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    Nature Cell Biology:高通量单细胞技术获得新突破

    2015-04-14 20:00:11 南京迪康金诺生物技术有限公司 阅读
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    人类肠道是一件了不起的事情。每周,肠道都会再生一层新的内皮细胞,脱落的表面面积相当于一个小型公寓,并用新的细胞进行修复。几十年来,研究人员已经知道,负责这一改头换面行为的是肠道干细胞,但是直到今年,美国北卡大学教堂山分校(UNC)医学、细胞生物学和生理学、生物医学工程副教授Scott Magness博士,才找到一种方法,在实验室内同时分离和培养成千上万个这样难以捉摸的细胞。这种高通量技术进步,有望为科学家提供研究干细胞生物学的能力,并能够探讨炎症性肠病、肠肿瘤和其他胃肠道疾病的起源。
    向前一步
    几年前,Magness和他的团队开始研究肠道干细胞,很快他们发现自己处于困境中。他们使用的第一种技术是,使用干细胞表面上的一种特定分子或标记,以确保他们可以将干细胞和其他肠道细胞区分开来。然后,他的团队只把干细胞从肠组织中取出来,在培养皿中进行培养。但是有一个问题。尽管所有分离的细胞都具有相同的干细胞标记物,每100个细胞当中却只有一个细胞能“自我更新”和分化成特化细胞,就像一个典型干细胞那样。
    Magness说:“问题是:为什么其他99个细胞表现的不像干细胞?我们认为这可能是因为它们都不尽相同,就像每个人都叫Judy但看起来却不一样。有各种各样的差异,我们一直以为同一名字(同一个分子标记)的这些细胞都是一样的。这一直是一个问题。但是解决问题以使我们可以研究这些细胞的唯一方式是,在单细胞水平上研究肠干细胞,这是史无前例的。”
    Magness以及越来越多的研究人员认识到,健康和疾病背后的许多生物学过程,都是由37万亿个细胞(它们构成了人体)中的一小部分驱动。单个细胞可以补充衰老的组织,产生耐药性,并成为病毒感染的载体。然而,这些奇异因子的影响在生物学研究中常常被错过,因为这些研究专注于成千上万个看似 “相同”的细胞。
    要区分真正的肠干细胞与相似细胞,需要分离成千上万个干细胞,并随时间推移跟踪每个细胞的行为。但Magness不知道如何完成这一壮举。他与UNC/NCSU生物医学工程联合系主任Nancy Allbritton博士合作。Allbritton的专业领域是精密加工——将大型设备挤压到非常小的尺寸。在他们的会晤中,Allbritton向Magness展示了她最新产物,一种比信用卡还小的设备,上面散布着15,000个微孔用于培养细胞。
    微型魔术
    每个微孔像一缕头发那样粗。通过将单个干细胞置入微孔,Magness和博士后Adam Gracz,可以看到细胞成长为发育充分的组织结构,被称为迷你肠道(mini-gut)。每个微孔可以加盖一个特定的地址,这将使研究人员能够追踪干细胞。
    在合作过程中,Allbritton实验室想出了另一个特征。如果研究人员决定想要进一步研究一个特定的迷你肠道,他们可以用一种特殊的工具(称为微型魔杖microwand)弹出已磁化的微孔,并单独培养组织或提取DNA进行遗传分析。
    新技术的目的是,帮助研究人员剖析肠干细胞的生物学机制,并探讨为什么一些细胞表现的不同于其他细胞。它也可以帮助科学家们了解一个细胞的邻域或“生态位”如何可能影响细胞的行为。这很重要,因为,在真正的肠道中,干细胞并不是存在于真空之中;它们被很多其他类型的细胞包围,包括上皮细胞、免疫细胞、肌细胞、神经细胞。新技术使得Magness实验室混合不同类型的细胞,并将它们放在一起培养,以探讨这些细胞彼此互相接近时会发生什么情况。
    细胞精密医学
    例如,上皮细胞(称为潘氏细胞)已被证明支持肠道干细胞的生长。Gracz决定使用新技术来检验这一假设:是否在附近的潘氏细胞越多,干细胞就会变得更好?他研究了数以千计个微孔,在里面共同培养了潘氏细胞和干细胞,他惊讶地发现,潘氏细胞的数量似乎不影响干细胞的生长。然而,当Gracz进一步观察时,他发现,与潘氏细胞有接触的肠干细胞,比那些没有接触潘氏细胞的干细胞有生存优势,表明这种细胞间的直接接触是提供支持所必需的。
    这些研究结果发表在最近的《自然细胞生物学杂志》(Nature Cell Biology)。
    Gracz说:“通过这个平台,我们可以用实验方法测试在文献中已经提出的一些假设。在某种程度上,我们已经能够做到以前不可能做的事情。这种方法最强大的部分在于,它可以使我们通过越来越高的分辨率,对肠道科学获得越来越深的认识。我们能看到一些事情并加以研究,特别是涉及到人类健康和疾病的信息。”
    研究人员说,新的技术也适用于来自其他组织的细胞,如乳腺癌、胰腺,或身体其他几乎任何部分。有一天,这种技术可以成为精密医学的一种方法,导向目标追踪单个干细胞的行为,作为个体对特定药物的反应指标。
    Gracz说:“生物学领域新兴的很酷但混杂的大创意是所谓的随机性——一个器官组成部分的不同行为总体上驱动一个器官的集体行为。所以,所有的干细胞可能在做不同的事情,但是让你身体运行的结果,总是相同的。”
    Magness补充道:“这样的单细胞技术,可让我们来剖析这种随机性并把它分开,然后我们可以把它再次复原,能够比现在更好地理解疾病。更好地了解疾病,可让我们为患者制定更好的治疗方案。”
    来源:生物帮
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