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細(xì)胞重新編程:開拓干細(xì)胞研究新天地

  • 作者:張?zhí)锟?/li>
  • 來(lái)源:中國(guó)醫(yī)藥報(bào)
  • 2014-09-06 09:38

    2008年12月18日,美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出了本年度十大科學(xué)進(jìn)展,其中“細(xì)胞重新編程”位列之首。之所以細(xì)胞重新編程獲此殊榮,是因?yàn)檫@一方式開辟了再生醫(yī)學(xué)的新天地,人們可以繞過(guò)胚胎干細(xì)胞的倫理爭(zhēng)論而直接讓各種細(xì)胞重新編程,成為各種類型的干細(xì)胞,并可以生長(zhǎng)為各種組織和器官,為再生醫(yī)學(xué)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。
    發(fā)展進(jìn)程迅速
    細(xì)胞重新編程指的是分化的細(xì)胞在特定的條件下被逆轉(zhuǎn)后恢復(fù)到全能分化的狀態(tài),或者形成胚胎干細(xì)胞系,或者進(jìn)一步發(fā)育成一個(gè)新的個(gè)體。而在此之前,2007年的一項(xiàng)研究已經(jīng)提示了這個(gè)領(lǐng)域的重大進(jìn)展,即“誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞”(又稱干細(xì)胞樣細(xì)胞)成為2007年十大科學(xué)進(jìn)展的第二位。
    2007年,美國(guó)威斯康星大學(xué)詹姆斯·湯姆森領(lǐng)導(dǎo)研究小組與日本京都大學(xué)教授山中伸彌領(lǐng)導(dǎo)的研究小組分別在《科學(xué)》和《細(xì)胞》雜志發(fā)表研究成果,他們都借助逆轉(zhuǎn)錄病毒為載體向人體皮膚細(xì)胞中植入4個(gè)基因(Oct4、Sox2、c-myc、Klf4),通過(guò)基因重新編碼,使皮膚細(xì)胞具備胚胎干細(xì)胞的功能。而被改造過(guò)的細(xì)胞被稱作“誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞”。
    而在把人的皮膚干細(xì)胞通過(guò)基因重新編程改造成干細(xì)胞之前,研究人員已經(jīng)在小鼠實(shí)驗(yàn)中獲得了成功。2006年,山中伸彌等研究人員稱,他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能避開人體胚胎干細(xì)胞倫理限制的方法,可以獲得干細(xì)胞。他們將4個(gè)基因?qū)朐谂囵B(yǎng)皿中生長(zhǎng)的小鼠尾部細(xì)胞,得到了外表和功能與胚胎干細(xì)胞極其相似的新細(xì)胞,這就是誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞。
    現(xiàn)在,研究人員通過(guò)插入4種基因,以回?fù)芗?xì)胞發(fā)育時(shí)鐘的方法,使細(xì)胞成為可以再分化生長(zhǎng)的干細(xì)胞。研究人員從不同疾病的患者身上提取皮膚細(xì)胞,將其重新編程為干細(xì)胞。這些干細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室里能生長(zhǎng)并分裂,這既可以讓研究人員理解疾病的進(jìn)展過(guò)程,也是干細(xì)胞利用的新途徑,因而在未來(lái)可以用患者自身的細(xì)胞治療疾病。
    在此之前的兩個(gè)進(jìn)展引人注目。一是兩年前用于小鼠身上的一項(xiàng)基因技術(shù)成為細(xì)胞重新編程的開端。當(dāng)時(shí),研究人員用基因技術(shù)徹底去除了細(xì)胞的發(fā)育“記憶”,使其回到原始胚胎狀態(tài),然后重新生長(zhǎng)成不同的細(xì)胞。也就是說(shuō),可以通過(guò)細(xì)胞再編程,讓成年細(xì)胞重新回到胚胎狀態(tài),即胚胎干細(xì)胞,然后使其發(fā)育成各種所需的組織和器官。
    另一種方法更為先進(jìn)。研究人員用活鼠做實(shí)驗(yàn),讓細(xì)胞直接從一種成體細(xì)胞變成另一種,打破了細(xì)胞單向發(fā)育的規(guī)則。這種方法的先進(jìn)之處在于直接,省去了讓細(xì)胞重新編程變?yōu)楦杉?xì)胞的過(guò)程,而是直接讓一種細(xì)胞變?yōu)榱硪环N細(xì)胞。
    獲得方法多樣 
    研究的進(jìn)一步發(fā)展還獲得了通過(guò)細(xì)胞重新編程以獲取干細(xì)胞的新認(rèn)識(shí),即再編程的目標(biāo)并不一定要回到胚胎狀態(tài),而是可以讓細(xì)胞直接變成另一種新的成熟細(xì)胞。這是利用基因重組技術(shù),實(shí)現(xiàn)不同種類成體細(xì)胞之間的直接轉(zhuǎn)化,代表了再生醫(yī)學(xué)更為直接和先進(jìn)的方向。
    哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的周橋和波士頓兒童醫(yī)院的道格拉斯·梅爾頓的研究小組通過(guò)注射冷凍的普通腺病毒,把3種基因(Ngn3、Pdx1和Mafa)送入體內(nèi)缺乏胰島β細(xì)胞的病鼠胰腺內(nèi),結(jié)果胰腺內(nèi)大約20%的外分泌細(xì)胞轉(zhuǎn)化成胰島β細(xì)胞。胰島β細(xì)胞增加,分泌的胰島素相應(yīng)增多,病鼠體內(nèi)過(guò)高的血糖水平降低,糖尿病病情減輕。
    不過(guò),盡管腺病毒作為載體比較安全,研究人員還是希望找到避免使用病毒的方法將3種基因注入人體中,否則風(fēng)險(xiǎn)較大,也因此會(huì)招致美國(guó)藥物管理部門的反對(duì)。
    利用細(xì)胞重新編程獲得干細(xì)胞還有其他多種方法。例如,把胰腺中成熟的外分泌細(xì)胞再編程為胰島β細(xì)胞也可以采用引進(jìn)4種基因(Oct4、Sox2、c-myc、Klf4)的方法。美國(guó)馬薩諸塞州總醫(yī)院癌癥研究所和再生醫(yī)學(xué)中心的馬塞厄斯·斯達(dá)特費(fèi)爾德研究小組用這樣的方法,也成功地讓小鼠的胰腺外分泌細(xì)胞轉(zhuǎn)化成胰島β細(xì)胞。
    這種情況對(duì)舊有的醫(yī)學(xué)現(xiàn)象和理論是一種顛覆,因?yàn)樵谏矬w內(nèi),分化了的細(xì)胞幾乎從來(lái)不改變發(fā)展方向,比如從肌細(xì)胞變成肺細(xì)胞。然而,這種細(xì)胞的直接再編程對(duì)治療某些疾病來(lái)說(shuō)比采用多能干細(xì)胞更簡(jiǎn)單、更安全。這項(xiàng)技術(shù)也許能使科學(xué)家們加快在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)所需的細(xì)胞類型,用確定的因子把培養(yǎng)的一種細(xì)胞變成另一種細(xì)胞。
    針對(duì)疾病廣泛
    2008年,細(xì)胞重新編程的第一個(gè)重要成果是對(duì)人類一種頑癥──肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(ALS)的探索。美國(guó)哈佛大學(xué)的艾根研究小組和美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的研究小組共同從患有ALS患者的皮膚中提取了致病細(xì)胞,并對(duì)其進(jìn)行基因改造,然后將改造后的細(xì)胞注入患者的大腦中,結(jié)果令人鼓舞——經(jīng)過(guò)基因改造的細(xì)胞在人體內(nèi)能夠正常工作。
    ALS是一種運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞受損的疾病,罹病后肌肉會(huì)逐漸萎縮,進(jìn)而全身癱瘓并死于呼吸衰竭。研究人員從兩位患有ALS的姐妹(她們一人83歲,另一人82歲,由于這一疾病的遺傳性,姐妹倆的祖先中有2%的人患有該種疾?。┥砩咸崛∑つw細(xì)胞后,加入4種基因?qū)⑦@些細(xì)胞轉(zhuǎn)變回誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞。實(shí)際上,這4種基因就是研究人員用來(lái)重新設(shè)定細(xì)胞程序,使其演變?yōu)檎T導(dǎo)性多能干細(xì)胞狀態(tài)的基因,這是細(xì)胞重新編程的第一步。隨后,研究人員將來(lái)自其中一名患者的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞沉浸在多種信號(hào)分子中,設(shè)法使這些細(xì)胞成為看上去像是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的細(xì)胞,而運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元就是在ALS中遭損害的細(xì)胞。
    這一做法的目的是,用誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞來(lái)制造在遺傳上與患者相匹配的健康細(xì)胞,并取代病變的細(xì)胞,從而不會(huì)產(chǎn)生排異反應(yīng)。但是,在將這種方法安全地用于人身上之前,仍然有重大的障礙需要克服。而且,在實(shí)施中也可能有麻煩。例如,通過(guò)重新編程的細(xì)胞變成干細(xì)胞后是否會(huì)難以控制其生長(zhǎng),如果不能控制,就容易誘發(fā)癌癥。
