肌肉干细胞疗法有新发现

肌肉干细胞疗法有新发现

干细胞(stem cell)是一类具有自我复制能力(self-renewing)的多潜能细胞。在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。目前各方发现,干细胞不仅存在于胚胎,也存在于成人体内许多器官和组织中,其中包括已经发现的脐血干细胞、胎盘干细胞、骨髓干细胞等等。

一直以来,干细胞都是科学家们研究的热门话题,这是因为其具备很强的分化能力,产生新的功能性细胞。研究人员发现基于干细胞的方法可能有助于肌肉的再生和生长,将改善许多人的生活质量,尤其是患有先天性肌肉疾病的儿童和因衰老而失去肌肉质量和力量的人们,于是这成了科学家们的研究方向。

最近,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Song Li和加利福尼亚大学圣地亚哥分校Shankar Subramaniam教授的研究小组分别在《nature biomedical engineering》和《Science Advances》两个顶级期刊上,发表了从干细胞分化角度治疗肌肉疾病可行方案的论文

肌肉干细胞负责肌肉的生长、修复和再生。在发育成熟的成年人体内,肌肉干细胞处于静止状态,它们一直处于休眠状态,直到被召唤对损伤作出反应,自我复制并产生修复受损组织所需的细胞类型。但是这种再生能力会随着年龄的增长或者受到创伤而下降;杜氏肌营养不良及相关遗传疾病也会损害其恢复能力。

基因表达因子对肌肉干细胞分化的影响

Shankar Subramaniam团队使用了3种可分化为心肌细胞的多能干细胞系,在实验过程中通过了解不同基因段表达方式以及与时间的关系,对分化过程有了新发现。3组细胞中,有一组肌肉分化明显快于其他细胞系。那么是什么因子可以促进肌肉生长呢?

不同的时间点触发几种表观遗传机制可以加速“较慢”的多能干细胞系中的肌肉生长。首先通过在分化开始时抑制一个称为ZIC3的基因可以促进这些细胞的数量增长,即肌肉生长;随后在生长过程中加入β-catenin转录辅因子来在分化开始时和下游的成肌分化上发挥作用。

研究人员首次发现了干细胞在分化的不同阶段如何触发表观遗传机制来加速肌肉细胞的生长,为开发肌肉疾病、损伤和萎缩的治疗方法提供了新的见解。通过使用肌肉干细胞的疗法可以减轻由外伤引起的肌肉损失和损伤。下一步便可以探索疗法,比如触发这些基因表达的药物。

化学混合物对肌肉干细胞分化的影响

Li和他的同事们发现了一种化学混合物,一种由根提取物forskolin和小分子repsox组成的混合物,它可以在10天内有效地生成大量的肌肉干细胞。在对小鼠的研究中,研究人员证明了两种可能的途径。

第一种方法是使用在皮肤中的真皮肌原细胞,这种细胞有能力成为肌肉细胞。研究小组发现,用化学混合物治疗真皮肌源性细胞可以促使它们产生大量的肌肉干细胞,这些干细胞随后可以移植到受伤的组织中,可以分化出肌肉,显著改善肌肉功能。

第二种方法是将化学混合物输送到受损的肌肉组织中。通过注射包含靶向化学物质的纳米颗粒至受伤的肌肉,在受伤区域移动并释放出化学物质,并驻留肌卫星细胞激活静止的肌肉干细胞并且开始分裂,从而产生了强大的修复反应。

研究小组特别惊讶地发现,第二种方法在年老的老鼠身上也有效,因为随着动物年龄的增长,包围和支持肌肉干细胞的环境会很不活跃。这两种技术都取得了效果上的成功,第二种技术的好处在于它无需在实验室中培养细胞——所有的肌肉干细胞激活和再生都在体内进行。

很遗憾,研究小组中的李指出,这两种方法都不能修复因杜氏症或其他遗传性肌肉疾病导致的缺陷。

基因表达是内因治疗,化学物质是外因治疗。两个研究小组从两个方向在肌肉再生上做出了卓越成果,这对未来的药物以及配套疗法研发具有长足意义,希望有一天可以帮助科学家开发出针对肌肉疾病的再生疗法。

参考资料:
Fang, J., Sia, J., Soto, J. et al. Skeletal muscle regeneration via the chemical induction and expansion of myogenic stem cells in situ or in vitro. Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00696-y
Nayak, P., et al. “Temporal mechanisms of myogenic specification in human induced pluripotent stem cells.” Science advances 7.12 (2021): eabf7412. DOI: 10.1126/sciadv.abf7412

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