為了幫人類再造器官，科學家「教會」了幹細胞「72變」

多功能幹細胞的研究已經發展了十餘年的時間，科學家們漸漸掌握了誘導分化的技術，希望能幫助發揮它們的潛能。人體內的誘導性多功能幹細胞（hiPSCs）對人體的修復也有著極大的潛力，自身的幹細胞分化而成的組織、器官都能減少排異的問題，對於先天或後天有缺陷的人來說，這將會拯救他們的生活。

人的誘導性多功能幹細胞

加州大學的研究人員這次就發現了一種非常簡便的誘導hiPSCs分化的方法——給它們「餵食」腺苷！我們都知道多功能幹細胞的分化能力非常強，因此再生醫學中用它來治療疾病一直是科學家們努力的方向，但是麻煩的是，誘導分化的過程存在許多困難，在臨床上的研究和應用也一直難以得到推廣。

在開展研究的十餘年中，只有一位女性患者接受了治療，僅僅一位。在培養過程中，化學物質的誘導往往不能夠準確控制分化過程和方向，可能發生某些基因異常表達或者不能表達，分化不出原本想要的細胞。另外近年來研究發現的致癌基因c-Myc也可能導致分化培養出的器官和組織產生腫瘤。還有多能性這一潛能是優點的同時也讓分化變得難以控制，想要精確地得到某一種細胞很難。雖然現在也有用基因編輯來實現幹細胞分化的技術，效率和準確性提高了，但是出於技術難度，也並不是那麼容易廣泛使用。

正是因為分化艱難，所以這項新的研究才顯得如此出眾，它不僅易操作，而且還高效、廉價，簡直是hiPSCs誘導界中的泥石流啊！不過，堤壩的建起並非一日之功，之所以能發現這個方法，也要仰賴於他們團隊此前的不懈努力。在過去的研究中，他們發現磷酸鈣及一些礦物質混合物可以誘導幹細胞分化為成骨細胞，幹細胞利用磷酸鈣產生ATP，ATP分解產生腺苷，向幹細胞發送信號使其轉化為成骨細胞。[1]

骨細胞

在這個基礎上，研究人員們設想能否跳過繁雜的步驟，只用腺苷就得到骨細胞和骨組織呢？於是他們將hiPSCs在含有生長因子和腺苷的培養基中培養，經過21天的培養，成骨基因表達，hiPSCs分化為成骨細胞。在得到成骨細胞之後，研究人員繼續進行探索，希望能用得到的成骨細胞培養出骨組織。將成骨細胞轉移到聚丙烯酸多孔水凝膠中培養，經過3天之後，使用live-dead染色的方法，觀察到孔內的活細胞數量足夠，分布均勻，通過函數模擬，可以判斷鈣化骨組織正在形成。經過3周時間，在三維X線斷層掃描下，可以看到連續生長的含有血管的骨組織。

live-dead染色示意圖

既然已經成功培養出了骨組織，那麼實際功用如何呢？這個問題也得到了驗證，研究人員將培養了4周和16周的新生骨組織分別移植到了骨質缺陷的小鼠體內，對比發現，4周的骨組織鈣化程度不足，很難覆蓋整個缺陷；而16周的骨組織移植後的骨體積則與小鼠體內缺陷相似，能夠達到彌補小鼠骨質缺陷的要求。不僅修復了小鼠的缺陷，也完全沒有出現腫瘤，這個結果令研究人員吃驚又感到很滿意！[2]

實現了單一分子的簡單誘導，這在過去的研究中是難以想像的。但我們可以看到，從hiPSCs誘導成為成骨細胞仍然需要21天的時間，這個時間雖然算不上長，可是幹細胞誘導在時間上還有沒有再進步的餘地呢？想不到還真的有！這就要追溯到7月的時候，斯坦福大學的研究人員實現了在短短几天內就誘導人類胚胎幹細胞分化出了包括骨骼、心肌和軟骨細胞在內的12種細胞！

人類胚胎幹細胞（hESCs）與人類誘導性多功能幹細胞（hiPSCs）都屬於人類多功能幹細胞（hPSCs），是再生醫學中最適合的兩種細胞。斯坦福的研究人員不從培養條件出發，另闢蹊徑，利用了引導分化所需的多組生物和化學信號實現了快速、準確地誘導分化！

人類胚胎幹細胞

胚胎幹細胞分化的難處在於不同胚層分化出的細胞類型不同，所以，如果不能精確控制，最終得到的就是多種細胞的混合物。胚胎早期階段有外胚層、中胚層和內胚層之分，而其中中胚層可以說貢獻最大，心肌細胞、骨骼、骨骼肌細胞、腎臟細胞以及皮膚細胞等許多重要的細胞都是在中胚層產生的。因此，研究人員將目光鎖定在了一個問題上，是哪些信號驅動了中胚層不同類型細胞的分化？

過去的研究已經發現了幾種信號分子，比如TGF、WNT、BMP和ERK等，研究人員們的目標就是梳理出不同信號的作用如何。舉個例子給大家，在細胞培養時，抑制信號分子TGF-β的活性會驅動細胞向中胚層發展；而添加WNT，同時阻斷BMP與添加BMP但阻斷WNT這兩種不同的信號引導，會產生兩種不同類型的細胞。

摸清了不同信號對分化的影響，在隨後的實驗中，在每個發育階段的「岔路口」上，施加正確的信號引導胚胎幹細胞的選擇，就可以讓它們分化成想要的細胞類型了。每走過一個發育階段，研究人員都會用單細胞RNA測序檢查基因表達的情況，評估分化細胞群的純度。高純度的細胞群在應用於移植時，顯然在移植中的是修復效率更高的。[3]

用短時間得到了不同類型的高純度細胞群是這個研究的成果，可以說是為進一步的研究打開了新的大門。研究人員的下一步目標是希望能將分化出來的細胞培育成組織，再進行移植，希望驗證是否能夠達到和普通分化的細胞同樣修復缺陷的目的。而反觀前一組研究，他們則是完成了移植成功的結果，希望能搞清楚腺苷酸分化出骨組織的分子機制究竟如何。

幹細胞移植已經在臨床上有了多例應用，這兩項新的研究雖然從不同的角度出發，但都達到了新的高度。在未來投入臨床後，一定能夠更好地發揮幹細胞的潛能，為有缺陷的人們解決現在的煩惱。

參考文獻：

[1]Shih Y R V, Hwang Y S, Phadke A, et al. Calcium phosphate-bearing matrices induce osteogenic differentiation of stem cells through adenosine signaling[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(3): 990-995.

[2]Kang H, Shih Y R V, Nakasaki M, et al. Small molecule–driven direct conversion of human pluripotent stem cells into functional osteoblasts[J]. Science Advances, 2016, 2(8): e1600691.

[3]Loh K M, Chen A, Koh P W, et al. Mapping the Pairwise Choices Leading from Pluripotency to Human Bone, Heart, and Other Mesoderm Cell Types[J]. Cell, 2016, 166(2): 451-467.

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