華盛頓大學圣路易斯醫(yī)學院的科學家們開發(fā)了一種新工具，被稱為發(fā)育細胞的“飛行數(shù)據(jù)記錄器”，闡明了細胞從一種類型進化到另一種類型時所走的道路。
科學家希望有一天他們能從需要肝移植的患者身上收集皮膚細胞，并沿著已知的路徑引導皮膚細胞，從而獲得新的肝臟。沒有這種細胞追蹤設備，研究人員可以非常詳細地研究原始細胞和最終細胞——但細胞到達目的地的方式在很大程度上是未知的。
這項研究發(fā)表在12月5日的《自然》雜志上。
“人們對再生醫(yī)學的潛力非常感興趣——例如，在實驗室培養(yǎng)組織和器官——來測試新藥，或者將它們移植一天，”資深作者、助理薩曼塔a莫里斯博士說。發(fā)育生物學教授?！暗覀冃枰私庵鼐幊踢^程是如何工作的。我們想知道皮膚細胞轉化為心臟細胞的過程是和肝細胞還是腦細胞一樣。將一種細胞類型轉化為任何細胞類型需要什么特殊條件？其他細胞類型？我們設計了這個工具來幫助回答這些問題?！?
根據(jù)研究人員的說法，這種工具可以揭示細胞“重新編程”的方式，這可能涉及將皮膚細胞恢復為不同類型的干細胞，然后這些干細胞可以成熟為新的肝臟或其他重要器官。在許多潛在的應用中，這種工具也可以用于癌癥研究，以記錄可能發(fā)展成腫瘤的正常細胞的錯誤轉化。
研究人員用他們的飛行數(shù)據(jù)記錄器進行了實驗，揭示了成功完成飛行路線的細胞所走的特定路線的一些令人驚訝的細節(jié)。這些新信息可以幫助研究人員確定最佳的“飛行前”條件，從而使細胞暴露在其中，增加它們成功旅行的可能性?？茖W家希望提交正確的飛行計劃，這樣所有的細胞都到達了正確的目的地。
“現(xiàn)在，細胞重編程的效率非常低，”莫里斯說?！爱斈闳∫粋€細胞群，比如皮膚細胞，把它變成一個不同的細胞群——腸道細胞——只有大約1%的細胞被成功地重新編程。而且因為是如此罕見的事件，科學家們認為這是一個隨機的過程——有一些正確的步驟，還有一些細胞是隨機發(fā)現(xiàn)的。我們發(fā)現(xiàn)正好相反。我們的技術表明，如果一個細胞在早期開始以正確的路徑重新編程，它所有相關的兄弟細胞及其后代都在同一頁上，做著同樣的事情?！?
這項技術利用病毒的天然特性，將微小的DNA“條形碼”(稱為“細胞標簽”)插入每個細胞。當細胞分裂時，它們獨特的條形碼會傳遞給所有的后代細胞。在28天的細胞重編程窗口中的幾個設定時間點，添加新的條形碼并分析細胞樣本，看看它們在航路點做什么。CellTagging技術跟蹤哪些細胞共享共同祖先，以及在家譜(如家譜)中尋找共同祖先的距離。事實上，除了單次飛行追蹤，這一工具還讓莫里斯和她的團隊構建了一個復雜的細胞家族樹，而成功重新編程的細胞可以追溯到它們的早期祖先。
莫里斯說，他們的研究表明，當細胞接受重編程指令時，細胞的狀態(tài)為其成功奠定了基礎。這與細胞在第一次接受重編程指令時進入許多不同方向的假設相矛盾。
“如果我們能解決能讓細胞成功重編程的初始條件，那么我們就能把細胞變成我們想要的更高效的細胞，”她說?！拔覀兿Ｍ麑崿F(xiàn)100%的效率。這對于再生醫(yī)學領域來說確實令人興奮?！?
研究人員已經(jīng)確定了雞尾酒中的一種成分。他們發(fā)現(xiàn)，如果在細胞中開啟一種叫做Mettl7a1的基因，成功重編程的幾率比沒有這種基因活性的細胞高三倍。根據(jù)莫里斯的說法，另一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，沒有被成功重新編程的細胞并不僅僅出現(xiàn)在整個地圖上。它們似乎聚集在同一個死胡同里，并傾向于回到看起來像原始細胞的類型。
她說：“我們現(xiàn)在看到的是一個死胡同，但隨著技術的進步，我們認為我們可能會看到多種結果。
研究人員研究了小鼠皮膚細胞，將它們暴露于分子混合物中，觸發(fā)細胞DNA的打開，打開新基因，并將皮膚細胞重新編程為另一種稱為誘導內胚層祖細胞的細胞。
這些細胞產(chǎn)生肝細胞和組成小腸的細胞。在一個潛在應用的例子中，莫里斯希望種植迷你膽汁來幫助研究患有短腸綜合征的早產(chǎn)兒。過早出生的嬰兒患病風險高，導致腸道組織死亡。為了防止損傷，一些嬰兒需要手術切除腸道的這一部分，這導致腸道變短。
“因為部分腸道被切除，這些嬰兒失去了吸收營養(yǎng)的能力，”莫里斯說。“如果我們最終能夠從人類版本的這些細胞中種植腸道替代品，這將是一個驚人的進步?！?
莫里斯與華盛頓大學技術管理辦公室合作，申請了這項技術的專利。世界各地的幾個研究團隊已經(jīng)開始注意在自己的研究中使用莫里斯實驗室的細胞標記方法。
莫里斯說：“看到許多癌癥研究小組在其實驗室采用這項技術，我們感到非常高興和鼓舞。“通過這種方式，他們可以發(fā)現(xiàn)哪些細胞變成了癌癥，并及時追蹤他們的祖先，看看他們在早期做了什么?！?
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