實驗室培育的豬視網(wǎng)膜類器官可能有助于基于干細(xì)胞的視力治療

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2025-03-14 11:00:00閱讀時長5分鐘2049字

實驗室培育豬視網(wǎng)膜類器官干細(xì)胞視力治療視網(wǎng)膜疾病感光細(xì)胞類器官制造單細(xì)胞RNA測序細(xì)胞移植基因表達(dá)視網(wǎng)膜損傷治療

在人眼中，視網(wǎng)膜由多種類型的細(xì)胞組成，包括啟動視覺級聯(lián)反應(yīng)的感光細(xì)胞。感光細(xì)胞因退行性疾病或損傷受損會導(dǎo)致永久性視力障礙或失明。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校McPherson眼科研究所主任、眼科學(xué)和視覺科學(xué)教授David Gamm表示，使用實驗室培養(yǎng)的感光細(xì)胞進(jìn)行干細(xì)胞替代療法是應(yīng)對視網(wǎng)膜疾病的一種有前景的策略。然而，這種干細(xì)胞治療需要首先在動物身上進(jìn)行測試。由于人類細(xì)胞在其他物種中不兼容且會被迅速排斥，因此很難評估其潛力。

“豬和人的視網(wǎng)膜有許多關(guān)鍵特征相同，這使得豬成為模擬人類視網(wǎng)膜疾病和測試眼部治療的理想模型。通過在豬身上測試‘人類等效’的感光細(xì)胞，我們可以更好地了解這些細(xì)胞在不被宿主動物立即攻擊時的表現(xiàn)?！盌avid Gamm說。

在《干細(xì)胞報告》雜志上發(fā)表的一項新研究中，Gamm實驗室與Morgridge研究所的研究人員合作，開發(fā)了實驗室培育的豬視網(wǎng)膜類器官。他們發(fā)現(xiàn)，從豬源性視網(wǎng)膜類器官中獲得的感光細(xì)胞與從人類視網(wǎng)膜類器官中獲得的感光細(xì)胞有許多相似之處。

“這是人們首次制造出豬視網(wǎng)膜類器官，”Gamm實驗室的研究生、該研究的第一作者Kim Edwards說?！斑@也是首次將人類與其他物種的視網(wǎng)膜類器官進(jìn)行比較?！?/p>

類器官是由數(shù)十萬個細(xì)胞組成的微小組織團(tuán)塊，大約有一枚大圖釘頭那么大。它們使科學(xué)家能夠在實驗室培養(yǎng)皿的受控環(huán)境中復(fù)制人體組織或器官中的細(xì)胞相互作用和條件。

“人類類器官中的感光細(xì)胞可以對光作出反應(yīng)，并通過突觸連接相互交流，”Gamm說?！盀榱舜_定它們是否可以在受損的視網(wǎng)膜中建立連接并恢復(fù)視力，我們需要在豬身上移植并測試它們?！?/p>

Edwards說，要獲得高質(zhì)量的類器官，首先要從高質(zhì)量的干細(xì)胞開始。他們與卡爾加里大學(xué)助理教授Li-Fang "Jack" Chu合作，獲得了豬多能干細(xì)胞。Chu曾是Morgridge研究所Jamie Thomson實驗室的博士后研究員。

“歷史上，Thomson實驗室擅長制造人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，但事實證明，為其他物種如豬制造這些細(xì)胞非常具有挑戰(zhàn)性。Jack解決了這個問題，并在他的新實驗室中處于領(lǐng)先地位?！盡orgridge研究所計算生物學(xué)研究員Ron Stewart說。

在成功生成豬誘導(dǎo)多能干細(xì)胞后，下一個挑戰(zhàn)是促使它們分化成視網(wǎng)膜細(xì)胞。Edwards開始使用Gamm實驗室已建立的人類類器官方案，看看它是否適用于豬干細(xì)胞。該方案的時間安排基于人類40周的妊娠期，但他們注意到豬的妊娠期只有大約一半。因此，科學(xué)家們想，如果我們使用相同的方案，但將時間減半會怎么樣？

