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【盘点】心脑血管疾病中干细胞研究一览

心脑血管疾病是一种严重威胁人类,特别是50岁以上中老年人健康的常见病,具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点,即使应用目前最先进、完善的治疗手段,仍可有50%以上的脑血管意外幸存者生活不能完全自理,全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1500万人,居各种死因首位。

接下来,小编盘点一下近期心脑血管疾病研究方面取得的重大进展。

1.Cell Stem Cell:外膜间充质干细胞样细胞在血管钙化中的作用研究

来自哈佛大学医学院的医师科学家Rafael Kramann对基础及转化医学研究都有广泛的兴趣,他的研究方向是原位或循环间充质干细胞在心脏和肾脏纤维化,血管内环境稳态和疾病中的作用。近日发表题为<外膜间充质干细胞样细胞是血管平滑肌细胞的祖细胞并驱动慢性肾脏病血管钙化>于cell stem cell,该杂志目前影响因子为22.387。

间充质干细胞样细胞主要驻留在血管壁,但对于它们在血管再生、血管疾病中的作用了解甚少。本研究作者发现位于动脉外膜的Gli1 +细胞是血管平滑肌细胞的祖细胞,并促进新生内膜形成和股动脉急性损伤后的血管修复。谱系追踪显示在ApoE敲除小鼠慢性肾脏疾病动脉粥样硬化和动脉硬化期间外膜Gli1 + 间充质干细胞样细胞迁移到中膜和新生内膜。数据表明Gli1 +细胞是中膜和内膜钙化期间成骨细胞样细胞的主要来源。在诱导肾损伤之前先敲除Gli1 +细胞显着降低血管钙化的严重程度。

这些发现提示Gli1 +细胞是急性和慢性损伤时血管重塑的关键外膜祖细胞,表明它们可能是缓解血管钙化的关键靶标。

(文章详见--Cell Stem Cell:外膜间充质干细胞样细胞在血管钙化中的作用研究)

2.Stem Cells:多能成年祖细胞通过调节脾中免疫反应提高中风后的恢复

近期,一项发表在杂志Stem cells上的研究探讨了调节缺血性卒中后脾脏激活和外周免疫应答的人多能成年祖细胞(MAPC)的影响。

此项研究共使用一百二十六只Long-Evans成年雄性大鼠,建立大脑中动脉闭塞。 24小时后,它们接受静脉输注MAPC或盐水治疗。在输注后3天,从损伤的皮质和脾脏中分离RNA用于微阵列分析。测量脾脏质量,脾细胞表型和释放的细胞因子。在用MAPC或含有和不含脾的盐水处理的大鼠中比较血清细胞因子,MAPC生物分布,脑损伤大小和神经功能缺陷。

结果显示,用MAPC处理的动物表现出与假手术更接近地动物的基因。由MAPC下调的基因包括与脑内TNF-α,IL-1β,IL-6和IFN-γ调节的信号通路相关的白细胞活化,抗原呈递和免疫效应物加工。

MAPC治疗恢复由中风引起的脾脏质量减少,脾脏内Treg细胞升高,IL-10增加和脾细胞释放的IL-1β减少。

MAPC降低IL-6和IL-1β;上调血清IL-10水平。与盐水相比,MAPC加强了具有完整脾脏的大鼠的中风恢复,但在没有脾脏的大鼠中没有效果。

此项研究表明,中风后,MAPC可以恢复免疫和炎症反应的多种基因和途径的表达。通过静脉内施用MAPC的脾反应的免疫调节可以为中风后脑修复创造更有利的环境。

(文章详见--Stem Cells:多能成年祖细胞通过调节脾中免疫反应提高中风后的恢复)

3.Nat Genet:干细胞构建的马凡综合征血管模型可鉴定出平滑肌细胞死亡的关键调控因子

马凡综合征(MFS)是由FBN1突变引起的可遗传结缔组织病,FBN1即编码细胞外基质蛋白原纤蛋白-1。

近来来自剑桥大学的学者发表研究型文章于Nature Genetics,该杂志目前影响因子为31.616。 研究结果为马凡综合征的进一步探索提供了新思路。

为了研究马凡综合征中主动脉瘤的发病机制,我们构建了源自人诱导多能干细胞(MFS-hiPSC)的血管模型。我们的MFS-hiPSC来源的平滑肌细胞体现出马凡主动脉的病理特征,包括原纤蛋白-1聚集、细胞外基质降解、转化生长因子-β(TGF-β)信号、收缩和凋亡等多种缺陷。这些异常可被基于CRISPR技术编辑的FBN1突变而校正。抑制TGF-β信号可逆转异常原纤蛋白-1的积累和基质金属蛋白酶的表达。然而,只有非经典p38信号通路调节血管平滑肌细胞的凋亡,这一病理机制也由Krüppel样因子4(KLF4)调控。这一新模型使我们能够更进一步分析马凡综合征的分子机制,并确定新的治疗靶标(比如p38和KLF4),为新药测试提供一个创新性的人体平台。

