惊人之举:用脂肪组织生成β细胞

【字体: 时间:2016年04月12日 来源:生物通

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  最近,由苏黎世联邦理工学院(ETH)生物系统科学和工程系的生物技术和生物工程教授Martin Fussenegger带领的研究小组,完成了至今很多专家都认为是不可能的一项壮举:他们从一名50岁的测试者的脂肪组织中,提取到了干细胞,并应用基因重组使它们成长为功能性的β细胞。

  

生物通报道:最近,由苏黎世联邦理工学院(ETH)生物系统科学和工程系的生物技术和生物工程教授Martin Fussenegger带领的研究小组,完成了至今很多专家都认为是不可能的一项壮举:他们从一名50岁的测试者的脂肪组织中,提取到了干细胞,并应用基因重组使它们成长为功能性的β细胞。

当存在葡萄糖时,所产生的β细胞可通过使用这个“遗传软件”来生成胰岛素——就像存在于胰腺的自然β细胞那样。研究人员在《Nature Communications》杂志上报道了这一研究成果。

复制成熟动态
在这项研究中,研究人员提取干细胞,并添加了一个高度复杂的基因合成网络——遗传软件。他们设计了这个网络,以精确重现参与这一成熟过程的关键生长因子。

这个过程的核心是生长因子Ngn3、Pdx1和MafA。在分化过程中这些因子的浓度发生了变化。例如,MafA不存在于成熟的开始阶段。只有在第四天,在最后的成熟的一步,它出现了,它的浓度急剧上升,保持在一个较高的水平。然而,Ngn3和Pdx1浓度的变化,非常的复杂;虽然Ngn3的浓度上升,然后下降,但是Pdx1的水平在成熟一开始和结尾时上升。

Fussenegger强调,要产生功能性的β细胞,尽可能地复制这些自然过程,是非常有必要的:“这些生长因子的时机和数量是极其重要的。”

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新的β细胞可响应葡萄糖
在Fussenegger看来,这是一个真正的突破,一个合成的基因网络已被成功用于实现传递β细胞的基因重组。到目前为止,科学家们已经通过使用吸量管添加各种化学物质和蛋白质,控制了这样的干细胞分化过程。

Fussenegger说:“在合适的时间增加适当数量的这些组件,是很难的,而也效率低下,并且无法扩大规模。”相比之下,这个新过程可以成功地把四分之三的脂肪干细胞转变为β细胞。

这些β细胞不仅看起来非常类似于天然等价物——两种都含有称为粒斑的黑点,储存着胰岛素。而且,人工β细胞也以非常相似的方式发挥作用。他也承认:“目前,他们分泌的大量胰岛素,并不像自然β细胞那么好。”

但是,关键的一点是,研究人员首次成功地复制了整个自然过程链,从干细胞到分化β细胞。

内源性细胞植入物
在未来,该研究小组的新技术,可让科学家能够向糖尿病患者植入新的、用他们自己脂肪组织制备的功能性β细胞。

虽然过去已经进行过β细胞移植,但这一直都要求后续对接受者的免疫系统进行抑制——与任何捐献器官或组织的移植一样。Fussenegger说:“有了我们的β细胞,可能就不需要这个动作了,因为我们可以使用来自患者自身的内源性细胞材料,来制备它们。这就是为什么我们的研究工作对于糖尿病治疗非常重要。”

在培养皿中完全成熟
迄今为止,ETH研究人员只是培养了他们的β细胞;他们还没有将其植入糖尿病患者。这是因为,他们首先想测试,利用遗传编程,是否可以将干细胞从开始到结束完全区分开来。

Fussenegger确信,这种新方法还可以用于制备其他细胞。来自脂肪组织的干细胞,可以分化成不同类型的细胞,他说:“大多数人都有过多的脂肪,我们可以从这些脂肪获得这些干细胞。”

在I型和II型糖尿病中,体内产生胰岛素的β细胞数量在减少,胰腺不得不拼命产生人体所需的胰岛素。因此,科学家一直在苦苦寻找各种方法,来产生新的β细胞,或寻找β细胞的替代,或刺激β细胞体内再生。

2014年3月,范德堡大学Powers研究小组分别在《Diabetes》、《Development》和《Cell Metabolism》期刊发表四篇论文,报道了关于胰岛素分泌β细胞和胰高血糖素分泌α细胞“微环境”的重要发现,他们有证据表明,胰腺的胰岛素分泌β细胞具有再生能力。四篇论文跟踪胰岛β细胞的再生能力

去年9月,美国麻省大学医学院的研究人员,发现了一个新的途径,可以触发胰腺β细胞的再生,这一关键的研究进展,可能有助于糖尿病治疗策略的发展。相关研究结果发表在十月刊的国际著名学术期刊《Journal of Clinical Investigation》。再生胰岛β细胞的新途径

(生物通:王英)

生物通推荐原文:
Saxena P, Heng BC, Bai P, Folcher M, Zulewski H, Fussenegger, M. A programmable synthetic lineage-control network that differentiates human IPSCs into glucose-sensitive insulin-secreting beta-like cells. Nature Communications, published online April 11th 2016. DOI: 10.1038/NCOMMS11247

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