“我們能夠用這種方法制造出許多視網(wǎng)膜類器官，這真的很令人興奮，”Edwards說。“這是一個很好的概念驗證，表明如果我們要分化特定類型的細(xì)胞，我們確實需要注意妊娠期差異和細(xì)胞之間的固有差異?！?/p>

他們使用免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)，表征了早期階段和晚期階段發(fā)育過程中豬和人類類器官模型中存在的特定視網(wǎng)膜細(xì)胞相關(guān)蛋白。為了深入研究，Gamm實驗室與Morgridge研究所Stewart計算生物學(xué)組的計算生物學(xué)家Beth Moore合作，使用單細(xì)胞RNA測序（RNA-seq）來觀察細(xì)胞內(nèi)的基因表達(dá)。

“他們使用單細(xì)胞RNA-seq做了很多神奇的事情——一些我們認(rèn)為不可能的事情，”Edwards說。

類器官被分解成單個細(xì)胞，每個細(xì)胞都帶有條形碼并單獨(dú)測序。捕獲的數(shù)據(jù)用于將相似的細(xì)胞分組在一起，從而深入了解類器官中發(fā)現(xiàn)的所有細(xì)胞類型，包括桿狀和錐狀感光細(xì)胞以及其他細(xì)胞類型，如視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。

“這是一種無偏見且非常全面的方法，可以了解類器官中每種細(xì)胞類型表達(dá)的基因，”Moore說。“這是一種與免疫細(xì)胞化學(xué)不同的標(biāo)記方法。這是一種不同的方式來得出相同的結(jié)論，即識別不同類型的細(xì)胞?！?/p>

Edwards和Moore都需要克服一些挑戰(zhàn)才能得出這些結(jié)論。首先，鑒于類器官的性質(zhì)，Edwards需要優(yōu)化他們的方案以分離細(xì)胞并在測序前保持它們的狀態(tài)。

“它們不喜歡被分離并放在培養(yǎng)皿上，尤其是感光細(xì)胞，”Edwards說?！拔覀冮_玩笑說感光細(xì)胞在一起工作得更好，就像人一樣。”

在數(shù)據(jù)分析方面，Moore解釋說，每個細(xì)胞都被封裝在一個含有條形碼的液滴中用于測序。但有時一個液滴會封裝多個細(xì)胞，或者液滴可能是空的，不包含任何細(xì)胞，這會在測序數(shù)據(jù)中引入錯誤。

“這真的會破壞你的分析，尤其是在你試圖識別不同細(xì)胞類型時，”Moore說。Moore開發(fā)了一個分析流程來過濾掉不需要的序列并標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。然后她繪制了不同簇中表達(dá)的基因，可以將其映射到特定的細(xì)胞類型并與免疫細(xì)胞化學(xué)結(jié)果進(jìn)行比較。

另一個挑戰(zhàn)是豬和人類基因組之間的顯著差異，這意味著Moore還需要處理一份兩個物種中已知基因的列表，并將它們與序列匹配，以繪制出不同細(xì)胞類型。

“Beth提供的確認(rèn)數(shù)據(jù)對我們來說非常重要，讓我們對自己看到的東西充滿信心，”Edwards說。

這項工作得到了美國國防部與國家眼科研究所的合作資助，旨在探索細(xì)胞替代療法以治療軍事中常見的視網(wǎng)膜損傷。研究人員已經(jīng)開始使用來自豬類器官的感光細(xì)胞在豬身上進(jìn)行移植，以確定它們是否能建立連接并與下游神經(jīng)元形成突觸。

“我們很高興展示你可以從不同物種中培育出這些視網(wǎng)膜類器官，世界各地的許多團(tuán)隊也開始制作它們，”Edwards說?！斑@一切都始于擁有優(yōu)質(zhì)的干細(xì)胞?！?/p>

(全文結(jié)束)

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