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人类骨骼干细胞首次分离

导读 斯坦福大学医学院科学家领导的长达十年的努力已经获得了人类骨骼干细胞鉴定的奖励。 细胞可以从人体骨骼中分离出来,或者由脂肪中的特化细

斯坦福大学医学院科学家领导的长达十年的努力已经获得了人类骨骼干细胞鉴定的奖励。

细胞可以从人体骨骼中分离出来,或者由脂肪中的特化细胞产生,从而产生可以制造新骨的祖细胞,骨骼内部的海绵基质和软骨,帮助我们的膝盖和其他关节顺利无痛地运作。

这一发现使研究人员能够创造出一种对人体骨骼的发育和维持很重要的干细胞家谱。它还可以为人们再生骨骼和软骨的治疗方法铺平道路。

“每天,儿童和成人都需要正常的骨骼,软骨和基质组织,”塑料和重建外科教授迈克尔·朗格尔说。“例如,有7500万美国人患有关节炎。想象一下,如果我们能够将容易获得的脂肪细胞从脂肪抽吸变成干细胞,这些细胞可以注入关节以制造新的软骨,或者我们是否可以刺激新骨的形成来修复老年人的骨折。

2015年9月20日在Cell上发表了一篇描述这一发现的论文,该发现是在2015年由同一组小鼠骨骼干细胞发现的。

'真实,多能,自我更新'

骨骼干细胞不同于另一种称为间充质干细胞的细胞类型,它可以产生骨骼组织,脂肪和肌肉。间充质干细胞可以从血液,骨髓或脂肪中分离出来,被一些临床医生认为可以作为通用干细胞发挥作用。它们已在临床试验中进行了测试,但成功率有限,并且作为其再生各种组织的能力的未经证实的实验性治疗。最近,佛罗里达州的三名老年患者在将来自脂肪的间充质干细胞注射到他们的眼睛中作为黄斑变性的实验性治疗后,使他们的大部分视力失明或丧失。

“间充质干细胞具有松散的特征,可能包括许多细胞群,每个细胞群对分化信号的反应可能不同且不可预测,”Chan说。“相比之下,我们发现的骨骼干细胞具有真正的,多能的,自我更新的,组织特异性干细胞的所有标志性特征。它们对骨骼组织的命运潜力受到限制,这可能使它们在临床上更有用。“

骨骼再生是任何骨骼动物在一个粗糙的世界中进化的重要能力,在这个世界中,只有最适合或最快愈合的动物才能在很长一段时间内存活到成年期。一些脊椎动物,如蝾螈,如果需要,能够再生整个肢体,但其他动物(如老鼠和人类)的愈合能力更为适中。虽然人类通常可以很好地治愈骨折,但随着年龄的增长,它们开始失去一些这种能力。并且它们完全无法再生随着年龄或重复使用而磨损的软骨。研究人员想知道骨骼干细胞是否可以在临床上用于帮助替换受损或缺失的骨骼或软骨,但是很难确定。

成体干细胞谱系限制

与仅在发育的早期阶段存在的胚胎干细胞不同,成人干细胞被认为存在于所有主要组织类型中,在那里它们等待时间直到需要修复损伤或创伤。每个成体干细胞都受谱系限制 - 也就是说,它使祖细胞仅产生天然存在于该组织中的细胞类型。对于我们的骨骼,这意味着制造骨骼,软骨和基质的细胞。

Chan,Longaker和他们的同事希望利用他们从识别小鼠骨骼干细胞中学到的知识来快速分离其人类对应物。但这项任务比他们预期的要困难得多。大多数细胞分离工作集中于使用称为荧光激活细胞分选的技术,以基于蛋白质表面上的蛋白质表达来分离细胞。通常,来自不同物种的相似细胞类型共享一些关键细胞表面标志物。

但是,人类骨骼干细胞与鼠标对应的人共享少量标记物。相反,研究人员不得不将小鼠骨骼干细胞的基因表达谱与发育中人骨骼生长末端的几种人类细胞类型的基因表达谱进行比较。这样,他们能够识别出与小鼠骨骼干细胞产生许多相同蛋白质的细胞群。然后他们向后工作以识别人类细胞表面上的标记物,这些标记物可用于分离和研究它们作为纯种群。

“这是一个非常生物信息学的挑战,它需要一个由跨学科研究人员组成的大团队,但最终Chuck和他的同事能够确定一系列我们认为具有巨大潜力的标记,”Longaker说。“然后他们必须证明两件事:这些细胞可以自我更新,或者无限制地制造更多自己,并且它们可以构成构成人类骨骼的三个主要血统吗?”

研究人员表明,他们发现的人类骨骼干细胞具有自我更新能力,能够制造骨骼,软骨和基质祖细胞。它发现在骨骼发育的最后,以及愈合骨折部位附近的数量增加。它不仅可以从骨折部位分离出来,还可以通过重编程人体脂肪细胞或诱导多能干细胞来产生骨骼命运。

'完美的利基'

有趣的是,骨骼干细胞还为人类造血干细胞 - 或我们骨髓中产生血液和免疫系统的细胞 - 的生长提供了一个培育环境,而不需要额外的生长因子在血清中。

“血液形成的干细胞喜欢海绵骨的内部,”陈说。“这对他们来说是完美的利基。我们发现,由骨骼干细胞产生的基质细胞群可以使造血干细胞在没有血清的情况下存活两周。“

通过研究人类骨骼干细胞的分化潜能,研究人员能够构建干细胞家族树。作为进一步研究潜在临床应用的基础。了解小鼠和人类骨骼干细胞之间的相似性和差异,也可能揭示骨骼形成和区分小鼠和人类骨骼的内在特性的谜团。

“我们发现的骨骼干细胞具有真正的,多能的,自我更新的,组织特异性干细胞的所有标志性特征。”

“现在我们可以开始理解为什么人类骨骼比老鼠更密集,或者为什么人体骨骼变得如此大,”Longaker说。

特别是,研究人员发现,人类骨骼干细胞表达在已知调节骨形成的Wnt信号通路中有活性的基因,而小鼠骨骼干细胞则不然。

然而,研究人员的最终目标是找到一种在临床中使用人类骨骼干细胞的方法。Longaker设想了一种未来,其中关节镜检查 - 一种微创手术,其中一个微型相机或手术器械,或两者,插入关节,以可视化和治疗受损的软骨 - 可能包括注射骨骼干细胞特别限制产生新的例如,软骨。

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