干细胞是我们身体中所有其他细胞的起点。第一个被发现的这种细胞是血液干细胞——顾名思义，它们可以产生不同类型的血细胞。

但对于这些细胞最初是如何发育的，我们还有很多不知道的地方。在今天发表在《细胞报告》上的一项研究中，我们展示了对胚胎心脏跳动和循环的实验室模拟如何导致人类血液干细胞前体的发展。

这个微型装置模拟了胚胎血液流动，使我们能够在显微镜下直接观察人类胚胎血液的形成。这些结果可能会帮助我们了解如何为需要新血液干细胞的患者提供挽救生命的疗法。

在实验室里培养拯救生命的疗法

为了治疗白血病等侵袭性血癌，患者通常需要极高剂量的化疗;在治疗后，血液干细胞移植可以使血液再生。这些都是挽救生命的疗法，但仅限于那些拥有与组织匹配的合适供体血液干细胞的患者。

解决这个问题的方法是在实验室里培养更多的血液干细胞。不幸的是，过去的实验表明，如果在实验室中培养，收获的成人血液干细胞就失去了移植的潜力。

2006年，诱导多能干细胞(由成体细胞制成的干细胞)的发现带来了一种有前途的新方法。诱导多能干细胞是由患者自己的细胞制成的，因此不存在组织排斥的问题，也不存在使用体外受精胚胎的伦理问题。

这些细胞系类似于胚胎干细胞，因此它们有可能形成任何组织或细胞类型——因此，它们是“多功能的”。从理论上讲，多能干细胞系可以为血液再生提供无限的细胞供应，因为它们是不朽的——它们可以在实验室中无限生长。

但是，让我们培养特定类型的组织、器官和细胞类型(如血液)的过程发展缓慢，需要几十年的时间才能推进。必须在培养皿中模仿胚胎发生的复杂过程!

工程一个胚胎网卡的心

目前对胚胎血液干细胞如何发育的理解是基于动物模型的。用麻醉过的斑马鱼胚胎进行的实验表明，在第一次心跳后不久，血液干细胞就在主血管(主动脉)的壁上出现了。出于伦理原因，这种类型的研究显然不可能在人类胚胎中进行。

这就是为什么我们想在实验室里设计一个胚胎心脏模型。为了达到这一目的，我们使用了微流体技术——一种涉及控制极小体积液体的方法。

从多能干细胞中生成血液干细胞的第一步是诱导后者形成血液干细胞开始生长的部位。这被称为胚胎的AGM区域(主动脉-性腺-中肾)。

我们的微型心脏泵和循环(3 × 3厘米)模拟了人类胚胎中血液干细胞形成的机械环境。该装置将培养基(用于培养细胞的液体)泵入微流体回路，以复制胚胎心脏的功能。

离治疗又近了一步

一旦我们在细胞培养的第2天通过刺激细胞使细胞形成AGM区域，我们从第10天到第26天应用了所谓的脉动循环流。血液前体从微流体通道的血管进入人工循环。

然后，我们收集循环细胞并在培养中培养它们，结果显示它们发育成各种血液成分——白细胞、红细胞、血小板和其他。对单细胞基因表达的深入分析表明，循环流动产生了人胚胎AGM中的主动脉前体细胞和血干前体细胞。

这意味着我们的研究已经证明了搏动循环流动如何促进多能干细胞形成血干细胞前体。这是我们将来可以利用的知识。

我们研究的下一步是扩大血液干细胞前体的生产，并在能够接受人体移植的免疫缺陷小鼠身上测试它们的移植潜力。我们可以通过使用在生物反应器中培养的大量多能干细胞来做到这一点，同时也可以机械地刺激血液干细胞的形成。

如果我们能轻易地从多能干细胞系中生产出血液干细胞，这将为癌症或遗传性血液病的治疗提供充足的这些细胞。

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