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利用干细胞有望治疗视网膜病变

2017年9月30日---几年来,人们不断尝试利用干细胞治疗视网膜病变。基于此,小编进行过一番梳理,以飨读者。

1.JCB:上海生科院在视网膜干细胞胚胎起源研究中取得进展
doi:10.1083/jcb.201611057

5月2日,《细胞生物学杂志》(Journal of Cell Biology)在线发表了题为《视网膜成体干细胞胚胎起源双潜能细胞》的研究论文,该研究由中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心何杰研究组完成。该研究采用基于彩虹鱼克隆分析,在单细胞水平上揭示了视网膜干细胞在视网膜睫状边缘区的准确定位;同时在边缘区中发现一类目前尚未报道的静息态细胞。此外,此研究采用原位细胞谱系追踪,阐述了视网膜干细胞胚胎发育的精确细胞谱系,从而揭示视网膜干细胞起源于视泡 (optic vesicle)中间层上皮细胞中的一群双潜能细胞。此项工作发现了视网膜干细胞发育的细胞谱系基础,为进一步揭示视网膜干细胞发育的分子机制,最终实现视网膜干细胞微环境的体外重建提供重要的实验依据。

研究团队以斑马鱼为模式动物,采用基于彩虹鱼的克隆分析,将视网膜干细胞精确定位于视网膜睫状边缘区最外周第二层或第三层细胞。相对于视网膜睫状边缘区中其他视网膜前体细胞,视网膜干细胞的细胞周期比较长。此外,研究团队还发现视网膜睫状边缘区最外周第一层细胞是一类完全处于静息状态的新细胞类型。RNA原位杂交实验表明,它们既不表达视网膜干细胞的分子标记,也不表达或者仅微弱表达视网膜色素细胞相关的分子标记。关于这类新的细胞对于视网膜干细胞的维持作用还需要进一步研究。

在准确定位视网膜干细胞的基础上,研究人员进一步寻找视网膜干细胞的胚胎起源。Kaede是一种光转化蛋白,在405nm激光照射下,能够由绿色变为红色。将核定位光转化蛋白nls-kaede的mRNA注射到野生型斑马鱼的胚胎中。在视网膜发育的视泡阶段,对表达Kaede蛋白的视泡中间上皮细胞进行单细胞光转化,通过分析由单个上皮细胞衍生的克隆,研究人员发现:视网膜干细胞只能由视泡中间上皮细胞中一群双潜能细胞产生;这群双潜能细胞产生视网膜干细胞的同时产生视网膜色素细胞,是一群细胞周期比较短的细胞。RNA原位杂交实验表明,这群双潜能细胞既表达视网膜干细胞的分子标记,也表达视网膜色素细胞的标记。而视网膜视泡中间上皮细胞中的其他细胞则只能产生视网膜色素细胞或者视网膜前体细胞。

在准确定位视网膜干细胞的基础上,研究人员进一步寻找视网膜干细胞的胚胎起源。Kaede是一种光转化蛋白,在405nm激光照射下,能够由绿色变为红色。将核定位光转化蛋白nls-kaede的mRNA注射到野生型斑马鱼的胚胎中。在视网膜发育的视泡阶段,对表达Kaede蛋白的视泡中间上皮细胞进行单细胞光转化,通过分析由单个上皮细胞衍生的克隆,研究人员发现:视网膜干细胞只能由视泡中间上皮细胞中一群双潜能细胞产生;这群双潜能细胞产生视网膜干细胞的同时产生视网膜色素细胞,是一群细胞周期比较短的细胞。RNA原位杂交实验表明,这群双潜能细胞既表达视网膜干细胞的分子标记,也表达视网膜色素细胞的标记。而视网膜视泡中间上皮细胞中的其他细胞则只能产生视网膜色素细胞或者视网膜前体细胞。

