一种开创性的3D类器官培养方法

哈佛干细胞生物学家开创了一种开创性的3D类器官培养方法，用于在体外产生大量成人骨骼肌卫星细胞，也称为肌肉干细胞。

以这种方式有效地制造功能性肌肉干细胞的能力有望加速对骨骼肌疾病的理解和治疗，包括那些起源于神经肌肉的疾病。《自然生物技术》详细介绍了这项新技术，它也为研究肌肉生物学提供了一个有力的工具。

“人们将能够做所有这些移植和再生实验，因为突然之间，你有数百万个细胞，”合著者、哈佛大学研究科学家Feodor Price说。“去和它们玩耍，研究它们，在实验室里观察你最喜欢的基因和途径。”

Price与干细胞和再生生物学系教授、哈佛干细胞研究所神经系统疾病项目联合主席Lee Rubin合作，开创了实验室衍生的卫星细胞，这种卫星细胞与天然成体干细胞非常相似，负责骨骼肌的生长和再生。

他们独特的方法克服了用传统方法在体外培养时维持卫星细胞再生能力的挑战。“一旦你把它们从体内取出，它们基本上就不再是干细胞了，”Price解释说。

Price解释说，当卫星细胞以增加其数量为目标进行培养时，它们会迅速增殖，但随后会自发分化为成肌细胞(肌肉祖细胞)，失去其原始卫星细胞的功能。当细胞被移植回体内时，这将导致肌肉修复和维护失效。

哈佛团队在维持卫星细胞再生能力方面的突破来自于3D类器官培养技术的创新使用。通过将小鼠成肌细胞放入旋转瓶中，研究人员可以产生含有分化肌纤维和表达关键卫星细胞标记Pax7的细胞群的类器官。这种重要转录因子的存在和类器官内结构的组织是他们方法成功的标志。

“我们相信我们已经成功地重建了卫星细胞生态位，”Price说，“正因为如此，我们能够诱导类器官内的细胞去分化回到卫星细胞状态。”从本质上讲，我们已经在体外创造了卫星细胞，这是一项重大成就，为再生医学和肌肉生物学领域带来了巨大的希望。”

大量的体外和体内表征表明，这些干细胞与真正的卫星细胞非常相似，包括它们的小体积、安静、关键基因和表观遗传标记的表达模式。然而，它们与天然细胞并不相同。RNA和DNA分析显示，实验室生成的细胞具有介于卫星细胞和成肌细胞之间的中间转录和表观遗传特征。

然而，最重要的是，当移植到小鼠肌肉中时，这些细胞能够移植，重新填充干细胞生态位，长期存在，并在反复损伤后再生肌肉——这些都是天然卫星细胞的关键功能。

在一项实验中，研究人员表明，将新细胞(而不是成肌细胞)移植到缺乏内源性卫星细胞的受辐照小鼠肌肉中，可以使肌肉再生并具有正常的收缩力。肌母细胞的反应与预期完全一致:什么也没发生。它们没有肌肉。相比之下，干细胞和卫星细胞形成了不错的肌肉。普莱斯说:“当我们比较他们的收缩能力时，我们很高兴地看到，从本质上说，收缩肌肉产生的力量是相同的。”

他补充说:“让我印象深刻的不是细胞的移植能力。这是他们重新填充干细胞生态位的能力，因为如果他们这样做，它们既可以移植，也可以长期存在。”

研究人员还能够从人类成肌细胞中产生卫星细胞，包括高传代的商业细胞系。这对细胞疗法的发展具有重要意义，因为处理人体组织是困难的，现在可以在体外生产大量功能性卫星样细胞。

这项研究得到了Blavatnik生物医学加速器和哈佛大学与哈佛大学技术发展办公室(OTD)建立的国家弹性战略联盟的支持，以推动研究走向商业化机会。

在这些进步的基础上，研究团队为与哈佛大学其他实验室的合作项目奠定了基础，以模拟整个神经肌肉回路，并有可能应用于脊髓性肌萎缩症、ALS和面肩肱肌营养不良症等疾病。

“我们的实验室花了数年时间研究神经肌肉疾病的‘神经’方面。”“我们现在期待着有一天我们可以产生一个全新的回路，从脊髓延伸到功能强大的肌肉。”