科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種追蹤細(xì)胞發(fā)育步驟的方法

華盛頓大學(xué)圣路易斯醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們開發(fā)了一種新工具，被稱為發(fā)育細(xì)胞的“飛行數(shù)據(jù)記錄器”，闡明了細(xì)胞從一種類型進(jìn)化到另一種類型時(shí)所走的道路。

科學(xué)家希望有一天他們能從需要肝移植的患者身上收集皮膚細(xì)胞，并沿著已知的路徑引導(dǎo)皮膚細(xì)胞，從而獲得新的肝臟。沒有這種細(xì)胞追蹤設(shè)備，研究人員可以非常詳細(xì)地研究原始細(xì)胞和最終細(xì)胞——但細(xì)胞到達(dá)目的地的方式在很大程度上是未知的。

這項(xiàng)研究發(fā)表在12月5日的《自然》雜志上。

“人們對(duì)再生醫(yī)學(xué)的潛力非常感興趣——例如，在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)組織和器官——來測(cè)試新藥，或者將它們移植一天，”資深作者、助理薩曼塔a莫里斯博士說。發(fā)育生物學(xué)教授?！暗覀冃枰私庵鼐幊踢^程是如何工作的。我們想知道皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化為心臟細(xì)胞的過程是和肝細(xì)胞還是腦細(xì)胞一樣。將一種細(xì)胞類型轉(zhuǎn)化為任何細(xì)胞類型需要什么特殊條件？其他細(xì)胞類型？我們?cè)O(shè)計(jì)了這個(gè)工具來幫助回答這些問題?！?

根據(jù)研究人員的說法，這種工具可以揭示細(xì)胞“重新編程”的方式，這可能涉及將皮膚細(xì)胞恢復(fù)為不同類型的干細(xì)胞，然后這些干細(xì)胞可以成熟為新的肝臟或其他重要器官。在許多潛在的應(yīng)用中，這種工具也可以用于癌癥研究，以記錄可能發(fā)展成腫瘤的正常細(xì)胞的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化。

研究人員用他們的飛行數(shù)據(jù)記錄器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，揭示了成功完成飛行路線的細(xì)胞所走的特定路線的一些令人驚訝的細(xì)節(jié)。這些新信息可以幫助研究人員確定最佳的“飛行前”條件，從而使細(xì)胞暴露在其中，增加它們成功旅行的可能性。科學(xué)家希望提交正確的飛行計(jì)劃，這樣所有的細(xì)胞都到達(dá)了正確的目的地。

“現(xiàn)在，細(xì)胞重編程的效率非常低，”莫里斯說。“當(dāng)你取一個(gè)細(xì)胞群，比如皮膚細(xì)胞，把它變成一個(gè)不同的細(xì)胞群——腸道細(xì)胞——只有大約1%的細(xì)胞被成功地重新編程。而且因?yàn)槭侨绱撕币姷氖录?，科學(xué)家們認(rèn)為這是一個(gè)隨機(jī)的過程——有一些正確的步驟，還有一些細(xì)胞是隨機(jī)發(fā)現(xiàn)的。我們發(fā)現(xiàn)正好相反。我們的技術(shù)表明，如果一個(gè)細(xì)胞在早期開始以正確的路徑重新編程，它所有相關(guān)的兄弟細(xì)胞及其后代都在同一頁(yè)上，做著同樣的事情?！?

這項(xiàng)技術(shù)利用病毒的天然特性，將微小的DNA“條形碼”(稱為“細(xì)胞標(biāo)簽”)插入每個(gè)細(xì)胞。當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，它們獨(dú)特的條形碼會(huì)傳遞給所有的后代細(xì)胞。在28天的細(xì)胞重編程窗口中的幾個(gè)設(shè)定時(shí)間點(diǎn)，添加新的條形碼并分析細(xì)胞樣本，看看它們?cè)诤铰伏c(diǎn)做什么。CellTagging技術(shù)跟蹤哪些細(xì)胞共享共同祖先，以及在家譜(如家譜)中尋找共同祖先的距離。事實(shí)上，除了單次飛行追蹤，這一工具還讓莫里斯和她的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的細(xì)胞家族樹，而成功重新編程的細(xì)胞可以追溯到它們的早期祖先。

莫里斯說，他們的研究表明，當(dāng)細(xì)胞接受重編程指令時(shí)，細(xì)胞的狀態(tài)為其成功奠定了基礎(chǔ)。這與細(xì)胞在第一次接受重編程指令時(shí)進(jìn)入許多不同方向的假設(shè)相矛盾。

“如果我們能解決能讓細(xì)胞成功重編程的初始條件，那么我們就能把細(xì)胞變成我們想要的更高效的細(xì)胞，”她說?！拔覀兿Ｍ麑?shí)現(xiàn)100%的效率。這對(duì)于再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域來說確實(shí)令人興奮?！?

研究人員已經(jīng)確定了雞尾酒中的一種成分。他們發(fā)現(xiàn)，如果在細(xì)胞中開啟一種叫做Mettl7a1的基因，成功重編程的幾率比沒有這種基因活性的細(xì)胞高三倍。根據(jù)莫里斯的說法，另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，沒有被成功重新編程的細(xì)胞并不僅僅出現(xiàn)在整個(gè)地圖上。它們似乎聚集在同一個(gè)死胡同里，并傾向于回到看起來像原始細(xì)胞的類型。

她說：“我們現(xiàn)在看到的是一個(gè)死胡同，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們認(rèn)為我們可能會(huì)看到多種結(jié)果。

研究人員研究了小鼠皮膚細(xì)胞，將它們暴露于分子混合物中，觸發(fā)細(xì)胞DNA的打開，打開新基因，并將皮膚細(xì)胞重新編程為另一種稱為誘導(dǎo)內(nèi)胚層祖細(xì)胞的細(xì)胞。

這些細(xì)胞產(chǎn)生肝細(xì)胞和組成小腸的細(xì)胞。在一個(gè)潛在應(yīng)用的例子中，莫里斯希望種植迷你膽汁來幫助研究患有短腸綜合征的早產(chǎn)兒。過早出生的嬰兒患病風(fēng)險(xiǎn)高，導(dǎo)致腸道組織死亡。為了防止損傷，一些嬰兒需要手術(shù)切除腸道的這一部分，這導(dǎo)致腸道變短。

“因?yàn)椴糠帜c道被切除，這些嬰兒失去了吸收營(yíng)養(yǎng)的能力，”莫里斯說?！叭绻覀冏罱K能夠從人類版本的這些細(xì)胞中種植腸道替代品，這將是一個(gè)驚人的進(jìn)步?！?

莫里斯與華盛頓大學(xué)技術(shù)管理辦公室合作，申請(qǐng)了這項(xiàng)技術(shù)的專利。世界各地的幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始注意在自己的研究中使用莫里斯實(shí)驗(yàn)室的細(xì)胞標(biāo)記方法。

莫里斯說：“看到許多癌癥研究小組在其實(shí)驗(yàn)室采用這項(xiàng)技術(shù)，我們感到非常高興和鼓舞?！巴ㄟ^這種方式，他們可以發(fā)現(xiàn)哪些細(xì)胞變成了癌癥，并及時(shí)追蹤他們的祖先，看看他們?cè)谠缙谧隽耸裁础！?

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