Nature子刊报道单细胞技术突破

最近，科学家们找到一种方法，可在实验室内同时分离和培养成千上万个这样难以捉摸的细胞。这种高通量技术进步，有望为科学家提供研究干细胞生物学的能力，并能够探讨炎症性肠病、肠肿瘤和其他胃肠道疾病的起源。相关研究结果发表在最近的《自然细胞生物学杂志》（Nature Cell Biology）。

　　

生物通报道：人类肠道是一件了不起的事情。每周，肠道都会再生一层新的内皮细胞，脱落的表面面积相当于一个小型公寓，并用新的细胞进行修复。几十年来，研究人员已经知道，负责这一改头换面行为的是肠道干细胞，但是直到今年，美国北卡大学教堂山分校（UNC）医学、细胞生物学和生理学、生物医学工程副教授Scott Magness博士，才找到一种方法，在实验室内同时分离和培养成千上万个这样难以捉摸的细胞。这种高通量技术进步，有望为科学家提供研究干细胞生物学的能力，并能够探讨炎症性肠病、肠肿瘤和其他胃肠道疾病的起源。延伸阅读：PNAS：长期分析大量单细胞的新装置。

向前一步
几年前，Magness和他的团队开始研究肠道干细胞，很快他们发现自己处于困境中。他们使用的第一种技术是，使用干细胞表面上的一种特定分子或标记，以确保他们可以将干细胞和其他肠道细胞区分开来。然后，他的团队只把干细胞从肠组织中取出来，在培养皿中进行培养。但是有一个问题。尽管所有分离的细胞都具有相同的干细胞标记物，每100个细胞当中却只有一个细胞能“自我更新”和分化成特化细胞，就像一个典型干细胞那样。（干细胞产生的细胞，有专门的功能，是任何器官正常工作所必需的。）

Magness说：“问题是：为什么其他99个细胞表现的不像干细胞？我们认为这可能是因为它们都不尽相同，就像每个人都叫Judy但看起来却不一样。有各种各样的差异，我们一直以为同一名字（同一个分子标记）的这些细胞都是一样的。这一直是一个问题。但是解决问题以使我们可以研究这些细胞的唯一方式是，在单细胞水平上研究肠干细胞，这是史无前例的。”

Magness以及越来越多的研究人员认识到，健康和疾病背后的许多生物学过程，都是由37万亿个细胞（它们构成了人体）中的一小部分驱动。单个细胞可以补充衰老的组织，产生耐药性，并成为病毒感染的载体。然而，这些奇异因子的影响在生物学研究中常常被错过，因为这些研究专注于成千上万个看似 “相同”的细胞。

要区分真正的肠干细胞与相似细胞，需要分离成千上万个干细胞，并随时间推移跟踪每个细胞的行为。但Magness不知道如何完成这一壮举。他与UNC/NCSU生物医学工程联合系主任Nancy Allbritton博士合作。Allbritton的专业领域是精密加工——将大型设备挤压到非常小的尺寸。在他们的会晤中，Allbritton向Magness展示了她最新产物，一种比信用卡还小的设备，上面散布着15,000个微孔用于培养细胞。

微型魔术
每个微孔像一缕头发那样粗。通过将单个干细胞置入微孔，Magness和博士后Adam Gracz，可以看到细胞成长为发育充分的组织结构，被称为迷你肠道（mini-gut）。每个微孔可以加盖一个特定的地址，这将使研究人员能够追踪干细胞。

在合作过程中，Allbritton实验室想出了另一个特征。如果研究人员决定想要进一步研究一个特定的迷你肠道，他们可以用一种特殊的工具（称为微型魔杖microwand）弹出已磁化的微孔，并单独培养组织或提取DNA进行遗传分析。

新技术的目的是，帮助研究人员剖析肠干细胞的生物学机制，并探讨为什么一些细胞表现的不同于其他细胞。它也可以帮助科学家们了解一个细胞的邻域或“生态位”如何可能影响细胞的行为。这很重要，因为，在真正的肠道中，干细胞并不是存在于真空之中；它们被很多其他类型的细胞包围，包括上皮细胞、免疫细胞、肌细胞、神经细胞。新技术使得Magness实验室混合不同类型的细胞，并将它们放在一起培养，以探讨这些细胞彼此互相接近时会发生什么情况。

细胞精密医学
例如，上皮细胞（称为潘氏细胞）已被证明支持肠道干细胞的生长。Gracz决定使用新技术来检验这一假设：是否在附近的潘氏细胞越多，干细胞就会变得更好？他研究了数以千计个微孔，在里面共同培养了潘氏细胞和干细胞，他惊讶地发现，潘氏细胞的数量似乎不影响干细胞的生长。然而，当Gracz进一步观察时，他发现，与潘氏细胞有接触的肠干细胞，比那些没有接触潘氏细胞的干细胞有生存优势，表明这种细胞间的直接接触是提供支持所必需的。

这些研究结果发表在最近的《自然细胞生物学杂志》（Nature Cell Biology）。

Gracz说：“通过这个平台，我们可以用实验方法测试在文献中已经提出的一些假设。在某种程度上，我们已经能够做到以前不可能做的事情。这种方法最强大的部分在于，它可以使我们通过越来越高的分辨率，对肠道科学获得越来越深的认识。我们能看到一些事情并加以研究，特别是涉及到人类健康和疾病的信息。”

研究人员说，新的技术也适用于来自其他组织的细胞，如乳腺癌、胰腺，或身体其他几乎任何部分。有一天，这种技术可以成为精密医学的一种方法，导向目标追踪单个干细胞的行为，作为个体对特定药物的反应指标。

Gracz说：“生物学领域新兴的很酷但混杂的大创意是所谓的随机性——一个器官组成部分的不同行为总体上驱动一个器官的集体行为。所以，所有的干细胞可能在做不同的事情，但是让你身体运行的结果，总是相同的。”

Magness补充道：“这样的单细胞技术，可让我们来剖析这种随机性并把它分开，然后我们可以把它再次复原，能够比现在更好地理解疾病。更好地了解疾病，可让我们为患者制定更好的治疗方案。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
A high-throughput platform for stem cell niche co-cultures and downstream gene expression analysis
Abstract：Stem cells reside in ‘niches’, where support cells provide critical signalling for tissue renewal. Culture methods mimic niche conditions and support the growth of stem cells in vitro. However, current functional assays preclude statistically meaningful studies of clonal stem cells, stem cell–niche interactions, and genetic analysis of single cells and their organoid progeny. Here, we describe a ‘microraft array’ (MRA) that facilitates high-throughput clonogenic culture and computational identification of single intestinal stem cells (ISCs) and niche cells. We use MRAs to demonstrate that Paneth cells, a known ISC niche component, enhance organoid formation in a contact-dependent manner. MRAs facilitate retrieval of early enteroids for quantitative PCR to correlate functional properties, such as enteroid morphology, with differences in gene expression. MRAs have broad applicability to assaying stem cell–niche interactions and organoid development, and serve as a high-throughput culture platform to interrogate gene expression at early stages of stem cell fate choices.