干細(xì)胞能夠無限增殖，也能分化和發(fā)育為數(shù)百種不同細(xì)胞和身體組織的任何種類，這種多能性使得干細(xì)胞具有巨大的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)潛力。然而直到現(xiàn)在人們都難以確定整個細(xì)胞變化狀態(tài)過程干細(xì)胞發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜性。

利用強(qiáng)大的新型單細(xì)胞遺傳分析技術(shù)，來自哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所和波士頓兒童醫(yī)院的科學(xué)家們，揭示出多能干細(xì)胞的變化遠(yuǎn)比以前所認(rèn)識的要多得多。這些發(fā)表在12月3日《自然》（Nature）雜志上的研究結(jié)果，使得研究人員朝著某天能夠?qū)⒍喾N不同類型的干細(xì)胞應(yīng)用于疾病治療和再生治療又近了一步。

論文的共同作者、Wyss研究所成員、麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程和科學(xué)教授、以及生物工程學(xué)教授James Collins博士說：“在干細(xì)胞群中單個細(xì)胞之間具有很大的差異。一直以來它都被視作是開發(fā)可預(yù)測的干細(xì)胞工程學(xué)方法中存在的一個問題。現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)人們從前認(rèn)為有問題的差異性可能實(shí)際上對于我們能夠控制干細(xì)胞有利。”

該研究小組發(fā)現(xiàn)，干細(xì)胞多能狀態(tài)中有許多微小的波動，它可以影響它將遵循的發(fā)育路徑。

論文的共同作者、波士頓兒童醫(yī)院干細(xì)胞移植主任、哈佛醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子藥理學(xué)教授George Daley說：“這是一項(xiàng)非常基礎(chǔ)的研究，但它闡明了多能性狀態(tài)廣泛性。我們捕獲了干細(xì)胞不同狀態(tài)的詳細(xì)分子譜。”

將這一點(diǎn)考慮在內(nèi)，研究人員現(xiàn)在能夠更好地操控以及控制單個多能干細(xì)胞或干細(xì)胞群發(fā)育為哪些細(xì)胞和組織類型。

“這項(xiàng)研究使得利用一些新技術(shù)來研究單個細(xì)胞成為了可能，使我們從的角度在單細(xì)胞水平上觀測了干細(xì)胞異質(zhì)性，”論文的共同主要作者、波士頓兒童醫(yī)院和哈佛醫(yī)學(xué)院博士后研究人員Patrick Cahan說。

通過采用多種變量如不同的化學(xué)物質(zhì)、培養(yǎng)環(huán)境和遺傳敲除來擾亂多能干細(xì)胞，研究人員探究了它們的發(fā)育景觀。隨后，他們分析了每個細(xì)胞的遺傳組成，觀察了每個細(xì)胞多能狀態(tài)的微小波動。他們發(fā)現(xiàn)內(nèi)部、化學(xué)和環(huán)境信號影響干細(xì)胞方式的許多細(xì)微差異，揭示出了復(fù)雜的發(fā)育調(diào)控因子“決策”回路。

論文的共同主要作者、Wyss研究所前博士后研究人員Roshan Kumar說：“這些新興的單細(xì)胞方法使得我們能夠非常地對細(xì)胞進(jìn)行分類，確定控制細(xì)胞狀態(tài)的調(diào)控回路。這項(xiàng)研究背后的真正動力是要了解引起單個干細(xì)胞之間差異的原因和所導(dǎo)致的后果，以及細(xì)胞內(nèi)一些關(guān)鍵調(diào)控因子平衡對于細(xì)胞發(fā)育結(jié)局的影響。”

基于這些研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在研究人員相信有一個“密碼”將干細(xì)胞調(diào)控回路中動態(tài)行為方式和細(xì)胞zui終選取的發(fā)育途經(jīng)關(guān)聯(lián)起來。他們希望通過利用這一密碼能夠地調(diào)撥到特異的單細(xì)胞狀態(tài)，并利用它們來滿足各種目的，例如構(gòu)建出患者自身身體無法生成的某些細(xì)胞類型。

Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber說：“能夠了解整個不斷改變的多能性狀態(tài)過程中的干細(xì)胞并對其進(jìn)行編程，是再生醫(yī)學(xué)取得成功至關(guān)重要的必要條件。通過讓干細(xì)胞工程變得更具可預(yù)測性，我們希望能夠利用可控制多能干細(xì)胞的多樣性來應(yīng)對廣泛的疾病和損傷。”