诺奖10年,干细胞领域再突破!华大单细胞技术助力诱导出全能干细胞

近日,中国科学院和深圳华大生命科学研究院等多家机构的研究者,通过体细胞诱导培养出了类似受精卵发育3天状态的人类全能干细胞,这是目前全球在体外培养的“最年轻”的人类细胞,是继科学家成功诱导出人类多能干细胞后,再生医学领域的又一颠覆性突破。

 

相关研究成果于北京时间3月22日凌晨在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)上发表。

 
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Nature官网截图

 

今天,我们就来聊一聊这个成果。

 

在这项研究中,科学家发明了一种方法,可以通过“魔法药水”将从人皮肤细胞诱导获得的多能干细胞直接培养成为类似受精卵发育3天的样子。

 

这是什么概念呢?

 

大家知道,我们的生命起源于受精卵,之后,随着受精卵的无限分裂,不同的细胞发育成了我们不同的组织和器官,最终形成完整的人体。

 

但已经分化成为某种组织和器官的细胞,就不具备分化成其他组织和器官的潜能了。

 

研究人员开发了一种“魔法药水”,将皮肤细胞逆向诱导成为具有全能性的细胞。相当于让“成年”版本的细胞返老还童,逆向转化为具有更多可能性的“婴儿期”版本的细胞。

 
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“这些全能性的细胞重建了受精卵仅分裂3次后的胚胎状态,相比过去的多能干细胞,种细胞可以分化为胎盘组织,并可能发育成为更优质的各类身体组织,为全世界数百万需要进行器官移植的患者带来福音。”论文的通讯作者,中国科学院 Miguel A. Esteban 教授、Md. Abdul Mazid博士和李文娟博士表示。

 

这个成果也是再生医学和单细胞测序技术相结合的完美典范,论文的另一位通讯作者、深圳华大生命科学研究院刘龙奇博士介绍说,“通过大规模单细胞多组学图谱的方法,对干细胞技术手段在体外或体内获得的细胞或组织进行高效鉴定,将极大地加速再生医学领域的发展。”

 

其实,这不是科学家第一次在体外将体细胞诱导为干细胞。

 

2012年,诺贝尔生理学或医学奖颁发给了成功将已经成熟的体细胞诱导为多能干细胞的日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)。山中伸弥诱导得到的多能干细胞相当于是受精卵发育5-6天时的状态,不同于全能干细胞,发育潜力比较受限。

 

大家知道,受精卵发育,每一天都至关重要。2天,它就会分裂成2个细胞,之后,几乎每半天就会分裂一次,受精卵也就从1个细胞,变成了2个,4个,8个,16个……而全能性也会随着这个过程持续减弱,当分裂到16个细胞之后,也就慢慢失去了全能性,每个具有全能性的细胞都有可能发育成一个个体,但失去全能性的细胞,就只能分化成某个组织和器官了。

 

而本研究首次获得了相当于受精卵发育3天的胚胎细胞,比之前诺奖诱导的干细胞提前了2-3天!

 

正是这2-3天的差距,让诱导得到的细胞从多能干细胞变成了全能干细胞。这是迄今为止在体外获得的最年轻的人类细胞,因此具备非常强的发育潜力。这项研究也将有助于解开人类胚胎早期发育的密钥。

 

这次研究使得人们可以将“成年”版本的细胞,逆向转化为具有更多可能性的“婴儿期”版本的细胞。

 

由于这次得到的全能细胞更接近受精卵的原始状态,具有更高的全能性,若用于再生医学,培养出来的器官也就越接近真实器官的状态,更有利于移植。

 

这意味着,在科学家们的持续努力下,在未来,取一小块你的皮肤(或抽一小管血液),就可以用你自己的细胞,定向培养出你需要的器官。这对解决器官短缺、异体和异种移植排斥反应等问题,都有着重大的意义。

 
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这项研究的突破得益于单细胞测序技术的进步。

 

在过去,要完成同样的实验,研究人员可能得对成千上万个细胞进行处理和培养,然而成功的概率只有不到百分之十五,无异于大海捞针。

 

而如今,基于华大自主开发的单细胞建库测序平台(DNBelab C4)和DNBSEQ测序技术,科学家可以以低成本、高灵敏度和准确性的方法进行多维的单细胞分析,快速准确地得到具有潜能的细胞,从而开展下一步的研究。

 

通过实验验证,研究人员确定了诱导得到的全能干细胞和人受精卵形成3天后的胚胎细胞高度相似,并证明了该细胞具备全能性。

 

这为未来使用患者本人细胞进行器官培养,并用于自身器官移植和替换,提供了科学依据。

 

通常,对于需要进行器官移植的病人来说,目前唯一的途径就是寻找匹配的供体。但如果捐赠者的血清型与接受者的血清型差异太大,移植可能会失败。

 

而通过基因编辑动物器官为人类提供器官来源的方法,现也处于起步阶段。不久前,人类历史上首个移植基因编辑猪心的患者大卫·贝内特(David Bennett),在接受手术约两个月后,于美国当地时间3月8日去世,着实让人惋惜。

 

目前,需要器官移植的患者人数和器官捐献人数相差巨大,即便患者能够顺利走下手术台,异体移植和异种移植带来的排斥反应也是器官移植的一大障碍。

 

希望在华大等全球科研和医疗机构的持续努力下,在不久的将来,器官移植也可以“自力更生”。

 

该研究由中国科学院和深圳华大生命科学研究院牵头,由英国剑桥大学、吉林大学,以及孟加拉国拉杰沙希大学等多个研究团队共同参与。Md. Abdul Mazid、Carl Ward、骆志伟和刘传宇为该论文的共同第一作者;Miguel A. Esteban、李文娟、刘龙奇和Md. Abdul Mazid为论文的共同通讯作者。该研究受到国家重点研发计划、中科院战略先导项目、国家青年科学基金等项目支持。本研究已通过伦理审查,严格遵循相应法规和伦理准则。

 

本文转载自公众号:华大BGI

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