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細胞轉“職”?杜克大學團隊成功將人類皮膚細胞誘導為肌肉細胞
作者:科技組 現職:駐休士頓台北經濟文化辦事處科技組
文章來源:https://www.sciencedaily.com/releases/
發佈時間:2018.02.08
2015年杜克大學發表了第一個由肌肉活體組織切片培養出有功能的人類肌肉組織。奠基於此,該研究團隊於2018年1月的《自然通訊》(Nature Communication) 發表論文中以非肌肉細胞為起始物,成功地培養出一樣具功能的人類肌肉組織。這個研究成果使得科學家們能夠培養出更多的肌肉細胞,提供基因剪輯和細胞治療一個更加簡易的途徑。同時,罕見肌肉疾病的個人化疾病模式將更加容易建立,有利於藥物篩選以及相關的基礎生物學的研究。

杜克大學生物工程學系的教授 Nenad Bursac 博士說道:「利用身體中各種細胞做為多功能幹細胞的來源,而非僅限於肌肉細胞,這讓我們能夠培養出無限的肌肉前驅細胞。而這些前驅細胞的性質接近稱為「衛星細胞」的成體肌肉幹細胞。理論上,他們可以從一個單一細胞生成一個完整的肌肉組織。」之前,Bursac 團隊由肌肉活體組織切片中得到肌原細胞(myoblast),這種細胞已從幹細胞的狀態進一步地分化但還未成為成熟的肌肉細胞。他們將這些細胞增殖至數倍之後,放入充滿營養凝膠的立體支架中,使得這些細胞得以形成排列整齊且具功能的人類肌肉纖維。而在這次的發表中,研究人員們改採皮膚或是血液等非肌肉組織為起始物,而非用人類誘導多功能幹細胞(human iPSC; human induced pluripotent cell)。將這些非肌肉細胞再程序化(reprogramming),使其返回初始的多功能狀態後,便可施加訊息分子Pax7,將這些細胞引導分化為肌肉細胞。在此之前,許多研究團隊皆可將細胞分化為非常類似成體肌肉幹細胞(adult muscle stem cell),然而卻一直無法讓這些細胞進一步的形成具有功能的骨骼肌。杜克大學的研究團隊在這次的研究中突破這個瓶頸。該團隊的博士後研究員Lingjun Rao 解釋道:「最重要的關鍵在於我們的組織培養條件以及立體的基質。比起一般平面的培養方法,細胞在立體的基質中長得更快並且形成更長的肌肉纖維。」研究中顯示,在細胞經過二至四週的立體培養之後,這些肌肉細胞形成肌肉纖維並且可以對電訊號以及生化訊號等外來刺激做出反應,就像是原生的肌肉細胞一樣。此外,研究團隊也嘗試將這些體外培養出的肌肉纖維移植到成年的小鼠體內。結果顯示這些細胞可以成功存活至少三週,且具有肌肉的功能。在此之後,這些細胞會經由循環系統逐漸融入原生組織當中。利用這個新方法培養出來的肌肉組織相較於原生的肌肉組織,或甚至是利用舊方法(活體切片法)培養出來的組織,都顯得不夠強韌。然而,這個新方法仍然有兩個重要的優勢。其一是新方法可以產生出更大比例的類衛星細胞,這些細胞在成體肌肉細胞的修復扮演非常重要的角色。另一方面則是新方法可以用更少量的起始細胞,製造出更多具功能性的肌肉纖維。

上述兩項優勢讓新的方法在再生醫學、罕見疾病研究、以及個人化醫療的應用上深具潛力。Bursac 教授對於罕見疾病的應用尤其振奮。他解釋道:「對於患有杜氏肌肉萎縮症(Dunchenne muscular dystrophy)的小孩而言,活體切片對他們已經萎縮的肌肉會造成更進一步的傷害,這是不道德的。相反地,利用非肌肉組織為起始物,將可產生源源不絕的肌肉纖維來進行試驗。」目前,Bursac 團隊正嘗試著精進這項技術以產生更強而有力的肌肉細胞。於此同時,他們也正著手建立罕見肌肉疾病的新疾病模式註。

註:疾病模式(disease model)為研究人員利用其他動物或組織培養等系統,來模擬人類疾病的狀態以進行病理研究的方法。

原文連結 (顏碩廷 博士 編譯):
1.Engineers grow functioning human muscle from skin cells. https://www.sciencedaily.com/releases/2018/01/180109104707.htm
http://pratt.duke.edu/news/ipsc-muscle
2.Lingjun Rao, Ying Qian, Alastair Khodabukus, Thomas Ribar, Nenad Bursac. Engineering human pluripotent stem cells into a functional skeletal muscle tissue. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02636-4
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