近日,清華大學醫學院那潔課題組發表學科交叉論文,揭示心血管前體細胞分化新機理,創建了省略胰島素的培養體系,用於高效分化獲得血管內皮細胞和平滑肌細胞,最後在血管損傷缺血動物模型進行細胞移植實驗治療,證實這些細胞具有良好的在體內形成血管的能力。這一研究為血管重建、治療組織器官缺血提供可能的細胞來源。
心血管疾病,包括缺血性疾病是造成我國成年人死亡的最主要因素之一。由人多能幹細胞分化來的血管細胞(主要為內皮細胞和平滑肌細胞)具有治療這些疾病的應用前景,但現時採用的分化系統存在成分複雜、成本高和無法大量產生細胞等缺點。本研究通過使用不含胰島素的AATS分化體系,實現了用最簡化的培養成分高效分化血管內皮細胞和平滑肌細胞(圖1),並通過細胞移植驗證了這些細胞在動物模型體內的血管重建功能。
圖1.不含胰島素的AATS體系可以促進中胚層和血管內皮細胞及平滑肌細胞高效分化
本研究發現胰島素會抑制心血管中胚層細胞的誘導,進而抑制內皮細胞的產生。省略胰島素使細胞迅速向氧化磷酸化的代謝管道轉變、加强細胞的自噬活動及開放中胚層基因所在染色質區域,從而促進中胚層細胞高效誘導。在無胰島素的培養液中,可以高效獲取血管內皮細胞(98%)和平滑肌細胞(98%)。這些血管細胞可在體外形成管狀結構,響應刺激和收縮,且具有低免疫原性。此外,結合3D資料微支架培養,該分化體系可以實現長期大量分化血管內皮細胞。最後,將分化的細胞移植到下肢缺血和大腦中動脈缺血小鼠模型,修復或逆轉了這些模型小鼠因缺血導致的下肢壞死和偏癱,實現了缺血部位的血管重建和對神經組織的保護(圖2)。
圖2.AATS體系分化得到的血管細胞可以用於小鼠缺血部位血管再生和損傷修復
綜上,本研究闡明了胰島素對心血管中胚層細胞誘導的抑制機理,開發了成本較低、成分簡單的血管細胞高效分化系統。為實現體外大量獲得血管細胞提供了新的方法,具有潜在的臨床應用與轉化前景。
該研究已於2月份發表在《生物材料》(Biomaterials)雜誌,題目為“一套簡化的不含胰島素的培養體系用於人多能幹細胞高效分化內皮細胞和平滑肌細胞”(Efficient endothelial and smooth muscle cell differentiation from human pluripotent stem cells through a simplified insulin-free culture system)。清華大學醫學院那潔副教授為該論文通訊作者,醫學院已畢業博士生張鳳枝、博士研究生朱咏林和博士後陳靜為本文共同第一作者。清華大學藥學院陳立功研究員、博士生匡文華對本研究中代謝組樣品製備和資料分析提供了大力幫助和指導。清華大學長庚醫院張家寧教授對本研究中小鼠缺血模型的構建提供了重要的指導。此外,醫學院生物醫學工程系杜亞楠教授和李雅倩博士提供了3D組織工程微支架。那潔實驗室博士生黃如金、段福宇、邱輝和科研助理明佳等也對本研究作出了重要貢獻。
本研究由國家幹細胞及轉化研究重點專項、國家自然科學基金委項目、清華-北京大學聯合生命科學中心、蛋白質研究技術中心、結構生物學高精尖創新中心等提供經費和測試儀器支持。
論文連結:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961221000648
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