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技術(shù)文章

兩所實(shí)驗(yàn)室Nature同期報道:人工造血!

閱讀:437發(fā)布時間:2017-5-19

《Nature》雜志高度評價了這兩項(xiàng)研究對自體干細(xì)胞臨床治療和血液疾病根源基礎(chǔ)研究的重要意義,它們?yōu)榘籽『推渌枰撬枰浦矃s無法找到合適捐贈者的血液疾病患者們點(diǎn)亮了一盞明燈。

一篇文章來自干細(xì)胞生物學(xué)家哈佛醫(yī)學(xué)院院長、波士頓兒童醫(yī)院的George Daley的實(shí)驗(yàn)室,他們體外誘導(dǎo)出了“極為接近”的人類造血干細(xì)胞;另一篇文章來自康奈爾醫(yī)學(xué)院Ansary干細(xì)胞研究所的Shahin Rafii Weill團(tuán)隊(duì),他們將成年老鼠體細(xì)胞培養(yǎng)成了*成熟的造血干細(xì)胞。

1998年,科學(xué)家們分離出了人類胚胎干(ES)細(xì)胞,當(dāng)試圖用它們制造造血干細(xì)胞時,收獲甚微。

2007年,包括Daley實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的三家機(jī)構(gòu)利用基因重編程技術(shù),從人類皮膚細(xì)胞中誘導(dǎo)出了多能干細(xì)胞(iPS)。隨后,iPS被用于如神經(jīng)元、心臟等多種人類細(xì)胞的生產(chǎn),然而造血干細(xì)胞的誘導(dǎo)卻總是頻頻失敗。

波士頓兒童醫(yī)院干細(xì)胞研究實(shí)驗(yàn)室研究員George Daley說:“經(jīng)過20多年的不懈努力,此次,科學(xué)家們地實(shí)現(xiàn)了人類造血干細(xì)胞在功能上的真正重塑!”

Daley和同事們結(jié)合了此前研究收獲的兩種誘導(dǎo)方法:*步,用化學(xué)信號處理ES細(xì)胞或iPS細(xì)胞,使干細(xì)胞們在正常胚胎發(fā)育過程中分化成特化的細(xì)胞和組織,此時,在早期胚胎發(fā)育過程中生成的造血內(nèi)皮細(xì)胞(hemogenic endothelium)就是造血干細(xì)胞的zui初起源,但是從造血內(nèi)皮細(xì)胞到造血干細(xì)胞這步關(guān)鍵的發(fā)育從未在體外培養(yǎng)皿中得到實(shí)現(xiàn)。

第二步,也是本研究的關(guān)鍵步驟,研究人員向培養(yǎng)皿內(nèi)加入了基因調(diào)控因子(轉(zhuǎn)錄因子),來推動造血內(nèi)皮細(xì)胞向造血干細(xì)胞的轉(zhuǎn)化。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)了26種轉(zhuǎn)錄因子,zui終他們篩選出了5種zui可能誘導(dǎo)分化的:RUNX1、RG、COR、XA5和OXA9。接下來,利用慢病毒將這些轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)入細(xì)胞,目前,利用慢病毒作為載體傳遞外源基因的方法也是基因治療的通用手段。

該技術(shù)方法既適用于ES細(xì)胞,也適用于iPS細(xì)胞,而研究人員們則對iPS細(xì)胞更感興趣。因?yàn)閺娜魏位颊呋蚣膊∧P蜕夏愣寄苋〉胕PS細(xì)胞,這對實(shí)現(xiàn)個體化的再生醫(yī)學(xué)研究十分重要。

Daley說:“我們目前取得的成果是在所謂的人源小鼠中重現(xiàn)人類的血液功能,這是我們研究遺傳學(xué)血液疾病的*塊踏腳石。”

