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干细胞还能存储损伤,从而改善未来的修复过程!

日期: 2018-11-30
浏览次数: 426

干细胞还能存储损伤,从而改善未来的修复过程!


能帮助组织从损伤中恢复的干细胞一直被认为是发育中的“万能细胞”。最近的研究表明,它们还可能会以某种方式储存过去的攻击记忆,以便在未来促进更有效的治疗。


1# 干细胞不只是细胞工厂


干细胞是一种具有再生和分化能力的细胞,以补充身体其他类型细胞而闻名。然而,新的研究发现:干细胞可能有一种额外的新能力——缓存人体既往损伤及炎症的记忆。


科学家在对皮肤、肠道和呼吸道的研究中发现,干细胞常常与免疫系统合作,利用这些记忆改善组织对再次遭遇损伤和致病性攻击的反应。


纽约大学的免疫学家 Shruti Naik 研究了皮肤和其他组织的这种记忆效应,她说:“我们开始意识到干细胞并不仅仅可以生成组织,而且还具备敏锐的环境感知和反应能力。”但当这种能力出现问题时,它们可能会引发一系列与慢性炎症有关的健康问题,比如严重过敏反应和自身炎症性疾病。(这也许是干细胞能被用于治疗免疫疾病的部分原因?)

干细胞还能存储损伤,从而改善未来的修复过程!


人体中大多数组织都含有一些长期存活的干细胞,可以根据需要分裂和分化成各种类型的细胞。例如,皮肤中的干细胞可以分化成可以产生色素或角蛋白的细胞谱系,或者分化为汗腺细胞,甚至是分化为保持皮肤延展性的弹性细胞。

“细胞工厂”似乎是干细胞的主要职责。而现在,另一种思路开始浮现。



2# 干细胞可以记录损伤


今年8月,波士顿地区的研究人员在《自然》杂志上发表的一篇文章为干细胞具有记忆能力提供了新证据,也是首次在人类中发现这种现象。

干细胞还能存储损伤,从而改善未来的修复过程!

为什么有些人会对空气中的灰尘、花粉等物质产生慢性过敏?大多数人接触这些过敏原只会产生类似感冒的轻微症状;但是大约有12%的人会发生严重反应,甚至持续整年,严重可导致鼻息肉。


单细胞测序先驱 Alex Shalek 和免疫学家 Jose Ordovas-Montanes 开始着手研究这个问题。这项工作是研究小组在更大范围内探索慢性炎症疾病(如哮喘和炎症性肠病)的第一步。

在慢性炎症疾病中,即使清除了过敏原,免疫系统仍会继续发起不必要的攻击。这些类型的自身炎症性疾病一直被认为和免疫系统有关,认为免疫系统反应过度。而波士顿的研究小组怀疑可是是组织本身的问题。


他们首先从慢性鼻窦炎患者的鼻腔提取细胞,并与对照组健康细胞进行比较。从20个不同的人那里收集了6万个细胞后,他们从单个细胞中提取RNA分子并进行测序,确定哪些基因是活跃的。在鼻窦炎患者的干细胞中,他们发现许多活性基因与过敏性炎症有关,这些基因是IL-4和IL-13两种免疫介质的靶点。它们通常是小分子,在T,B淋巴细胞中传递信息。


事实上,靶向基因在干细胞中活跃,说明了干细胞与免疫系统可以直接进行沟通。研究人员预感这种交流可能会对慢性病产生影响,于是开始了进一步的实验。


研究者逐渐意识到:这些干细胞并不仅是来分化生成组织的,它们还有其他的职责。


他们从过敏患者的呼吸道中提取细胞,在培养液中培养约5周,然后对其基因活性进行分析。他们发现,尽管灰尘和花粉等过敏因素不存在了,但与过敏性炎症有关的基因仍然活跃。此外,研究人员还描述了很多这种细胞仿佛“卡”在了一种不完全成熟的状态。

干细胞还能存储损伤,从而改善未来的修复过程!

干细胞内在免疫和炎症记忆模式


Shalek分析认为,这一结果表明干细胞可能会将记忆传递给下一代细胞,并在细胞传代中永远保存下去。这一过程让我们用免疫系统原理的思路进行比较:B细胞和T细胞利用它们以前感染的抗原,可以更有效地抵御下一次一次相同抗原的感染。同样,干细胞也会保留过去损伤的特性,以便在下次受伤时加强愈合伤口的能力。但对于过敏患者来说,这种记忆特性显然会造成麻烦。它可以让干细胞永久地向免疫系统发出过敏原存在的信号,生成一个促进炎症和息肉的反馈回路。

Shalek说,了解哪些细胞是“不良分子”,以及这些分子对过敏原的反应如何在组织中传播,应该可以获得很多干预过敏的治疗手段。在研究中,他们测试了阻断IL-4和IL-13的抗体对鼻息肉患者的干细胞和分泌细胞的影响。结果表明,与健康组织相关的基因表达得到了实质性的恢复,这是朝着新的治疗方法发展迈出的坚实一步。



3# 干细胞与免疫细胞间的交互


冷泉港实验室的免疫学家Semir Beyaz说:“这开创了一个新模式,我们不仅关注这些细胞的自我更新潜能,还关注它们与周围环境潜在的相互作用。”


虽然Beyaz没有参与这项研究,但他在对肠道的研究取得了类似的结果:他在2016年《自然》杂志发表的一篇论文中指出,相对于低脂饮食的小鼠,高脂饮食小鼠的肠道会产生更多的类干细胞样的细胞。这种细胞不倾向于分化成功能细胞,而是高速分裂增加其数量,这种变化与癌症等疾病有关。

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Naik说:“从功能上讲,我们知道细胞是可以被调节的。免疫学家开始了解免疫反应是发生在组织中,而组织对此的反应方式是在干细胞水平上。”


几年前,Naik与其他干细胞生物学家合作,观察了早期损伤和炎症对小鼠伤口愈合的影响,希望了解炎症是否会影响干细胞。正如他们在2017年发表在《自然》杂志上的论文中描述的那样,如果小鼠某块皮肤发炎并愈合,那么当这个部位再次损伤后,伤口愈合的速度会是原来的2.5倍,这种能力可能持续6个月。

干细胞还能存储损伤,从而改善未来的修复过程!

Naik解释说,在这个实验中的干细胞储存记忆功能是有益的,因为它可以使细胞的愈合和再生能力更强大。但是,正如Shalek, Barrett和Ordovas-Montanes所观察到的,这个特性也有不良的一面:这些细胞也会记住那些不良行为。

干细胞是如何储存记忆的机制还不得而知;在过敏和伤口愈合的研究中,这种机制可能涉及到DNA修饰,使某些基因被激活。Naik发现,两次受伤的小鼠皮肤干细胞中的DNA包含许多疏松的片段,这意味着基因活性增强,其中一些开放区域在炎症结束后很长一段时间内都被保留了下来。

干细胞还能存储损伤,从而改善未来的修复过程!

Naik和她的同事们最近在《细胞》杂志上发表的一篇综述论文中谈到,在许多组织中,干细胞与免疫系统可以通过化学物质进行“对话”,双方以及其他类型的细胞都将其信息汇集起来,最有效地应对不断变化的外部环境。


无论这些对话的细节是什么,所有的证据都表明,干细胞通过保存一些“聊天记录”,在帮助机体可以更适应外部环境方面发挥着核心作用。

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干细胞与免疫细胞之间的交互


Naik说,组织从它的过往中学习经验,这很有意义。这样它就可以避免每次都要从头开始。

|来源:生物谷


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