(文章详见--Nat Genet:干细胞构建的马凡综合征血管模型可鉴定出平滑肌细胞死亡的关键调控因子)

4.Stem cells:血管内皮祖细胞亚群的最新标志物


至今为止,血管相关内皮细胞祖细胞仍然研究不足,在胚胎或出生后阶段,它们在新形成脉管系统中的作用仍然难以捉摸。

近期,一项发表在Stem cells杂志上的文章率先定义了一组在胚胎发育期间高度表达的基因,并在成年小鼠中急剧下调。

随后,研究者们集中研究了祖细胞标记物Peg3/PW1。

通过脉管系统的体内染色,研究者们发现只有一部分细胞共表达内皮标志物和PW1。这些细胞在胚胎血管系统中相当丰富,但在出生后和成熟阶段的数量减少。

使用PW1表达小鼠,研究者们已经能够分离PW1阳性和阴性内皮细胞。PW1阳性细胞与PW1阴性细胞相比是高度增殖的,并且以克隆稀释接种时能够形成集落。

此外,通过RNAseq分析,PW1阳性细胞表达内皮细胞标记及间充质干细胞和干细胞的标记。

当在体外由内皮生长因子攻击时,PW1阳性细胞能够比PW1阴性细胞增殖更多,并可以在体内有效形成新的血管。

总之,这些研究数据鉴定了具有祖细胞特征的血管相关内皮细胞的亚组。考虑到它们高度增殖的潜力,这些细胞对于设计治疗改善缺血组织的灌注或促进血管修复可能特别重要。

(文章详见--Stem cells:血管内皮祖细胞亚群的最新标志物)

5.Nat Bio Eng:突破!科学家利用干细胞成功再生出心脏外层结构

近日,刊登在国际杂志Nature Biomedical Engineering上的一项研究报告中,来自美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员通过研究利用干细胞成功再生出了人类心脏的心外膜细胞;研究者表示,早在2012年,我们就发现如果能够利用化学物质处理人类干细胞,使其连续激活干细胞并且抑制Wnt信号通路,就会促进干细胞转变成为心肌细胞,心肌作为心脏三层结构中的中间一层结构,其非常厚实,能够通过收缩向机体各部供血。

Wnt信号通路是由蛋白质组成的一种特殊的信号转导途径,其能够利用细胞表面受体将信号传入细胞内部。Xiaojun Lance Lian教授表示,我们需要为心脏祖细胞(cardiac progenitor cells)提供额外的信息使其转化成为心外膜细胞,但在这项研究之前,我们并不清楚这种特殊的信息是什么,如今通过研究发现,如果能够再次激活细胞中的Wnt信号通路,我们就能够重新驱动心脏祖细胞转变成为心外膜细胞,而不是心肌细胞。

这项研究或许能够帮助研究人员对机体整个心脏壁进行再生,通过形态学的评估和功能性的分析,研究者发现,制造出的心外膜细胞同人类机体中和实验室生长的心外膜细胞非常相似。那么最为关键的一点就是如何将心脏祖细胞转变成为心脏的心内膜细胞(心脏内层细胞),目前研究人员正在努力对该问题进行攻克。

研究者制造心外膜细胞的方法或许能够被用于多种临床应用中来治疗患心脏病的患者,据美国CDC数据显示,在美国每隔43秒就会有人心脏病发作。心脏病的发作取决于血管的堵塞,这种堵塞能够阻断营养物质和氧气到达心肌,最终引发心肌细胞死亡,而且这些心肌细胞并不能够再生,这样一来就会对心脏造成永久性的损伤,并引发其它一系列问题,而本文中研究人员所开发的心外膜细胞或许就能移植到心脏发作患者机体中来修复其心脏的损伤。

本文研究中,研究者通过对人类干细胞进行工程化操作使其成为报道细胞,这就意味着仅当这些细胞表达荧光蛋白时才会转变成为心外膜细胞;研究人员利用不同的细胞信号分子来处理细胞,结果发现,当利用Wnt信号激活子处理细胞时,这些细胞就会发荧光。除了能够产生心外膜细胞外,当研究人员利用转化生长因子β抑制剂处理细胞时,就能够保持这些细胞在实验室中进行增殖。

研究者Lian说道,50天后,这些细胞并不会表现出任何增殖速率下降的迹象,然而当缺失转化生长因子β抑制剂时,对照细胞的增殖就会在第十天后开始趋于平稳状态。后期研究者还将继续对如何再生心内膜细胞进行深入研究;目前研究者正在对心脏内层组织进行研究,这或许能够帮助构建出整个心脏内层结构,或将被用于组织工程化的心脏疗法中。

(文章详见--Nat Bio Eng:突破!科学家利用干细胞成功再生出心脏外层结构)