利用這種方法,研究人員獲得了能夠生產(chǎn)血液的“造血干細(xì)胞”和“造血祖細(xì)胞”的混合物。但他們并未止步,研究團(tuán)隊(duì)的*目標(biāo)是開發(fā)非慢病毒載體的細(xì)胞基因治療遞質(zhì),從實(shí)用和安全出發(fā),利用CRISPR基因編輯技術(shù)改造iPS細(xì)胞讓它們實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的血液生產(chǎn)。

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人非常謹(jǐn)慎的使用了“極為接近”來形容他們所誘導(dǎo)出的具有產(chǎn)血功能的干細(xì)胞。

在取得“制造出真正的人類造血干細(xì)胞”這一進(jìn)展之前,擋在科學(xué)家們面前的另一個挑戰(zhàn)是,沒人知曉什么才是“真正”的人類造血干細(xì)胞!

“實(shí)際的困難是,這些細(xì)胞非常難以觀察,”文章一作Sugimura說。“你僅能通過表面標(biāo)記來粗略地描述造血干細(xì)胞,因此你根本無法得知它們究竟是不是真正的造血干細(xì)胞,一旦它們開始分化成血細(xì)胞,它們就消失了,你就不能再回頭去研究它們了。”換句話說,具有分化成血細(xì)胞的能力是造血干細(xì)胞的首要特征,但是當(dāng)科學(xué)家們證實(shí)了某種細(xì)胞具備血細(xì)胞生產(chǎn)能力后,原始的干細(xì)胞們已經(jīng)不存在了。

真實(shí)人造血干細(xì)胞的觀察和描述,很可能是體外誘導(dǎo)出“真正”的人造血干細(xì)胞的關(guān)鍵線索。

Rafii團(tuán)隊(duì)的血液生產(chǎn)計(jì)劃跳過了體外誘導(dǎo)iPS細(xì)胞環(huán)節(jié)。研究人員直接向成年小鼠血管內(nèi)壁提取的細(xì)胞的基因組中插入了4種轉(zhuǎn)錄因子,然后將它們保存在模仿人類血管內(nèi)部環(huán)境的培養(yǎng)皿中。在培養(yǎng)皿中,細(xì)胞不僅慢慢自我演化出了造血干細(xì)胞,還在進(jìn)行著不斷增殖。

研究人員把這些經(jīng)過基因改造和體外誘導(dǎo)的干細(xì)胞注射到經(jīng)受了輻射污染的小鼠體內(nèi)后,因輻射導(dǎo)致的缺血癥狀得到了修復(fù)。這些干細(xì)胞不僅生成了血紅細(xì)胞,還生產(chǎn)出了免疫細(xì)胞,注射人工繁殖的“造血干細(xì)胞”后,輻射小鼠又在實(shí)驗(yàn)室中足足活了1.5年。

Daley的程序需要體外誘導(dǎo)iPS細(xì)胞步驟,而Rafii的方法是直接轉(zhuǎn)化為造血干細(xì)胞。雖然zui終的結(jié)果都一樣,但是相比*地插入編碼轉(zhuǎn)錄因子基因,Daley的iPS細(xì)胞基因表達(dá)的短暫修改更具優(yōu)勢。Scripps研究所的干細(xì)胞研究員Jeanne Loring指出,iPS細(xì)胞可以從皮膚和其他組織中獲得,Rafii的zui初樣本來自血管內(nèi)壁,取樣和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)都較為困難。

考慮到這兩種方法的優(yōu)劣性還不明朗,《Nature》選擇同時報道了兩隊(duì)人馬的實(shí)驗(yàn)成果,剩下的工作則交給時間和的研究人員來證明哪種方法更為成功。

曾經(jīng)讓再生醫(yī)學(xué)研究人員無比沮喪的造血細(xì)胞體外誘導(dǎo)難題,終于撥開迷霧,走出失敗困境,不管“笑到zui后”的是哪一種方法,它們現(xiàn)在已經(jīng)振奮了千千萬萬研究人員的攻關(guān)信心。


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