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成熟体细胞“重造”,变身多能干细胞治疗肌肉变骨头怪病

发布时间:2019-09-20 15:00:26 来源:粤港澳生活网综合 责任编辑:李雨晴

  出品:科普中国byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  制作:卓思 (日本理化学研究所)byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  监制:中国科学院计算机网络信息中心byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  8月29日,来自日本大阪大学研究团队利用iPS(induced pluripotent stem cells)细胞诱导而成的角膜组织,令一位因角膜病变遭受失明困扰的女性患者重见光明。这项先端研究由大阪大学医学院西田幸二教授率领的团队完成,该手术于7月进行,患者已于8月23日康复出院。这项研究带来的成果有望在未来解决角膜供体不足的问题,令更多患有相关疾病的患者重获新生。那么,除了被分化为角膜组织,iPS细胞还有哪些令人期待的医学用途呢?byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  成熟体细胞“重造”,变身多能干细胞byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  iPS细胞,被称人工多能干细胞,是从人的皮肤等体细胞,经过多能性诱导因子的导入、培养所制成的具有分化成人体各种组织脏器并具有无限增殖能力的细胞。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  iPS制作概要byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  图片来源:https://www.cira.kyoto-u.ac.jp/j/faq/faq_ips.htmlbyH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  iPS细胞最初于2006年由日本京都大学山中伸弥教授制作成功,它的发现成为了解决不少疑难罕见疾病的新希望,引起了全世界的广泛关注。山中教授也因此于2012年获得了诺贝尔生理学医学奖,并在京都大学成立了世界首个iPS研究所。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  京都大学iPS研究所,来源:研究所官网byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  利用iPS探索骨罕见病新药物byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  肌肉骨化病又称进行性肌肉骨化症 ( Fibrodysplasia ossificans progressiva, FOP),是世界范围内的罕见病之一。全球病例数不超过千人,日本全国只有80个患者,至今没有发现有效的治疗药物。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  该病患者的主要症状是肌肉里会形成多余的骨组织。从孩童时期开始,患者全身肌肉包括肌肉周围的膜、肌腱以及韧带等部位逐渐变硬钙化。四肢肌肉钙化将导致手脚关节活动范围变窄以及手指弯曲,而脊椎骨钙化将导致背部变形。最终,和呼吸相关的肌肉以及口腔肌肉出现钙化骨化,导致患者进食困难和呼吸衰竭,最后在痛苦中走向死亡。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2018年11月2日,日本京都大学iPS(诱导多功能干细胞)研究小组报告称,他们利用iPS细胞技术筛选出了几种可能对此病有治疗效果的候补药物。相关研究也刊登在顶级期刊杂志Stem Cell Reports上。虽然宣称人类战胜这种疾病还为时尚早,但对于在痛苦中挣扎的患者而言,这项研究不啻为照进黑暗中的光芒。那么,研究人员是如何利用iPS发现这种疑难疾患的新药物呢?byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  进行性肌肉骨化症,伴随的大拇指弯曲以及脊椎变形byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  图片来源:http://fop.umin.jp/fop.htmlbyH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  通过对病因长达15年的研究,人们发现该疾病与ACVR1基因发生异常直接相关。该基因是位于常染色体上的显性基因,由于实际发病的患者少有家族史,因此医学界普遍认为多数病例是由不明原因的基因突变所引起。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  研究人员首先利用含有变异型ACVR1基因的小鼠,对4892个可能有治疗作用的药物进行筛选,筛选出了有抑制肌肉钙化倾向的7种化合物。其次,京都大学iPS研究小组利用肌肉骨化病患者的体细胞诱导出了iPS细胞,并如下图所示利用iPS细胞的多功能分化能力,将其分化成间叶系间质细胞,再将它进一步分化成成熟的软骨细胞。研究者就利用这个原理,从上述的7种化合物中,发现了3种能有效抑制患者iPS细胞向软骨细胞分化的化合物。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  利用FOP患者由来的iPS细胞筛选化合物的流程图  图片来源:作者自制byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  最后,研究人员将肌肉骨化病患者iPS细胞分化成的间叶系间质细胞,移植到免疫缺陷的小鼠腿部中,并对该小鼠腹腔注射上述3种化合物,每天一次,一周五次,持续8周。再通过X光和微型CT检测小鼠腿部肌肉处是否有多余骨头形成。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  如下图所示,最左侧对照组小鼠的大腿肌肉上生出了多余的骨骼,但在右侧两种药物的投与下,箭头位置处的骨骼生成得到了有效的抑制。这项耗时3年的研究,是世界上首次利用iPS技术筛选抑制肌肉骨化药物的成功尝试。这两种化合物要做作为治疗人类疾病的药物,还需要进行多次临床试验。不过,我们仍然可以自豪地说,在肌肉骨化症研究和治疗领域,人类取得了重大突破。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  利用FOP-iPS小鼠模型检测药物抑制肌肉骨化的效果图 byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  图片来源:https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2018.10.007 byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  能分善变,iPS搞定移植再生byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  除了利用iPS细胞建立药物分析筛选模型,iPS还可以用于器官或者组织移植。