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不寻常的 多功能的细胞持有恢复丢失组织的关键

在你体内,红细胞一直在运动。它们将氧气输送到身体每个部位的每个组织。这些血细胞也可以运输废物。所以他们的工作对你的生存至关重要。但是所有这些通过微小血管的挤压对红细胞来说都是很困难的。这就是为什么它们只能维持四个月。

这是一个非常特殊的细胞家族。当大多数其他细胞分裂时,子细胞的外观和行为与它们的父母一模一样。例如,一个皮肤细胞只能产生另一个皮肤细胞。肠或肝细胞也是如此。

不是干细胞。干细胞可以变成许多不同的类型。这就是胚胎如何从一个受精卵长成一个拥有数万亿个特殊细胞的胎儿。它们需要专门组成功能非常不同的组织,包括大脑、皮肤、肌肉和其他器官的组织。在以后的生活中,干细胞也可以替代老化或受损的细胞——包括红细胞。

干细胞的非凡能力让科学家们兴奋不已。有一天,专家们希望利用干细胞来修复或替换许多不同种类的组织,无论是在事故中受伤还是在疾病中受损。这样的干细胞疗法可以让身体自行痊愈。科学家们也找到了一种将特殊细胞用于修复损伤的方法。总之,这些基于细胞的治疗有一天可能会让永久性残疾成为过去。

一种不同寻常的干细胞为这种治疗用途提供了特殊的前景。由于这种细胞类型的最新进展,山中伸弥分享了2012年诺贝尔医学奖。

血液干细胞存在于你的骨骼中,也就是所谓的骨髓中。在那里,他们一遍又一遍地分开。一些新的细胞仍然是干细胞。其他的形成红细胞。还有一些人则变成了五种抗感染的白细胞。虽然造血干细胞可以成为这些特定的血细胞中的任何一种,但它们不能成为肌肉、神经或其他类型的细胞。他们太专业了,不能那样做。

另一种类型的干细胞更为普遍。这些细胞可以发育成体内任何类型的细胞。这种干细胞被称为多能性干细胞(PLU ree PO tint)。这个词的意思是有很多可能性。不难理解为什么这些细胞吸引了许多科学家的想象力。

直到最近,所有多功能细胞都来自胚胎。这就是为什么科学家称它们为胚胎干细胞。卵子受精后,会一分为二。这两个细胞再次分裂,变成四个细胞,以此类推。在胚胎发育的最初几天里,它的每一个细胞都和其他细胞一样。然而,每个细胞都有发展成任何特殊细胞类型的潜力。

当人类胚胎发育到三到五天时,它的细胞开始发挥它们的潜力。他们专业。有些会发育成肌肉细胞或骨细胞。其他的会形成肺细胞——或者可能是胃里的细胞。一旦细胞专门化,它们的“许多可能性”突然变得有限。

婴儿出生时,几乎所有的细胞都会分化。每种细胞类型都有其独特的形状和功能。例如,肌肉细胞很长,可以收缩或缩短。红细胞体积小,呈板状,因此可以很容易地通过血管。

隐藏在所有这些特殊细胞中的是成体干细胞。(是的,甚至新生儿也有“成人”干细胞。)与胚胎干细胞不同,成体干细胞不能转化成任何细胞类型。然而,成体干细胞在磨损时可以替代几种不同类型的特殊细胞。在你的骨髓中发现了一种成体干细胞,它能产生新的血细胞。其他组织中也发现了更多的类型,包括大脑、心脏和肠道。

在自然发生的干细胞中,胚胎类型是最有用的。成体干细胞没有那么灵活。成虫类型也相对少见,很难从发现它的组织中分离出来。尽管胚胎干细胞的用途更为广泛,但它既难以获得,也存在争议。那是因为采集它们需要摧毁一个胚胎。

2006年,山中伸弥(Shinya Yamanaka)发现,特化细胞——比如皮肤细胞——可以转化为干细胞。这位在日本京都大学工作的医生和科学家诱导或说服成熟细胞成为干细胞。他通过向细胞中插入一组特定的基因来实现这一点。几周后,这些细胞的行为就像胚胎一样

全世界的科学家都知道山中伸弥(他现在在格莱斯顿研究所工作,该研究所隶属于加州大学旧金山分校)开发的这项技术。许多研究人员采用山中的方法来制造自己的诱导多能干细胞。研究人员首次有了一种工具,可以让他们从患有罕见遗传疾病的人身上制造干细胞。这有助于科学家了解是什么导致某些类型的细胞死亡。专家们还可以将小批患病细胞暴露于不同的药物中。这使得他们可以测试成千上万种药物来找出哪种效果最好。

在未来,许多专家希望诱导的干细胞将被用于取代成人干细胞和受损或死亡的组织细胞。

治疗需要病人和耐心

哈佛大学研究生安妮·切里(Anne Cherry)就是这些专家之一。Cherry正使用诱导干细胞来了解一种非常罕见的叫做皮尔逊综合症的遗传疾病。综合症是一组共同出现的症状。皮尔逊综合症的一个症状是骨髓中的干细胞不能产生正常的红细胞。这种情况通常会导致早逝。

哈佛大学安妮·切里实验室的培养皿中含有诱导的干细胞。每天,樱桃都会从这种充满垃圾的橙色液体中虹吸出来,用一种叫做“介质”的特殊液体取而代之。这种呈粉红色的培养基含有维持细胞存活的营养物质。感谢安妮·切里的好意

哈佛大学安妮·切里实验室的培养皿中含有诱导的干细胞。每天,樱桃都会从这种充满垃圾的橙色液体中虹吸出来,用一种叫做“介质”的特殊液体取而代之。这种呈粉红色的培养基含有维持细胞存活的营养物质。

