科学家使用水凝胶材料使干细胞像人类胚胎一样发育

悉尼新南威尔士大学的材料科学家表明，实验室中的人类多能干细胞可以启动类似于原肠胚形成期的过程——细胞开始分化为新的细胞类型——比在大自然中发生的时间早得多。

对于在子宫内发育的胚胎，原肠胚形成发生在第14天。但是在新南威尔士大学肯辛顿校区实验室的一个培养皿中，Scientia副教授KrisKilian监督了一项实验，在培养人类干细胞的两天内触发了类似原肠胚形成的事件在一种独特的生物材料中，事实证明，它设置了模拟胚胎发育这一阶段的条件。

“原肠胚形成是导致人体计划的关键步骤，”副教授说。基连。

“这是一个简单的细胞片转变为构成身体所有组织——神经、心血管和血液组织以及肌肉和骨骼等结构组织的过程的开始。但我们还没有真正能够研究在人类中的过程，因为如果不获取发育中的胚胎组织，就无法在实验室中进行研究。”

“所以我们能够在体外看到这种情况真的很令人兴奋。”

今天发表在《高级科学》杂志上的这项成就不仅对我们理解人类胚胎发育具有重要意义，而且对包括细胞疗法、靶向药物开发和CRISPR基因编辑技术在内的医学新疗法具有重要意义。

你生命中最重要的时刻

发育生物学家LewisWolpert曾说过：“生命中真正最重要的时刻不是出生、结婚或死亡，而是原肠胚形成。”原肠胚形成是胚胎发育过程中的关键事件，此时大量未分化细胞开始在子宫内迈向形成人类的漫长旅程的第一步。这是禁止对IVF遗留胚胎进行超过14天的原肠胚形成的原因之一。

Kilian说，到目前为止，由于明显的伦理限制，很难在人类身上研究这个过程。

“单独使用材料控制原肠胚形成将为研究人类发展提供一种全新的方式，”他说。

“我们目前不能这样做，因为超过14天的胚胎研究通常被认为是不道德的，而且目前不可能在体内进行，因为你需要在怀孕的人类母亲身上观察胚胎。”

但是，虽然有动物模型可供研究——例如小鼠和斑马鱼——并且其他研究人员在实验室中使用包括生长因子在内的化学物质诱导了类似原肠胚形成的事件，但这是第一次单独的培养条件在人体外引发原肠胚形成。

“我们的方法可能会导致一种新的方法来模拟人体外的人类胚胎发生，”Kilian说。

微型器官与CRISPR基因剪接

在医学科学中，像新南威尔士大学团队创造的那样，在“合成”胚胎中诱导原肠胚形成的能力也有助于根据患者自身的遗传密码创造身体组织甚至微型器官。这些肉眼几乎看不见的所谓“类器官”已经在使用干细胞开发用于医学研究，例如测试某些药物的有效性。但是这个过程需要化学物质来刺激细胞形成分化的器官组织，这既费时又昂贵。

Kilian说，通过仅使用水凝胶材料来刺激自然发生的事情来控制原肠胚形成可能是一种更快、更具成本效益的解决方案。

Kilian说：“真正让我们兴奋的是，它有可能更快、更可重复地制造治疗有用的细胞。”

“我们的方法可以提供一种启动‘器官发生’的方法——在一个孔中包含数百个明确定义的细胞聚集体——从而导致更快、更明确的结构，然后可以将其转化为大脑、肝脏、肠道、可能是任何实体器官组织。

“这种方法还可以通过提供一种更具可重复性的方式在实验室中模拟人体组织，从而彻底改变包括RNA和CRISPR/Cas9方法在内的药物开发。例如，您可以从患者的细胞中制造类器官，然后测试旨在纠正突变或恢复功能。”

一个水凝胶家刚刚好

新南威尔士大学团队在实验室的工作取得成功的秘诀在于干细胞所植入的培养物结构。使用改编自半导体行业的技术，在水凝胶上制造定义区域，供细胞粘附。这种几何限制和模拟人类子宫表面的软凝胶的组合诱使细胞开始类似原肠胚形成的过程。

“我们发现，如果你将多能干细胞放在一个非常狭窄和柔软的环境中，这类似于细胞在母亲子宫中可能经历的情况，”Kilian说。

“这种粘弹性、柔软、粘糊糊的材料给了他们足够的线索，让他们自行启动这种类似原肠胚形成的过程。”

这与最近在实验室中使用的标准做法形成鲜明对比，后者在硬塑料或玻璃盘上使用生长因子和化学补充剂强制进行一种原肠胚形成过程。

“不出所料，之前在玻璃或塑料上培养干细胞的研究未能重现体内发生的信号。但使用我们模拟胚胎组织的软基质，我们可以诱导细胞在空间上组织并开始早期形态发生，最终可能创造一个人。”

但Kilian警告说，虽然该团队已经发现了模拟原肠胚形成第一阶段的条件，但似乎并没有更进一步。

“我们不能这样造人，”他说。

“这种方法只展示了早期但非常关键的发展阶段。其影响在于能够研究人类发展的这个最重要的阶段，并使用生成的结构来开发疗法。”

意外发现可能是发现的重要组成部分

与科学中的大多数伟大发现一样，机缘巧合发挥了作用。当他们将一些干细胞滴到水凝胶基质上时，该团队并没有积极寻求进行原肠胚形成。

主要作者PallaviSrivastava博士对她观察到的情况感到惊讶。

“最初我试图让干细胞附着在我们的水凝胶上，并计划以传统方式区分它们，”她说。

“在玻璃上培养的细胞和在我们的凝胶上培养的细胞之间的差异非常显着。我记得当时在想，‘哇，这里发生了一些事情。我需要调查’。这导致我的项目发生了重大转变，最终这个令人兴奋的发现。”

研究人员希望他们能够通过了解材料如何指导胚胎发生及其他方面，继续探索他们发现的好处。Kilian说，虽然这一发现令人兴奋，但还需要做更多的工作来指导类似原肠胚形成的过程形成有用的组织。

“这真的是我们希望成为用于生产有用组织模型的平台技术的第一步。触发原肠胚形成是不够的——现在我们需要提供其他信号来保持分化。”

Kilian说，发现下一组材料信号可能会为研究目的创建几乎任何实体组织，并为再生医学生成有用的细胞类型。

“考虑到现在可以从血液或组织样本中产生多能干细胞，未来可以从患者自身的细胞中再生组织和器官。”