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科研進展

 

Cell文章:曾藝研究組發現小鼠胰島成體干細胞身份并建立胰島類器官長期擴增培養體系

        北京時間3月19日深夜,中國科學院分子細胞科學卓越創新中心(生物化學與細胞生物學研究所)曾藝研究組的文章“Long-term expansion of pancreatic islet organoids from resident Procr+ progenitors”在國際知名學術期刊Cell上發表。該研究發現并鑒定了小鼠胰島中的干細胞類群,基于這些干細胞,建立了小鼠胰島類器官體外長期擴增的培養體系。
 
        糖尿病是由遺傳因素和環境因素長期共同作用導致的一種慢性、全身性代謝疾病。全球有4.3億的糖尿病患者,其中1/4在中國。胰島β細胞功能失常導致的胰島素分泌不足是1型糖尿病和2型糖尿病的共同特征之一,許多患者需要終生使用胰島素進行治療。近年來,胰島移植作為新興的糖尿病治療方法取得了一定的成功。但供體胰島的嚴重不足極大限制了這種方法的普及。如何打破供體的局限,獲得可用于移植的功能性胰島β細胞,一直是糖尿病治療領域的巨大挑戰。
 
        如何源源不斷地獲得可用于移植的胰島β細胞?一種思路是通過胚胎干細胞 (ES/iPS) 定向誘導分化來獲取功能性胰島細胞,這類研究在國際上已經取得了卓越的進展。然而這種通過基因重編程方法獲得的細胞伴隨著一定的成瘤隱患。另一種思路是以器官(組織)的成體干細胞為來源,在體外制備功能性類器官。器官特有的成體干細胞可以遵循“天然”的分化路徑,在體外合適的培養條件下通過增殖(自我更新)和分化,形成該器官的功能細胞。這類基于成體干細胞獲得的類器官,其安全性、操作簡單性已在腸道等多個系統中得到驗證。但是,胰島中是否存在成體干細胞一直飽受爭議。因此,發現并鑒定胰島干細胞是培養功能性胰島類器官的先決條件,也是長期難題。
 
        曾藝研究組致力于成體干細胞的研究,包括發現干細胞身份屬性、研究干細胞信號調控及其與疾病的關系。已經在乳腺上皮 (Nature, 2015Cell Res., 2019)、卵巢上皮 (Nature Comm., 2019) 及血管內皮 (Cell Res., 2016) 等多個組織中發現了具有干細胞特性的新細胞類群,并解析了這些干細胞在器官發育及癌癥發生中的重要作用。
 
        為了尋找胰島中的成體干細胞,曾藝研究組的研究人員通過對成年小鼠胰島進行高通量的單細胞轉錄組測序,發現了一群新的細胞類群,其具有上皮-間質轉化的特性,并特異表達一種標簽,蛋白C受體 (Procr)。為了在體內觀察這群細胞的分布及特性,研究人員構建了Procr報告基因小鼠 (Procr-mGFP-2A-LacZ), 進一步確認了這群Procr+細胞不表達胰島分化細胞的分子標記,與其它已知的胰島分化細胞截然不同,可能處于未分化的狀態。通過體內譜系示蹤實驗 (Procr-CreERT2;Rosa26-confetti),發現Procr+細胞在體內正常生理狀態下分化形成胰島的全部細胞類型 (Alpha, Beta, Delta, PP cells)。這些體內實驗證明了這群Procr+細胞是胰島中的成體干細胞。
 
        研究人員進一步把體內的發現轉化成為體外的應用,建立了一種Procr+胰島干細胞與血管細胞共培養的3D培養體系,成功獲得有功能的胰島類器官。這種在體外重構的類器官包含胰島所有的細胞類型,在功能、形態、超微結構及轉錄組都與真正的小鼠胰島表現出很大的相似性,能夠迅速地響應糖刺激、分泌胰島素。這種胰島類器官能夠在體外培養傳代20代以上,每次傳代保持3~7倍的細胞數目增長。當把這些長期培養的類器官移植到糖尿病小鼠模型體內(腎包膜),它們能夠恢復小鼠的血糖水平,挽救糖尿病表型。這部分體外培養的工作展示了Procr+細胞的應用潛力,也進一步印證了Procr+細胞的干細胞性質。
 
        該研究工作首次鑒定了小鼠胰島中的成體干細胞的身份,回答了長期以來成體胰島是否存在干細胞這一爭議性問題,是干細胞基礎研究的重大突破。這項工作建立的小鼠胰島類器官的培養體系,能夠作為體外的模型,研究生理及病理(遺傳操縱、藥物影響)條件下胰島細胞的增殖、分化及其與微環境的相互作用。尤其重要的是,它為未來糖尿病的治療,為在體外獲得大量有功能的胰島β細胞,開拓了新的途徑、提供了理論和技術的支持。
 
        該研究工作由分子細胞中心曾藝研究組與荷蘭Hubrecht研究所Hans Clevers教授研究組合作完成。分子細胞中心王代松博士為該研究論文的第一作者。該論文的其他作者還包括曾藝研究組王經強博士、博士研究生白藍月、實驗技術員潘虹和中科院上海營養與健康研究所生物醫學大數據中心馮華博士。同時,該研究得到了北京大學湯富酬教授,李莉、李琳博士;北京大學徐成冉教授、于欣欣博士;中科院神經科學研究所劉志勇教授、李超博士在單細胞測序分析方面的大力支持。該工作的數據收集還得到了分子細胞中心細胞分析技術平臺葛靈、何鈞、王艷、涂溢暉以及中科院上海營養與健康研究所生物醫學大數據中心信長朋博士的大力支持。該項成果得到了中科院、國家自然科學基金委、科技部、上海市科委及分子細胞科學卓越創新中心主任基金等的經費支持。
 
       文章鏈接

第一部分的工作發現并鑒定了小鼠胰島的Procr+成體干細胞(左);第二部分工作建立胰島類器官培養和長期擴增的體系 (右)。第一部分的發現是第二部分的基礎,第二部分在體外展示了Procr+細胞的應用潛力,也進一步印證了Procr+細胞的干細胞性質。

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