科学家利用多能干细胞分化生成肾小管细胞

【字体: 时间:2013年12月23日 来源:生物通

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  在12月19日的American Society of Nephrology杂志上,来自美国布莱根妇女医院的研究人员,已经成功地诱导人类多能干细胞分化生成肾小管细胞,这是将来有一天使用再生医学,而不是透析和移植,来治疗肾功能衰竭的一项重大进展。

  

生物通报道:来自美国布莱根妇女医院的研究人员,已经成功地诱导人类多能干细胞分化为肾小管细胞,这是将来有一天使用再生医学,而不是透析和移植,来治疗肾功能衰竭的一项重大进展。这项研究成果发表在12月19日的American Society of Nephrology(JASN,美国肾脏病学会杂志)上。

慢性肾脏疾病是一个主要的全球公共卫生问题,当患者向肾功能衰竭发展时,他们的治疗选择仅局限于透析和肾移植。再生医学(Regenerative medicine)——包括组织和器官的重建或修复——可能会为他们提供另外一种不错的选择。

Albert Lam博士、Benjamin Freedman博士、Ryuji Morizane博士和他们的同事们,为了肾脏再生这个目的,在过去五年中,一直都致力于发展诱导人类多能干细胞——特别是人类胚胎干细胞(ES)和人类诱导多能干细胞(iPS)——分化生成肾脏细胞的策略。

Lam博士说:“我们的目标是开发一种简单、高效和可重复的方法,使人类多能干细胞分化生成中段中胚层(位于轴旁中胚层与侧中胚层之间,分化为泌尿生殖系统的主要器官)细胞。”他指出,这些细胞将是获得更具体的肾脏细胞的“起点”。

研究人员发现,一种由化学物质混合形成的“鸡尾酒”,当以精确的顺序添加到干细胞时,会导致它们关闭在ES细胞中发现的基因,开启在肾脏细胞中发现的基因,这些基因在胚胎肾发育过程中以同样的顺序开启。

研究人员能够将人类ES细胞和人类iPS细胞,分化生成表达PAX2和LHX1基因(中间中胚层的两种关键标记)的细胞。iPS细胞,来自于成人皮肤活体组织检查中获得的纤维母细胞到多能细胞的转化,使这些技术可适用于个性化治疗方法,在这种疗法中,起始细胞可源自患者的皮肤细胞。分化的细胞,可表达多个在中段中胚层表达的基因,并能自发地产生表达成熟肾小管标记基因的管状结构。然后,研究人员可以将其进一步分化生成表达SIX2、SALL1和WT1基因(后肾帽状间充质——肾脏分化的一个关键阶段——的重要标记基因)的细胞。在肾脏发育中,后肾帽状间充质包含一个祖细胞群体,这些祖细胞能产生几乎所有的肾脏上皮细胞。

当被移植入成人或胚胎小鼠肾脏时,这些细胞也继续表现得像肾脏细胞一样,有望使研究人员日后能够制造出在患者中发挥功能,并且100%免疫兼容的肾脏组织。

Lam博士表示:“我们相信,从人类多能干细胞中,成功地分化生成肾脏祖细胞或功能性肾脏细胞,将对各种临床和转化应用,包括肾脏组织生物工程、治疗急性和慢性肾脏损伤的肾功能辅助设备、药物毒性筛选、新疗法筛选和人类肾脏疾病模型的构建,产生巨大的影响。”(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Rapid and Efficient Differentiation of Human Pluripotent Stem Cells into Intermediate Mesoderm That Forms Tubules Expressing Kidney Proximal Tubular Markers
Abstract: Human pluripotent stem cells (hPSCs) can generate a diversity of cell types, but few methods have been developed to derive cells of the kidney lineage. Here, we report a highly efficient system for differentiating human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells (referred to collectively as hPSCs) into cells expressing markers of the intermediate mesoderm (IM) that subsequently form tubule-like structures. Treatment of hPSCs with the glycogen synthase kinase-3β inhibitor CHIR99021 induced BRACHYURY+MIXL1+ mesendoderm differentiation with nearly 100% efficiency. In the absence of additional exogenous factors, CHIR99021-induced mesendodermal cells preferentially differentiated into cells expressing markers of lateral plate mesoderm with minimal IM differentiation. However, the sequential treatment of hPSCs with CHIR99021 followed by fibroblast growth factor-2 and retinoic acid generated PAX2+LHX1+ cells with 70%–80% efficiency after 3 days of differentiation. Upon growth factor withdrawal, these PAX2+LHX1+ cells gave rise to apically ciliated tubular structures that coexpressed the proximal tubule markers Lotus tetragonolobus lectin, N-cadherin, and kidney-specific protein and partially integrated into embryonic kidney explant cultures. With the addition of FGF9 and activin, PAX2+LHX1+ cells specifically differentiated into cells expressing SIX2, SALL1, and WT1, markers of cap mesenchyme nephron progenitor cells. Our findings demonstrate the effective role of fibroblast growth factor signaling in inducing IM differentiation in hPSCs and establish the most rapid and efficient system whereby hPSCs can be differentiated into cells with features characteristic of kidney lineage cells.

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