接下来,我们将介绍如何通过iPS细胞进行软骨缺损后的修复。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  软骨组织,由软骨细胞和基质组织构成,在人体中大量存在于关节处。软骨在遭到严重损伤后很难自我修复或再生,最终将很可能造成软骨缺失的后果。如下图所示,常见的软骨缺失包括:byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  1.后天关节软骨缺失变性,由于长期的运动、外伤引起血流不畅、骨骼坏死进而导致骨和软骨组织脱落分离,多发于运动员或者成长期的中小学生中。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2.先天软骨缺失,由于先天的原因导致出生时身体某处缺少软骨,如耳廓缺失造成的小耳症。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  由于人类缺乏软骨修复能力,一旦发生损伤或缺失,患者的生活品质将受到严重影响。目前主要通过组织移植来治疗软骨缺损。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  软骨缺损疾病  图片来源:http://www.jst.go.jp/ips-trend/symposium/pdf/no05/poster/ks_b04.pdfbyH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  以往的方法是将患者健康的软骨组织提取后,体外进行扩大培养再移植到缺失处。但是这种方法往往引起软骨细胞发生变性,生成纤维状结构,造成移植效果不佳。如果移植效果不好,还需要进行新软骨组织的采取,给患者身体造成伤害。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  因此,是否可以不通过自组织移植来进行治疗呢?京都大学iPS研究所妻木教授率领的骨组织移植研究小组,利用健康人的iPS细胞(注意不是患者的iPS细胞)分化成软骨细胞,再进一步形成软骨组织,最后将组织片移植到患者软骨缺损处。该方法的好处是可以严格控制高品质的移植用软骨细胞,并且不需要患者自己的组织作为来源。目前研究人员们正在小鼠身上进行实验。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  软骨组织移植图,黑线为传统方式  图片来源:http://www.jst.go.jp/ips-trend/symposium/pdf/no05/poster/ks_b04.pdfbyH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在再生医疗领域,除了将iPS细胞用于软骨疾病治疗,研究者也尝试了将iPS细胞分化成的心脏组织、胰腺组织、视网膜组织等。如下图所示,该疗法简单来说就是由患者身上提取iPS细胞,在体外将其分化成心肌组织、角膜组织、神经组织、血小板以及胰岛等再将其移植回患者患部,最终弥补或者代替缺损组织。iPS疗法为先天性心脏病和视网膜变性等疑难杂症的治疗提供了全新的视角,相关研究已经取得了显著的临床疗效。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  iPS细胞移植简图  图片来源byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  http://www.cpnet.med.keio.ac.jp/research/basic/ips/byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  iPS细胞疗法目前的最大难点是什么?byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  尽管iPS细胞的相关研究为未来医学领域的巨大进步提供了新的希望,现在仍有很多难题等待科学家们攻克。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  首先,从患者的皮肤细胞制作iPS细胞需要2个月的时间,再对这些iPS细胞进行分化,令其形成其他组织的流程同样需要很长的周期。比如分化成角膜需要3个月,分化成胰岛需要至少1个月。而患者的iPS细胞往往很敏感脆弱,和正常健康人相比,分化成组织细胞的成功率偏低。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  其次,尽管用患者的iPS成功分化了组织细胞,如何再将这些细胞分化成具有合适功能的组织片(比如能产生胰岛素的胰岛细胞,能正常跳动的心肌组织等)仍然是需要持续研究的课题。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  此外,患者iPS细胞不易得,因此目前大部分研究小组采用正常人的iPS细胞进行实验,这些正常人的iPS能否移植到患者的体内,有没有排异反应,如何克服排异反应也是科学家致力研究的课题。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  随着科学研究的不断进步和研究人员的持续努力,我们期待也相信iPS在难病罕见病的治疗上能持续创造新的希望和奇迹。byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  参考文献:byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  1. An mTOR Signaling Modulator Suppressed Heterotopic Ossification of Fibrodysplasia Ossificans Progressiva.byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2. Dysregulated BMP signaling and enhanced osteogenic differentiation of connective tissue progenitor cells from patients with fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP).byH粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

责任编辑: 李雨晴

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