《自然》：重大突破！普通胶水破解造血干细胞体外扩增的谜题
2019-06-10 奇点糕 奇点网
几十年来，科学家都在追求能够在体外大量扩增造血干细胞（HSC）的办法。造血干细胞移植是血液肿瘤等血液病的终极解决方案，也与近几年火热的基因治疗相关。但造血干细胞扩增之难始终局限着临床应用。如今这个问题有了一个意想不到的解答。美日两国科学家团队联手发现，阻碍造血干细胞扩增的是培养基中存在的血清白蛋白，将其替换为一种高分子材料聚乙烯醇（PVA）即可令造血干细胞持续自我更新。在最优培养条件下，小鼠造
几十年来，科学家都在追求能够在体外大量扩增造血干细胞（HSC）的办法。
如今这个问题有了一个意想不到的解答。美日两国科学家团队联手发现，阻碍造血干细胞扩增的是培养基中存在的血清白蛋白，将其替换为一种高分子材料聚乙烯醇（PVA）即可令造血干细胞持续自我更新。在最优培养条件下，小鼠造血干细胞在28天内扩增了近千倍！
该论文发表在近期的《自然》杂志上，通讯作者是斯坦福大学遗传学教授中内启光（Hiromitsu Nakauchi）和东京大学干细胞生物学副教授山崎聪（Satoshi Yamazaki）。
图源 | nature.com
但这种疗法有个问题。造血干细胞数量稀少，为了保证稳定定植，需要对患者进行放射或化学疗法事先清除原有的造血干细胞，也就是俗称的“清髓”。这一方面是为了给“新来的”供体细胞提供居住空间，一方面也是为了抑制免疫功能，避免它们误杀外来者。
但清髓谈何容易，免疫抑制、发育迟缓、不育、继发性癌症等副作用虎视眈眈，更别说有些体质较弱或年纪较大的患者根本无法耐受，自然也就没法做骨髓移植。
长时间里，科学家们一直在猜测，是不是一次性移植大量的造血干细胞，采用“人海战术”就能够避免清髓的必要呢？
验证这个猜想很难，追根究底，问题在于，造血干细胞太难养了。
体外培养造血干细胞，情况与体内十分不同。就算用再昂贵的培养基，造血干细胞永远不肯乖乖自我更新，而是很快就分化成前体细胞、失去干性。科学家们几十年里一直在研究骨髓微环境，试图破解造血干细胞稳定扩增的奥秘，但至今还没人能搞定这个难题。
到底是哪里不行？
研究者们分析了培养过程中培养基成分的变化，发现大量细胞因子的出现促进了干细胞的分化，而这些细胞因子的组成，看起来非常像是发生了先天性免疫反应。研究者向培养基中添加了地塞米松，细胞因子便减少了。
细胞因子的变化显示，有炎症反应
经过进一步分析，研究者发现，没错，培养基是被“污染”了，坏事儿的居然是培养基中的一种常见成分——人血清白蛋白（HSA）。
难怪以前的研究都不成功！
既然这样，把HSA替换掉应该就可以了！HSA在培养基中主要是起到载体的作用，研究者测试了11种高分子化合物，筛选出唯一一种能够支持造血干细胞生长和维持干性的物质，聚乙烯醇（PVA）。
值得一提的是，PVA培养出的造血干细胞，在移植实验中甚至还比HSA培养出的活性更强一些。
移植实验：PVA，强，无敌！
这个PVA是什么神物？其实PVA还蛮常见的，比如医疗用的水性凝胶、伤口敷料，各种化妆品的成膜剂，工业建筑材料，可降解生物膜之类。当然，最常见的还是下面这个东西——胶水。
事实上，在日本媒体的采访中，山崎副教授确实提到，用便利店买的液体胶做实验也成功了……
#当然我们不建议用便利店售材料养细胞
##山崎老师这种话怎么可以告诉媒体辣
研究者确定了最佳的条件为100 ng/ml血小板生成因子（TPO），10 ng/ml干细胞因子（SCF），87%水解PVA，纤连蛋白培养。在这个条件下，50个小鼠造血干细胞28天后数量足足增长了8000倍！
这些细胞中造血干细胞频率大约为1：34.3，也就是差不多35个细胞中有一个是功能性造血干细胞，相当于28天培养出了12000个造血干细胞。与既往研究给出的数据比较，可知造血干细胞本身的扩增大约在236倍到899倍之间。
在实验中，培养持续到57天，细胞仍可保持干细胞活性和相关表型，也未出现衰老征兆。
厉害，时间真的长
不过和前人的认知一样，造血干细胞具有明显的功能异质性。研究者观察到，某些单个造血干细胞只能够产生不到100个细胞，另外一些则能够产生50万以上。
那么“人海战术”能帮我们告别清髓吗？
研究者把扩增后的造血干细胞直接移植给小鼠，包括免疫功能正常的和缺陷的。虽然未经清髓处理，但最后小鼠都生长出了来自自体和供体两者的血液/免疫细胞，证明移植成功了。
除了在骨髓抑制方面的应用之外，中内教授还提到，如果在培养过程中使用CRISPR等基因编辑技术修正遗传缺陷，那么患者用自己的细胞来进行基因治疗也是很可行的。
山崎副教授在采访中说；“大规模培养能够消除脐带血和造血干细胞短缺的问题，也能够减轻骨髓抑制的负担。”如果其他干细胞也能够用同样的办法培养，“它可能会为再生医学和基础研究做出巨大的贡献。”
参考资料：
[1]https：//www.nature.com/articles/s41586-019-1244-x
[2] Morrison， S. J. & Scadden， D. T. The bone marrow niche for haematopoietic stem cells. Nature 505， 327–334 (2014).
[3] Kumar， S. & Geiger， H. HSC niche biology and HSC expansion ex vivo. Trends Mol. Med. 23， 799–819 (2017).
[4] Yamamoto， R. et al. Clonal analysis unveils self-renewing lineage-restricted progenitors generated directly from hematopoietic stem cells. Cell 154， 1112–1126 (2013).
[5] Yamamoto， R. et al. Large-scale clonal analysis resolves aging of the mouse hematopoietic stem cell compartment. Cell Stem Cell 22， 600–607.e4 (2018).
[6]http：//med.stanford.edu/news/all-news/2019/05/radiation-free-stem-cell-transplants-may-be-within-reach.html
[7] https：//www.nature.com/articles/d41586-019-01690-w
[8]https：//www.asahi.com/articles/ASM5X6HTMM5XULBJ01H.html
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