2.Cell子刊:利用多能性干细胞制造三维微型视网膜
doi:10.1016/j.stemcr.2016.03.001


近期,干细胞科学家们给公众分享了制造人视网膜---眼部中对光线敏感的部分---的配方。如今,在一项新的研究中,德国科学家们发现了另一种利用小鼠或人干细胞高效地制造三维视网膜类器官(retina organoids)的方法。他们制造的“微型视网膜(mini-retina)”为研究视网膜生长、损伤和修复提供新的视角。相关研究结果于2016年3月31日在线发表在Stem Cell Reports期刊上,论文标题为“Retinal organoids from pluripotent stem cells efficiently recapitulate retinogenesis”。

Karl和同事们在体内比较了源自小鼠多能性干细胞的视网膜类器官、源自人多能性干细胞的视网膜类器官和小鼠视网膜,证实了这种新的视网膜类器官制造方法的可靠性。Karl说,“组织异质性是类器官系统中的一个主要挑战。这里,我们的研究提供新的认识,这将有助开发出基于类器官的特定模型,从而特别可靠地研究视网膜疾病机制。”

Karl实验室还对这种微型视网膜制造方法进行改变,涉及在眼部发育早期阶段将利用干细胞制造出的视网膜类器官切割成三个块。每块看起来类似于小半月,最终发育成在视网膜中发现的全套细胞,因而相比于之前的方法,视网膜类器官产生增加了高达4倍。这种三等分也促进存活下来的类器官块长大到类似于未切割时的类器官大小。这些微型视网膜在盘碟中自由游动,这是因为它们不再附着到盘碟表面上,从而更好地反映发育期间的视网膜组织结构。

3.Sci Rep:新技术将干细胞变为视网膜神经节细胞
doi:10.1038/srep16595

来自约翰霍普金斯大学的研究人员近日开发了一种新型技术,其可以将人类干细胞有效转化成为视网膜神经节细胞,这种干细胞位于视网膜中,其可以将眼睛中的视觉信号传送至大脑,而这类干细胞的死亡或异常会引发某些疾病患者的视觉丧失,比如青光眼或多发性硬化症患者,相关研究发表于杂志Scientific Reports上。

医学博士Donald Zack指出,我们的工作不仅可以帮助更好地理解视神经的生物学机制,同时还可以促进基于细胞的人类模型被用来寻找阻断或治疗致盲状况的药物,最终或将帮助科学家们开发细胞移植疗法来帮助恢复青光眼或多发性硬化症患者的视力缺失。文章中研究者对人类胚胎干细胞系进行遗传修饰,使其转化成为视网膜神经节细胞,随后利用新的细胞系就可以开发新型的分化方法,并对所生成的细胞进行特性分析。

利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,研究者将荧光蛋白基因插入到干细胞的DNA中,红色的荧光蛋白仅会在名为BRN3B的基因进行表达时才会表达,BRN3B在视网膜神经节细胞中是表达的,因此一旦细胞分化成为视网膜神经节细胞,其就会在显微镜下呈现出红色表现。随后研究者利用一种名为荧光活化细胞分选系统将新分化形成的视网膜神经节细胞从多种不同的细胞混合物中分离出来,并使其成为高纯度的细胞群体供研究所用,这些细胞也将表现出较好的生物学和物理学特性。

研究者还发现,在研究第一天添加一种名为福司柯林的天然植物化合物就可以帮助改善细胞转变为视网膜神经节细胞的效率,而这种广泛用于减肥和增肌的化合物或许并不是足够安全,且有效帮助预防失明。研究者Valentin Sluch说道,在培养进行30天时,我们在显微镜下观察到了明显的荧光细胞聚集现象,在接下来的实验中,我们希望利用CRISPR技术将帮助我们寻找更多对神经节细胞生存和功能非常重要的基因,我们希望这些细胞最终可以帮助开发治疗青光眼和视神经疾病的新型疗法。

