研究人员发明了一种引导和控制干细胞向特定组织和器官发育的方法，为有朝一日开发一种治疗糖尿病和帕金森病等复杂疾病的方法打开了大门。
可以说，干细胞代表了医疗保健和医学研究的未来。它们有可能以传统方法无法实现的方式释放治愈、理解和创新的可能性，为如何治疗和预防疾病以及未来奠定了基础。
现在，Cedars-Sinai健康科学大学和加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员已经进一步推进了干细胞的发展。他们的合作产生了被称为“合成组织者”的工程细胞，这些细胞向干细胞发出指令，告诉它们生长成特定的组织和器官。
“我们可以使用这些合成组织者来推动干细胞制造早期胚胎的不同部分，或者制造心脏或其他器官，”医学博士兼博士Ophir Klein说，他是Cedars-Sinai再生医学研究所的成员，UCSF人类遗传学研究所的主任，也是该研究的共同通讯作者。
先前的研究表明，在非常早期的发育过程中存在的一些细胞可以作为体外胚胎的组织者或信号传导者。这些细胞在干细胞周围组织起来，为干细胞的发育提供指令。考虑到这一点，研究人员提出了一个假设：如果他们设计了这些组织细胞的一个版本，它们可能能够更好地指导体外发育。
研究人员采用天然和合成的细胞粘附分子（CAMs），帮助细胞相互粘附及其周围环境的蛋白质，以及在可定制的结构中围绕小鼠胚胎干细胞（mESCs）自我组装的工程组织细胞。然后，他们对细胞进行改造，使其产生被称为形态原的特定信号分子。
形成因子是细胞发育的关键。它们的浓度决定了细胞的命运。当形态形成源向外扩散时，它们会形成梯度——靠近源的区域浓度高，远离源的区域浓度低。细胞“读取”这些梯度，以确定它们在发育组织中的位置和作用。例如，高水平可能会让一个细胞变成神经细胞，中等水平会让它变成皮肤细胞，低水平可能会让一个细胞变成结缔组织。
通过工程设计，组织细胞以不同梯度表达形态素无翼相关整合位点3A （WNT3A）及其拮抗剂Dickkopf-1 （DKK1）。这使得研究人员能够探索改变梯度如何引导胚胎样细胞（胚胎干细胞的集合）走向不同的结果。他们诱导干细胞从头到尾开始形成小鼠身体，类似于胚胎在子宫内的发育过程。在另一项实验中，他们指示干细胞形成一个跳动的、类似心脏的结构，包括一个中心腔室和一个血管网络。
该研究的另一位通讯作者、加州大学旧金山分校细胞和分子药理学教授Wendell Lim博士说：“这种类型的合成组织者细胞平台提供了一种与干细胞接触的新方法，并对它们的发育进行编程。”“通过控制和重塑干细胞的分化和发育方式，它可能使我们能够培养出更好的器官，用于移植或用于疾病建模的类器官，并最终利用它来推动活体患者的组织再生。”
这些经过改造的组织者细胞还装有一个化学开关，使研究人员能够打开和关闭细胞指令的传递，以及一个“自杀开关”，用于在需要时消除细胞。
Lim博士说：“这些合成组织者表明，我们可以通过设计特定形态因子信号的位置和时间，为干细胞提供更精细的发育指令。”“组织者细胞携带空间信息和生化信息，因此给了我们前所未有的难以置信的控制力。”
像这样的技术有潜力在再生医学、个性化医疗、药物开发和测试、对人类发展的更深入了解以及治疗慢性和遗传疾病方面带来巨大的现实应用。
Klein博士说：“编程指令诱导干细胞的非凡科学有朝一日可能为解决复杂疾病打开大门。”“我们可以在大块组织甚至整个器官的背景下产生特定的细胞类型，比如制造胰岛素的β细胞或治疗帕金森病的神经元。这项工作开启了许多新的、令人兴奋的可能性。”
这项研究发表在《细胞》杂志上。
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