6. Development:科学家成功"复位"人类胚胎干细胞的生物钟


近日,一项刊登在国际杂志Development上的研究报告中,来自约翰霍普金斯大学的研究人员通过研究利用细胞信号化合物的混合制剂成功逆转了人类胚胎干细胞/">干细胞(ESCs)的生物钟,从而就能赋予细胞相同的灵活性;研究者表示,促进干细胞的发育生物钟回归至早期阶段或许就能够为我们提供机会来诱导人类干细胞成为任何一种类型的细胞,从而用作器官移植和遗传性疾病模型的开发中,最终这些细胞或许就能够被用来开发出嵌合体动物。

研究者指出,这种名为3i混合制剂(三种化合物抑制剂)能够促进干细胞产生具有标准小鼠ESCs细胞的所有相同特性,这些细胞很容易生长,能够进行操控并且分化成为多种类型的细胞,同时并不含有来自转化的人类干细胞中的一些遗传不稳定性。

研究者Elias Zambidis博士指出,当首批人类ESCs在1998年被分离时,对这些细胞进行研究的科学家们很快就注意到了这些细胞和20年前从小鼠机体中分离出的细胞间的差异性,小鼠的ESCs在培养皿中能够很快地生长起来,并且能够产生几乎所有类型的细胞或组织,同时还能够被遗传性修饰以及制造出嵌合体模型。

然而研究者们发现将常规的人类ESCs诱导成为类似行使相同任务的细胞非常困难,人类细胞很难在实验室培养基中保持活性,其使得科学家们对组织类型的选择非常有限,而且插入或移除基因往往会产生实质性的影响;2007年时,科学家们发现了一类名为外胚层干细胞的原始小鼠干细胞,2015年多名研究人员通过研究发现,携带特定化学混合物的人类ESCs能够产生出和小鼠ESCs一样的"基态",但随后的研究结果表明,这些细胞或许具有一些不稳定的遗传特性,这或许和开发细胞所使用的化合物有一定关系。

研究者表示,这项研究中使用的3i混合制剂中的两种,即WNT和MEK/ERK信号通路的抑制剂此前能够帮助小鼠胚胎干细胞维持原始的状态,而第三种化和物质则是研究者添加的一种名为端锚聚合酶(Tankyrase)抑制剂的抗癌制剂。如今研究者利用这种新型制剂能够对超过25种人类干细胞系进行"复位",而且这些"复位"后的人类ESCs能够表达出在很多可塑的小鼠ESCs中常见的基因和蛋白质,同时研究者还发现,这些"复位"干细胞的DNA中并不含有异常化的改变,新生的人类ESCs能够分化成为可移植的血管和神经细胞类型。

目前研究人员利用这种新型的人类ESCs产生了血管、血液以及视网膜组织,相比常规人类ESCs衍生的细胞而言,这些细胞更加适合进行移植;研究者Zambidis表示,这种新型的ESCs还能够帮助开发出新型的嵌合体,以供人类器官来生长,同时也提供了可移植器官的潜在无限来源,研究者希望通过研究来阐明这种新型3i混合制剂的作用机制,从而更好地理解混合制剂如何促进干细胞"复位"。

(文章详见--Development:科学家成功"复位"人类胚胎干细胞的生物钟)

7. Circ Res:血管重塑血管外膜sca1阳性祖细胞的来源及功能研究

血管外膜位于血管壁外层,是包含滋养微血管、神经、成纤维细胞、免疫细胞和原位祖细胞的复合层。外膜祖细胞表达干细胞标记物Sca1和CD34(外膜sca1阳性祖细胞简称AdvSca1),具有体外分化为多个谱系的潜力,并且可能促进体内内膜损伤。

近日,美国学者发表题为"分化型平滑肌细胞依赖Klf4产生原位血管外膜祖细胞亚群"的研究文章于血管研究顶级期刊Circulation Research。

越来越多的数据支持AdvSca1细胞的存在,本研究的目的是确定其起源、多能性和异质性,以及在血管重塑中的作用。

使用2种在体命运图谱分析方法并结合平滑肌细胞(SMC)表观遗传谱系标记,作者发现AdvSca1细胞亚群是由原位分化型SMC产生。数据证实血管外膜含有表型不同的表达SMC,骨髓和造血祖细胞样标记的祖细胞亚群,并且分化型SMC是不同程度的每种亚群的来源。 SMC来源的AdvSca1细胞表现出多潜能表型,即在体内可分化为成熟SMC,原位巨噬细胞和内皮样细胞。血管损伤后,SMC衍生的AdvSca1细胞数量增加促进外膜重塑。分化型SMC中转录因子Klf4激活对体内SMC的重编程是必需的,体外研究也发现Klf4对维持AdvSca1祖细胞表型是必需的。

分化型SMC产生原位血管祖细胞是正常的生理过程,构成血管干细胞池并在血管稳态及疾病中发挥重要作用。

(文章详见-- Circ Res:血管重塑血管外膜sca1阳性祖细胞的来源及功能研究)


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