4.Nat Commun:干细胞: 从人类干细胞到感光视网膜
doi:10.1038/ncomms5047


本期 Nature Communications上发表的一项研究报告说,有感光能力的视网膜组织已从人诱导多能干细胞被生成。这项工作为研究人视网膜发育和造成失明的疾病提供了一个系统。

很多形式的失明都是由被称为“感光器”的细胞的功能失常或这些细胞的丧失造成的,这些细胞负责在视网膜中感应光。诱导多能干细胞(iPSC)在对这些疾病进行模拟方面或在作为潜在治疗药物方面都有很大潜力。以前的研究表明,是有可能在一个培养皿中从人iPSCs来生成视网膜组织、包括感光器的。

Maria Valeria Canto-Soler及同事在这个方向上又迈出了一步:他们发现,人iPSCs能产生与发育中的人眼睛的解剖结构相似的视网膜组织,并且含有能以与活生物中的感光器细胞相似的方式对光做出反应的感光器细胞。

5.Nat Biotechnol:胚胎干细胞所发育感光细胞可融入视网膜
doi:10.1038/nbt.2643


据《自然—生物技术》上一项研究报告显示,在皮氏培养皿中培养小鼠胚胎干细胞所产生的感光细胞能与患有视网膜疾病的成年小鼠的视网膜相融合。这意味着,通过细胞疗法来矫正因视网膜疾病或损伤造成的失明的研究又迈进了一步。

在与年龄相关的黄斑退化和各种遗传视网膜疾病中,视网膜的功能会因为一种被称为“感光体”的感光细胞受损而丧失。先前研究发现,对于患有类似疾病的失明小鼠来说,可以通过从视力正常的年轻小鼠的视网膜中分离出未成熟的感光体并移植到失明小鼠视网膜中,从而改善其视力。

Robin Ali等人从胚胎干细胞中获取并培养出未成熟的类似视杆细胞并进行了研究。他们发现,利用一种最近公开的3D方法制得的未成熟感光体能够与患有多种视网膜疾病的接受移植的小鼠的视网膜相融合。而且,在成活小鼠体内,植入的细胞会发育成熟,其功能与发育完全的视杆细胞很相似。

6.英国科学家利用胚胎干细胞成功移植视网膜细胞

英国科学家成功将通过胚胎干细胞技术获得的感光细胞移植成功。尽管近年来胚胎干细胞技术取得长足发展,但应用于临床的进度仍然缓慢。这次实验的成功标志着胚胎干细胞技术又向前迈进了一大步。

来自Institute of Ophthalmology and Moorfields Eye Hospital的科学家利用胚胎干细胞分化出感光细胞后将其移入夜盲小鼠眼部,发现小鼠的眼部恢复正常。

这项技术具有重要意义,因为包括糖尿病在内的很多疾病都会引起视网膜上的感光细胞减少,从而引起患者失明。

7.Nature:胚胎干细胞人工培育出视网膜的雏形结构
doi:10.1038/nature09941

新一期Nature刊文说,日本研究人员利用实验鼠的胚胎干细胞人工培育出了视网膜的雏形结构,这是迄今人工培育出的最为复杂的生理组织。

日本理化研究所发育生物学中心等机构的研究人员报告说,在一种特殊的培养介质中,来自实验鼠的胚胎干细胞逐渐自动形成了名为视杯的结构。视杯是胚胎发育初期的视网膜结构,其形状与酒杯相似,它会逐渐发育出感光细胞、神经细胞等进而形成视网膜。

研究人员说,人工培育出的视杯从结构上看与天然形成的视杯差不多,研究人员正在对人工培育出的视杯进行功能测试,即测试它是否真能感受光线并将相关神经信号传递给实验鼠的大脑。

8.Nature子刊: 日专家用人胚胎干细胞高效培养视网膜细胞

日本理化研究所在新一期英国《自然·生物工艺学》杂志网络版上报告说,该机构和京都大学的研究人员开发出利用人类胚胎干细胞高效培养视网膜细胞的新技术,这一成果有助于推动视网膜疾病治疗研究。

