新研究挑战了生物工程和干细胞动力学的长期观点

　　

加州大学洛杉矶分校干细胞科学家发现了令人惊讶的促进蛋白质分泌的基因指令，这对生物技术和细胞治疗具有重大意义。

• 骨髓中发现的间充质干细胞分泌治疗性蛋白质，可能有助于受损组织的再生。

• 加州大学洛杉矶分校的一项研究检查了这些细胞，挑战了传统的理解，即哪些遗传指令促使这些治疗性蛋白质的释放。

• 这一发现可能有助于推进再生医学研究和已经在使用的生物疗法的实验室生产。

拓展抗体医学的视野

如今，基于抗体(抗感染和疾病的蛋白质)的药物被用于治疗从癌症到COVID-19再到高胆固醇的各种疾病。抗体药物是由基因工程细胞提供的，这些细胞在实验室中起着微小的蛋白质生产工厂的作用。

与此同时，研究人员一直在针对癌症、内脏器官损伤和许多其他疾病，采用新的策略，将类似的工程细胞直接植入患者体内。

这些生物技术的应用依赖于这样一个原理：改变细胞的DNA来产生更多的基因指令，从而制造出一种特定的蛋白质，从而使细胞释放出更多的这种蛋白质。

挑战既定的生物学原理

然而，加州大学洛杉矶分校的一项突破性研究挑战了这种长期以来的信念，至少在特定干细胞类型的情况下是这样。

研究人员检测了间充质干细胞，这种细胞存在于骨髓中，可以自我更新或发育成骨骼、脂肪或肌肉细胞。间充质细胞分泌一种叫做VEGF-A的蛋白质生长因子，它在血管再生中起着重要作用，科学家认为它可能具有修复心脏病、肾脏损伤、四肢动脉疾病和其他疾病造成的损伤的潜力。

干细胞研究的惊人发现

当研究人员将每个间充质细胞释放的VEGF-A的数量与同一细胞中编码VEGF-A的基因的表达进行比较时，结果令人惊讶:基因表达与生长因子的实际分泌只有微弱的相关性。

科学家们还发现了其他与生长因子分泌关系更好的基因，其中一个基因编码了一些干细胞表面的一种蛋白质。分离出表面含有这种蛋白的干细胞，研究小组培养出大量分泌VEGF-A的干细胞，并在数天后持续分泌VEGF-A。

对生物技术和医学的影响

12月11日发表在《自然纳米技术》杂志上的研究结果表明，生物学和生物技术的一个基本假设可能需要重新考虑，共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校塞缪尔工程学院的阿蒙德和埃琳娜赫拉佩蒂安工程和医学教授Dino Di Carlo说。

“核心教条一直是，你在DNA中有指令，它们被转录成RNA，然后RNA被翻译成蛋白质，基于此，许多科学家认为，如果你有更多的RNA，你就会有更多的蛋白质，然后更多的蛋白质从细胞中释放出来。我们质疑这种假设。

“我们似乎不能假设，如果一个基因的表达水平更高，相应的蛋白质就会分泌更多。我们发现了一个明显的例子，说明这种情况不会发生，这就带来了很多新问题。”

研究结果可能有助于提高基于抗体的治疗方法的生产效率，并确定更有效的新细胞治疗方法。知道正确的基因开关可以使工程或选择非常高产的细胞来制造或提供治疗。

单细胞分析的突破

加州大学洛杉矶分校的研究使用了标准的实验室设备，并辅以迪卡洛和他的同事发明的技术:纳米瓶，一种微小的碗状水凝胶容器，每个容器捕获一个细胞和它的分泌物。利用一种新的纳米小瓶分析方法，科学家们能够将10,000个间充质干细胞中每个细胞释放的VEGF-A的数量与绘制同一细胞表达的数万个基因的图谱联系起来。

加州大学洛杉矶分校生物化学教授凯瑟琳·普拉斯(Kathrin Plath)说:“在单细胞水平上将蛋白质分泌与基因表达联系起来的能力，对生命科学研究和治疗开发领域有着巨大的希望。”普拉斯是Broad干细胞研究中心的成员，也是该研究的共同通讯作者。“没有它，我们不可能得出我们在这项研究中发现的意想不到的结果。现在我们有了一个令人兴奋的机会，可以了解支持生命基本过程的机制的新事物，并利用我们所学到的知识来促进人类健康。”

治疗发展的新途径

虽然VEGF-A基因指令的激活与蛋白质的释放几乎没有关联，但研究人员发现了153个与VEGF-A分泌密切相关的基因簇。其中许多因其在血管发育和伤口愈合中的功能而闻名;对于另一些，它们的功能目前尚不清楚。

其中一个顶级匹配基因编码一种细胞表面蛋白IL13RA2，其作用尚不清楚。它的外部位置使科学家更容易将其用作标记并将这些细胞与其他细胞分开。含有IL13RA2的细胞比缺乏该标记的细胞多分泌30%的VEGF-A。

在一个类似的实验中，研究人员将分离的细胞培养了六天。在这段时间结束时，有标记的细胞比没有标记的细胞多分泌60%的VEGF-A。

对临床应用的潜在影响

尽管基于间充质干细胞的治疗方法在实验室研究中显示出希望，但对人体参与者的临床试验表明，许多这些新选择是安全的，但并不有效。利用IL13RA2筛选高VEGF-A分泌物的能力可能有助于扭转这一趋势。

迪卡洛说:“确定一个产生更多的亚种群，以及与该种群相关的标记，意味着你可以很容易地将它们分离出来。”“一个非常纯的细胞群将产生高水平的治疗性蛋白质，这应该是一种更好的治疗方法。”

纳米瓶可以从Partillion Bioscience公司买到，这家公司是由Di Carlo共同创立的，在CNSI的校园孵化器Magnify中创立的。