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壁虎生“完美”尾巴 基因編輯配合干細胞成再生醫(yī)學“秘鑰”
2021年11月06日 08:50:00
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：江魚 點擊量：7265
近日，干細胞研究應(yīng)用又添一筆。美國南加州大學科學家借助基因編輯與干細胞技術(shù)，幫助鱗趾壁虎生出類似原生性的尾巴。該成果融合基因編輯和干細胞技術(shù)，是再生醫(yī)療的一大跨越。該成果被發(fā)表于雜志《自然·通訊》。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】 1740年再生現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、1901年遺傳的觀點被證實、1907年組織工程學起步，再生醫(yī)學從被發(fā)現(xiàn)逐漸步入正軌。目前，再生醫(yī)學領(lǐng)域正在通過藥物手段、移植細胞或聚合體手段、生物化人工組織植入三大手段深入探索和臨床治療。
近年來，人體自我修復和構(gòu)建新的組織臨床案例不斷增多，解決了自身免疫性疾病、惡性腫瘤等多種疑難雜癥。修復核心作用就是干細胞。而再生醫(yī)學的大肆興起也讓干細胞再度被科研“瞄準”。
近日，干細胞研究應(yīng)用又添一筆。美國南加州大學科學家借助基因編輯與干細胞技術(shù)，幫助鱗趾壁虎生出可媲美原生性的尾巴。該成果融合基因編輯和干細胞技術(shù)，是再生醫(yī)療的一大跨越。該成果被發(fā)表于雜志《自然·通訊》。
細胞世界的“通用貨幣” 干細胞發(fā)展道阻且長
人體約有220種細胞，它們有序組合、形成各類器官和功能組織，支撐人體正常運作。其中干細胞是細胞的“起源”，它是一種具有自我復制、分化、增殖功能的不成熟原始細胞。
干細胞廣泛存在于骨髓、早期胚胎、外周血以及成年組織等機體各組織器官中。由于強大的自塑性、修復性，干細胞可在不同的微環(huán)境中進化成為骨、肝、軟骨、脂肪、肌肉、肌腱等200多種不同胚層和系譜的組織細胞，修復損傷或者非正常死亡的細胞組織，因此具有細胞“通用貨幣”之稱。
1962年，科學家在蛙身上取出成體腸組織細胞，并將其放入一枚空白卵子內(nèi)，培育出全新狀態(tài)的蝌蚪，最后培育出整只蛙。此后干細胞開始走向再生應(yīng)用。目前，干細胞用來替換或修復喪失功能的細胞組織甚至器官，如存在于骨髓中的造血干細胞，進行骨髓移植，治療白血病、再生障礙等疾病；用胰島細胞治療糖尿病。此外神經(jīng)干細胞、牙髓干細胞、間充質(zhì)干細胞、雌性生殖干細胞等在各組織間發(fā)揮著作用。
然而經(jīng)過多年發(fā)展，干細胞仍有多個問題亟待解決。以神經(jīng)病學為例，臨床數(shù)據(jù)顯示神經(jīng)元干細胞無法完全修復復雜的神經(jīng)組織。據(jù)麻省理工學院的專家分析研究，由于一個神經(jīng)干細胞只能生產(chǎn)一種神經(jīng)元，且該種干細胞涉及先前的預設(shè)連接模式以及內(nèi)源性信號。因此修復時，若沒有接收神經(jīng)元干細胞的鏈接模式或其內(nèi)源性信號，新生神經(jīng)元不能與此前編序好的“自然體”相連，難以達到預期效果。
特定修復“粗糙” “壁虎實驗”提供突破口
基于以上談到的干細胞領(lǐng)域難點，目前，研究任意類型的干細胞將其轉(zhuǎn)化為某種特定神經(jīng)組織以及達到“復制、粘貼”修復顯得尤為重要，技術(shù)“聯(lián)合 作戰(zhàn)”不可少。而此次“壁虎實驗”則是該難點的一大突破，翻越再生醫(yī)療的另一重高山，為人類治療傷口提供新途徑。