    緊接著,美國(guó)哈佛大學(xué)干細(xì)胞研究所的喬治·戴利等人與其他研究人員合作,創(chuàng)立了20個(gè)誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞系,它們代表的是10種疾病,包括腺苷脫氨酶嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺乏癥、Ⅲ型戈謝病、杜興氏肌肉萎縮癥、貝克肌肉萎縮癥、唐氏綜合征、帕金森病、青少年糖尿病、舒-戴二氏綜合征、亨廷頓舞蹈病、萊施-奈恩二氏綜合征(攜帶者)。
    對(duì)這些疾病建立誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞也是利用細(xì)胞重新編程的方法,而這是建立疾病干細(xì)胞樣細(xì)胞庫(kù)的開始,有助于研究多種疾病。
    面臨安全問(wèn)題
    細(xì)胞重新編程既然是改變細(xì)胞的一種方式,這也意味著會(huì)永久改變細(xì)胞的DNA,造成安全隱患。因?yàn)?,把外源性基因插入?xì)胞的基因組中可能會(huì)打斷現(xiàn)有的基因,例如防癌基因,導(dǎo)致細(xì)胞容易形成腫瘤。盡管插入的基因似乎在重新編程結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉,讓細(xì)胞自身的基因接管,科學(xué)家們?nèi)匀粨?dān)心插入的基因會(huì)再激活或者對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生其他微妙的影響。
    例如,引進(jìn)4個(gè)基因(Oct4、Sox2、c-myc、Klf4)進(jìn)行細(xì)胞重新編程的方法需要用4個(gè)獨(dú)立的病毒,每個(gè)病毒對(duì)應(yīng)1個(gè)重組基因,才能將基因轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的DNA中。而這些病毒可能會(huì)使這4個(gè)基因植入到細(xì)胞DNA中的任何部位,因此有可能引發(fā)致癌基因的表達(dá),導(dǎo)致癌癥。
    為了避免這種危險(xiǎn),研究人員正在嘗試多種方法。例如,美國(guó)懷特海德生物醫(yī)學(xué)研究所的研究人員嘗試將4個(gè)重組基因串聯(lián)起來(lái),用一種病毒把它們植入成年實(shí)驗(yàn)鼠和人類細(xì)胞的基因組。結(jié)果顯示,這種方法能夠表達(dá)所有4個(gè)重組基因,從而啟動(dòng)細(xì)胞重新編程。而這種在基因重組過(guò)程中把所需病毒的數(shù)目從4個(gè)減少到1個(gè)的方法,能極大地簡(jiǎn)化誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的生成,同時(shí)也增加了安全性。
    另一方面,日本的研究人員也發(fā)現(xiàn),一種稱為質(zhì)粒的DNA環(huán)狀體也可以將啟動(dòng)細(xì)胞重新編程的基因載入細(xì)胞。另外,腺病毒也是基因工程中常的一種載體病毒,該病毒導(dǎo)致常見的感冒,但并不將自己插入細(xì)胞的基因組中。腺病毒的功能是,能長(zhǎng)時(shí)間地表達(dá)插入的外源性基因,將細(xì)胞重新編程。但是隨著細(xì)胞分裂,病毒被稀釋到檢測(cè)不到的水平,使重新編程后的細(xì)胞內(nèi)原來(lái)的基因組保持不變。
    但是,這些比較安全的插入外源性基因以啟動(dòng)細(xì)胞重新編程的方法效率較低,這也逼迫研究人員要探索既安全又有效率的方法。如今,在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中,1萬(wàn)個(gè)細(xì)胞中能被成功重新編程的細(xì)胞少于1個(gè)。不過(guò),美國(guó)加利福尼亞州和西班牙的兩個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn),一種叫做角質(zhì)細(xì)胞的皮膚細(xì)胞特別容易重新編程。研究人員能把大約1%的角質(zhì)細(xì)胞重新編程,整個(gè)過(guò)程只要10天,而其他細(xì)胞則需要好幾個(gè)星期。毛囊是角質(zhì)細(xì)胞的一個(gè)豐富來(lái)源,研究人員稱,他們從人頭皮上拔下的一根頭發(fā)的細(xì)胞中獲得了個(gè)性化的細(xì)胞系,而從頭發(fā)獲得細(xì)胞比切下一塊皮膚要容易得多。
    雖然研究人員可以繞過(guò)胚胎干細(xì)胞而用多種方法獲得各種干細(xì)胞,但現(xiàn)階段讓干細(xì)胞轉(zhuǎn)變成特定的細(xì)胞和組織還只限于在實(shí)驗(yàn)室中,例如讓干細(xì)胞轉(zhuǎn)變成有心搏的心臟細(xì)胞。這些細(xì)胞是否能融入患者的組織并替代或修復(fù)患病的細(xì)胞和組織,仍有很多技術(shù)和難關(guān)需要攻克。

(責(zé)任編輯:)

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