清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院那潔課題組開發(fā)了人多能干細(xì)胞向血管細(xì)胞高效分化的系統(tǒng)，并對(duì)動(dòng)物缺血模型進(jìn)行修復(fù) 時(shí)間：2021-03-31
2021年2月，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院那潔課題組于《Biomaterials》(2019 IF: 10.317) 發(fā)表題為“Efficient endothelial and smooth muscle cell differentiation from human pluripotent stem cells through a simplified insulin-free culture system”的學(xué)科交叉研究論文。該論文開發(fā)了一套高效誘導(dǎo)人多能干細(xì)胞向血管細(xì)胞(內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞)分化的AATS系統(tǒng)，揭示了省略胰島素促進(jìn)血管細(xì)胞產(chǎn)生的新機(jī)制，并通過(guò)細(xì)胞移植驗(yàn)證了這些細(xì)胞在動(dòng)物模型體內(nèi)的血管重建功能，為治療組織器官缺血提供可能的細(xì)胞來(lái)源。
心血管疾病，包括缺血性疾病是造成我國(guó)成年人死亡的最主要因素之一。由人多能干細(xì)胞分化來(lái)的血管細(xì)胞具有治療這些疾病的應(yīng)用前景，但目前采用的分化系統(tǒng)存在成分復(fù)雜、成本高和無(wú)法大量產(chǎn)生細(xì)胞等缺點(diǎn)。本研究通過(guò)使用不含胰島素的培養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)了用最簡(jiǎn)化的培養(yǎng)成分高效分化血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞（圖1）。
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圖1. 不含胰島素的AATS體系可以促進(jìn)中胚層和血管內(nèi)皮細(xì)胞及平滑肌細(xì)胞高效分化
本研究發(fā)現(xiàn)胰島素會(huì)抑制心血管中胚層細(xì)胞的誘導(dǎo)，進(jìn)而抑制內(nèi)皮細(xì)胞的產(chǎn)生。省略胰島素使細(xì)胞迅速向氧化磷酸化的代謝方式轉(zhuǎn)變、加強(qiáng)細(xì)胞的自噬活動(dòng)及開放中胚層基因所在染色質(zhì)區(qū)域，從而促進(jìn)中胚層細(xì)胞高效誘導(dǎo)。在無(wú)胰島素的培養(yǎng)液中，可以高效獲取血管內(nèi)皮細(xì)胞(98%)和平滑肌細(xì)胞(98%)。 這些血管細(xì)胞可在體外形成管狀結(jié)構(gòu)，響應(yīng)刺激和收縮，且具有低免疫原性。此外，結(jié)合3D材料微支架培養(yǎng)，該分化體系可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期大量分化血管內(nèi)皮細(xì)胞。最后，將分化的細(xì)胞移植到下肢缺血和大腦中動(dòng)脈缺血小鼠模型，修復(fù)或逆轉(zhuǎn)了這些模型小鼠因缺血導(dǎo)致的下肢壞死和偏癱，實(shí)現(xiàn)了缺血部位的血管重建和對(duì)神經(jīng)組織的保護(hù)（圖2）。
圖2. AATS體系分化得到的血管細(xì)胞可以用于小鼠缺血部位血管再生和損傷修復(fù)。
綜上，本研究闡明了胰島素對(duì)心血管中胚層細(xì)胞誘導(dǎo)的抑制機(jī)理，開發(fā)了成本較低、成分簡(jiǎn)單的血管細(xì)胞高效分化系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)體外大量獲得血管細(xì)胞提供了新的方法，具有潛在的臨床應(yīng)用與轉(zhuǎn)化前景。
那潔副教授為該論文通訊作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院已畢業(yè)博士生張鳳枝、博士研究生朱詠林和博士后陳靜為本文共同第一作者。清華大學(xué)藥學(xué)院陳立功研究員、博士生匡文華對(duì)本研究中代謝組樣品制備和數(shù)據(jù)分析提供了大力幫助和指導(dǎo)。清華大學(xué)長(zhǎng)庚醫(yī)院張家寧教授對(duì)本研究中小鼠缺血模型的構(gòu)建提供了重要的指導(dǎo)。此外，醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系杜亞楠教授和李雅倩博士提供了3D組織工程微支架。那潔實(shí)驗(yàn)室博士生黃如金、段福宇、邱輝和科研助理明佳等也對(duì)本研究做出了重要貢獻(xiàn)。
本研究由國(guó)家干細(xì)胞及轉(zhuǎn)化研究重點(diǎn)專項(xiàng)2017YFA0102802, 2019YFA0110001，國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目31970819, 91740115, 31771108、清華-北京大學(xué)聯(lián)合生命科學(xué)中心、蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等提供經(jīng)費(fèi)和測(cè)試儀器支持。
參考文獻(xiàn)：Fengzhi Zhang#, Yonglin Zhu#, Jing Chen#, Wenhua Kuang, Rujin Huang, Fuyu Duan,Yaqian Li, Lin Wang, Hui Qiu, Xia Chen, Jia Ming, Peng Liu, Yanan Du, Sophia Chia-Ning Chang, Ligong Chen, Jie Na*. Efficient endothelial and smooth muscle cell differentiation from human pluripotent stem cells through a simplified insulin-free culture system. Biomaterials. 2021:120713. doi: 10.1016/j.biomaterials.2021.120713.
原文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961221000648
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