安妮·切里(Anne Cherry)

Cherry已经开始研究这些干细胞为什么会失败。

她首先从一名女孩身上提取皮肤细胞。她将这些细胞放入试管中,并添加基因将其转化为干细胞。几周后,这些细胞开始制造蛋白质,插入的基因为这些蛋白质提供了指令。蛋白质在细胞内完成大部分的工作。这些蛋白质关闭了使细胞表现得像皮肤细胞的基因。不久,这些蛋白质就打开了基因,使这些细胞的行为像胚胎干细胞一样。

大约三个月后,Cherry体内产生了大量新的诱导干细胞。这些细胞现在住在她的实验室培养皿中,他们保持在体温(37°摄氏度,或98.6°华氏度)。这位科学家现在正试图诱导诱导的干细胞变成血细胞。在那之后,Cherry想要找出皮尔逊综合症是如何杀死他们的。

与此同时,捐献皮肤细胞的病人仍然不能自己制造血细胞。因此,医生必须定期给她输血。尽管拯救生命,输血也有风险,尤其是对于那些患有严重疾病的人。

Cherry希望有一天能将女孩体内诱导的干细胞变成健康的新的血液干细胞,然后将它们送回女孩体内。这样做可以消除进一步输血的需要。由于这些细胞是女孩自己的,所以她的免疫系统对它们的反应不会有任何风险,就好像它们是外来的一样。

在奥马哈的内布拉斯加大学医学中心,Iqbal Ahmad正致力于使用干细胞恢复盲人的视力。一位研究大脑和神经系统的神经科学家Ahmad一直致力于研究那些在视网膜神经细胞死于青光眼时失明的人。

视网膜位于眼球后部,将进入的光线转换成电信号,然后发送到大脑。Ahmad正在研究如何用诱导多能干细胞形成的新视网膜细胞来取代死亡的视网膜细胞。

神经科学家首先从角膜(或覆盖眼睛前部的透明组织)中取出成人干细胞。这些干细胞通常会取代因眨眼的磨损而丢失的细胞。它们不能成为神经细胞——至少它们自己不能。然而,Ahmad可以将这些细胞转化为iP干细胞。然后,在刺激下,他把它们变成了神经细胞。

为了进行转化,Ahmad将角膜细胞放在培养皿的一边。然后他把胚胎干细胞放在另一边。网状的膜将这两种细胞分开,使它们不能混合。但即使他们不能触摸,他们也能交流。

细胞不断地向其他细胞发出化学信号。当胚胎干细胞“说话”时,“眼睛细胞”就会“听”。他们的化学信息说服眼睛细胞关闭告诉他们是角膜细胞的基因。随着时间的推移,眼细胞变成干细胞,可以产生不同类型的细胞,包括神经细胞。

神经细胞包含长而线状的突起,称为轴突,将信号传递给下一个细胞。当脊椎受伤时,这些轴突会被切断或切断。破坏轴突就像剪断电线一样——信号停止流动。因此,剑桥大学的科学家们开始着手研究是否能够恢复这些信号。

杰弗瑞和他的同事们与经历过脊椎损伤的狗一起工作。这种问题在一些品种中很常见,包括腊肠。研究小组首先从狗的鼻窦中取出细胞,也就是鼻后颅骨的凹陷处。这些不是干细胞。这些特殊的细胞反而会刺激鼻子里的神经细胞生长新的轴突。这些细胞帮助狗狗保持它们健康的嗅觉。

科学家们在实验室中培育这些窦细胞,直到它们大量繁殖。然后,研究人员将这些细胞注射到每三个狗狗病人中就有两个的脊髓中。每只接受治疗的狗都注射了自己的细胞。其他的狗只注射了用来喂养成长细胞的液体肉汤。

在几个月的时间里,狗的主人反复把他们的宠物带回实验室,在跑步机上进行测试。这使得科学家能够评估动物走路时前后脚的协调性。接受鼻细胞治疗的狗随着时间的推移,病情稳步好转。只接受这种液体的狗没有。

这种疗法并没有得到完全的治愈。神经细胞确实重新连接了脊髓的几个部分。但是曾经连接到大脑的神经细胞仍然没有连接。尽管如此,这些狗的数据表明鼻细胞可以帮助从脊髓损伤中恢复。

细胞研究的这些新进展表明,更令人瞩目的医学进步可能还需要几年时间。山中、切里、艾哈迈德、杰弗里、富兰克林和其他许多科学家正在稳步解开细胞变化的秘密。虽然你不能教一条老狗新把戏,但科学家们发现同样的道理在细胞中已经不再适用了。

权力话语

角膜覆盖在眼睛前部的透明覆盖物。

胚胎脊椎动物,或有脊椎的动物,处于早期发育阶段。

基因:携带制造蛋白质的遗传指令的DNA片段。蛋白质在细胞中完成大部分的工作。

青光眼:一种损害向大脑传递信号的神经细胞的眼病。

免疫细胞白细胞,帮助保护身体免受细菌侵害。

分子是原子的集合。

神经元(或神经细胞):神经系统的基本工作单元。这些细胞传递神经信号。

神经科学家研究神经元和神经系统的研究员。

瘫痪身体的某些部位失去知觉,无法移动那个部位。

视网膜:眼睛后部的感光层。它把光转换成电脉冲,将信息传递给大脑。

鼻窦颅骨与鼻孔相连的开口。

脊髓:连接大脑和全身神经的绳状神经元集合。

组织大量相关的、相似的细胞聚集在一起,作为一个单位在生物体中执行特定的功能。例如,人体的不同器官通常由许多不同类型的组织构成。脑组织将与骨骼或心脏组织非常不同。

输血将血液输送到另一个人身上的过程。

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