeric substrates

We report the establishment of a library of micromolded elastomeric micropost arrays to modulate substrate rigidity independently of effects on adhesive and other material surface properties. We demonstrated that micropost rigidity impacts cell morphology, focal adhesions, cytoskeletal contractility and stem cell differentiation. Furthermore, early changes in cytoskeletal contractility predicted later stem cell fate decisions in single cells.

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