壁虎作為能夠尾部再生的羊膜動物(包括哺乳類與似哺乳爬行動物，蜥形類動物，即與哺乳動物“近親”)，斷尾后，尾巴從原始尾脊髓室管膜種群的胚芽端生長，并侵入尾胚細胞。此時的尾組織是由間充質(zhì)細胞集合分化而成室管膜管(ETs)。而壁虎原始尾巴在胚胎發(fā)育過程中則是形成胚胎尾神經(jīng)管(NTs)。壁虎再生的骨骼組織模式發(fā)生改變，從尾部脊柱變成無模式和未分段的軟骨管。此外，再生的壁虎尾室管膜管(ETs)缺乏胚胎尾神經(jīng)管(NTs)形成的背腹模式，即神經(jīng)組織、骨骼在背側(cè)，軟骨組織在腹側(cè)。概括來說，成年壁虎的干細胞會產(chǎn)生一種信號，促成新尾生成，但新尾未接收到神經(jīng)元內(nèi)源性信號，僅僅發(fā)展成由肌肉、脂肪、皮膚組成的同心管，缺少了原生尾巴的脊椎、神經(jīng)組織以及胚胎發(fā)育過程中的背腹式。
類似的情況也存在于人體中，干細胞主要分為胚胎干細胞和成體干細胞兩種。胚胎干細胞是受精卵發(fā)育 4 - 5 天后胚泡中的細胞，如胎兒組織器官由胚胎干細胞分裂分化。成體干細胞則是發(fā)育完善的器官組織中含有的有少量干細胞。與前者相比，成體干細胞修復作用有限，難以分化成特定需求的細胞完成自我修復。
基因技術(shù)+干細胞打“配合戰(zhàn)” 鍛造完整再生“秘鑰”
那么如何促使再生尾巴與胚胎發(fā)育尾巴相似性？如何克服后天中發(fā)育和再生結(jié)果差異性？基因編輯技術(shù)派上用場。簡單來說，科學家將成體干細胞中的基因敲除，達到不影響內(nèi)源性信號傳播的目的，并植入克隆的成年體中以調(diào)節(jié)尾巴的再生，從而使再生尾巴具有背腹式特點。
科學家選擇 CRISPR/Cas9 基因編輯敲除信號調(diào)節(jié)因子Smoothened (Smo)，激發(fā)對音猬因子(SHH脊椎動物器官發(fā)育中信號傳播途徑，可控制成年體細胞的分裂)信號的反應(yīng)功效，并針對每個定向雙鏈斷裂進行同源定向修復(HDR)。經(jīng)過基因編輯過胚胎神經(jīng)干細胞 (NSCs)的蜥蜴重新長出軟骨尾巴。
對于再生蜥蜴尾巴骨骼組織缺乏背腹模式的問題。上文解釋道，該種現(xiàn)象是因為室管膜管(ETs)缺乏系統(tǒng)化的胚胎神經(jīng)干細胞(NSC)種群，胚胎尾神經(jīng)管(NT)的神經(jīng)干細胞在成年壁虎尾室管膜(ETs)衍生過程中丟失。對此，科學家植入內(nèi)源性室管膜細胞群，幫助壁虎再生尾室管膜管(ETs)的背側(cè)結(jié)構(gòu)域。
在我國，關(guān)于干細胞的扶持政策不在少數(shù)：2015 年我國國家衛(wèi)生健康委推出《干細胞臨床研究管理辦法(試行)》，打破了政策壁壘。2017 年，國家食品藥品監(jiān)管總局發(fā)布《細胞治療產(chǎn)品研究與評價技術(shù)指導原則(試行)》，為企業(yè)發(fā)展細胞治療產(chǎn)品進一步發(fā)展指明了方向。2019 年，國家衛(wèi)健委先后發(fā)布了《生物醫(yī)學新技術(shù)臨床應(yīng)用管理條例(征求意見稿)》 《體細胞治療臨床研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)用管理辦法(試行)(征求意見稿)》，推進干細胞臨床研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)用發(fā)展。2021 年，“干細胞研究與器官修復”再被科技部列為“十四五”重點研發(fā)計劃之中。
作為“萬能細胞”，干細胞的戰(zhàn)略性發(fā)展構(gòu)圖的正在步步組建，國家支持，市場發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｈ缃瘢?ldquo;壁虎實驗”的順利完成無疑是為再生醫(yī)療助力，間接推進再生醫(yī)療上下游產(chǎn)業(yè)深入發(fā)展。
(資料來源：《自然·通訊》、知網(wǎng)、百度百科、21世界經(jīng)濟網(wǎng)、中國醫(yī)療、科技日報等)
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