理化研究所的专家指出,起感光作用的视网膜细胞或为视网膜细胞提供营养的视网膜色素上皮细胞性状改变,是多数视网膜疾病的原因。为发生这种病变的视网膜移植废弃胎儿的视网膜细胞虽然备受瞩目,但可供移植的“原料”极难获得,迫切需要替代物。

为了解决这一问题,理化研究所发展生物学研究中心和京都大学的研究人员用名为“Dkk-1”和“Lefty-A”的两种细胞信号抑制因子,诱导人类胚胎干细胞高效分化成视网膜祖细胞,对其继续培养可生成多角形视网膜色素上皮细胞。

此外专家发现,在使用上述诱导方法时向培养液中添加牛磺酸和维生素A酸并延长培养时间,可使人类胚胎干细胞中的20%至30%转化成视锥细胞和视杆细胞。视网膜中的视锥细胞可感受正常可见光并分辨颜色,而视杆细胞对弱光敏感。

9.脑神经干细胞可治疗视网膜受损

据俄罗斯《科学信息》杂志报道,俄专家在最近进行的研究中证明,向眼睛内部移植的脑神经干细胞可以使受损的视网膜再生。

以前,医学界认为人的视网膜本身没有再生能力,因此视网膜受损后无法恢复。科研人员最近发现,鱼、爬行动物、鸟类和包括人在内的哺乳动物的视网膜能够借助干细胞的帮助获得再生能力。专家们认为,刺激病人自身的干细胞或者向其眼部移植干细胞都可达到修复受损视网膜的目的。为了证明这一观点,俄科学家利用人脑神经干细胞在兔子身上成功进行了实验。

他们从9到12周大的流产胚胎中取出一些人脑神经干细胞并加以培养,然后将其移植到视网膜受氩激光灼伤的兔子眼睛中。结果发现,人脑神经干细胞不但能够在兔子眼睛中生存,而且这些神经干细胞还向兔子视网膜的灼伤部位扩散,分布在视网膜的外层或内层,促进兔子视网膜灼伤部位的愈合。  

实验也发现,利用脑神经干细胞治疗视网膜受损时,最好将脑神经干细胞移植到视网膜以下的部位,以提高神经干细胞促进受损视网膜再生的效果。一来,这样会使神经干细胞可以自由地向视网膜的灼伤部位移动;二来,这不会对接受移植的兔子眼睛造成伤害。

10.美科学家用胚胎干细胞培育成功视网膜细胞

美国马萨诸塞州高级细胞技术公司的研究人员日前宣布,他们首次用人类胚胎干细胞成功培育出了视网膜细胞,该技术有望用于治疗视网膜退化造成的失明。 研究人员说,在实验室培育过程中,胚胎干细胞分化形成一团团细胞,在这些细胞中可清晰辨别出视网膜色素上皮细胞。这是视网膜中一种对眼睛的光感受器非常重要的细胞,其损坏会导致视力下降乃至失明。将培育出的视网膜色素上皮细胞移植给患者,有可能使他们重见光明。 这也是首次不借助动物组织或因子进行组织培养,就能使胚胎干细胞分化成想要的细胞,从而避免在给患者移植细胞时,将动物疾病传染给人。有关结果发表在新一期《克隆与干细胞杂志》上。

胚胎干细胞主要存在于人类早期胚胎中,是一种“未成熟”细胞,具有再分化形成其他细胞和组织器官的潜力。利用病人自体细胞培育早期胚胎提取胚胎干细胞、培育供移植用的细胞、组织或器官,据认为在医疗上具有重要价值,但这种称为“治疗性克隆”的方法还处于早期发展阶段,有很多基础问题没有解决。此外,由于胚胎干细胞的来源由于牵涉到一些伦理问题,有关研究在美国等国家遭到一些机构的反对,面临阻碍。

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