有望不用再等肝移植!基因工程治好小鼠肝病

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作者 | 小小

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)

日前研究人员通过基因工程将干细胞转化为可用的肝脏组织,从而延长了患有肝病的小鼠寿命。

图示:实验室环境下培育出的人类肝脏组织横截面,绿色显示的是其中的血管

长期以来,科学家一直在研究如何培育人类肝脏,其中最大的挑战在于如何引导干细胞分裂为成熟可用的功能性器官。而最近的这项研究表明,利用基因工程,干细胞可以转化为成熟组织。

想象一下,如果研究人员可以对干细胞直接进行编程,这样就可以分裂成完整的人体器官。这不仅有助于科学家制造用于测试药物的人体组织,而且可以直接利用病人细胞培育出新的器官,从而减少对移植器官的需求。

在最近发表的一篇论文中,合成生物学领域的研究人员展示了在实验室环境下培育器官的一个关键挑战,也就是弄清楚哪些基因是分裂成成熟肝脏细胞所必需的。

诱导性多功能干细胞(Induced pluripotent stem cells)是干细胞的一个亚群,其能够产生在人体内发育完整器官的细胞。但只有当这些干细胞在合适时机从环境中接收到正确数量的生长信号时,它们才能完成这项工作。在合适情况下,这些干细胞最终会转化为不同类型的细胞,从而发育转化到成熟的器官和组织。

研究人员利用诱导性多功能干细胞生成的组织可以为从移植器官到药物测试所需人体组织提供一个独特来源。

但不幸的是,利用干细胞合成的人体组织并不总是适合器官移植或药物测试,因为它们要么含有来自其他组织的多余细胞,要么缺乏组织成熟度以及其中完整的血管网络。

研究人员决定建立一种合成生物学方法来读写或编程组织发育过程。他们在实验中使用了干细胞的遗传语言,类似于自然状态下用来形成人体器官的语言。

基因设计的组织和器官

匹兹堡肝脏研究中心(Pittsburgh Liver Research Center)和麦高恩再生医学研究所( McGowan Institute for Regenerative Medicine)正在从事合成生物学和生物工程等方面的研究,目标是利用工程方法分析和构建新的生物系统,致力于替换、再生或修复患病器官或组织,从而解决人类健康问题。

研究人员之所以选择培育人类肝脏,是因为这个器官对控制诸如蛋白质或糖等血液中大多数化学物质的水平至关重要。肝脏还能分解有害化学物质,代谢体内许多药物。但肝脏组织也非常脆弱的,可以受许多疾病的影响和破坏。而供体器官的短缺也限制了肝脏移植。

为了制造人造器官和组织,科学家需要能够控制干细胞的发育,从而形成诸如肝细胞和血管细胞不同类型的细胞。研究的目标是使这些干细胞发育成微型器官或类器官,其中包括血管和自然器官中可以找到的其他正确成体细胞。

让合成组织成熟的一种方法是确定诱导相应干细胞生长、成熟并进化成完整的功能性器官所需的基因列表。为了得出这个列表,研究人员们首先计算分析来确定将一组干细胞转化为成熟肝脏的相关基因。然后,研究团队使用基因工程改变已确定的特定基因,并使用它们从干细胞中构建出成熟人类肝脏组织。

培养皿中的肝脏

研究人员首先比较了实验室环境下培养的胎儿肝脏类器官中的活性基因和成人肝脏中的活性基因,通过计算分析得到了促进胎儿肝脏类器官发育为成人肝脏器官所需的基因列表。

然后,研究人员使用基因工程来调整基因以及相应的蛋白质,这是干细胞进一步发育为成熟肝脏所必需的。在大约17天的时间里,研究人员培育出了几毫米宽的成熟肝脏组织,其中含有一系列细胞,这些细胞通常出现在人类妊娠晚期的胎儿肝脏中。

和成熟的人类肝脏一样,实验室中培育出的合成肝脏能够储存、合成和代谢营养物质。虽然所培育出的肝脏组织很小,但研究人员有希望在未来将其逐步变大。虽然与成年肝脏有许多相似之处,但并不完美。研究人员还需要提高肝脏组织对各种药物的代谢能力,还需要使其更安全更有效,以便最终应用于人体本身。

此项研究证明了在实验室环境下,干细胞能够在短短两周半内发育成熟并形成一个功能性的带有血管的组织。研究人员相信这种方法可以为基因编程制造其他人体器官作出贡献。

当研究人员把实验室培养的肝脏组织移植到患有肝病的小鼠身上时,有效延长了小鼠寿命。因此,他们将这种类器官命名为“设计类器官”,因为它们是通过基因设计培育完成的。(辰辰)

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(原标题:Genetic engineering transformed stem cells into working mini-livers that extended the life of mice with liver disease)

(责任编辑:秦一晗_NBJS12572)