胚胎干细胞及诱导多能干细胞向心肌细胞分化和调控的研究进展

胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCs）具有自我更新、无限增殖和多向分化的特性,包括分化成心脏组织的多种类型细胞。经体细胞重编程产生的诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells,iPS）也被证明有类似胚胎干细胞的特性。但这些多能干细胞向心肌细胞自发分化的效率非常低,因此,如何有效地诱导这些多能干细胞向心肌细胞的定向分化对深入认识心肌发生发育的关键调控机制和实现其在药物发现和再生医学,如心肌梗塞、心力衰竭的细胞治疗以及心肌组织工程中的应用均具有非常重要的意义。该文重点综述了近年来胚胎干细胞及诱导多能干细胞向心肌细胞分化和调控的研究进展,并探讨了这一研究领域亟待解决的关键问题和这些多能干细胞的应用前景。     

诱导多能干细胞衍生的心肌细胞成熟问题及解决策略

诱导多能干细胞衍生的心肌细胞(iPSC-CMs)可为心肌梗死的替代疗法、体外疾病建模和药物毒性测试提供良好的平台。然而,iPSC-CMs与成熟心肌细胞之间在形态结构、生理功能、代谢和基因表达等方面尚存在较大的差异。miRNA调控、物理刺激、生化刺激和3D培养等可能是提高iPSC-CMs成熟的手段。本文对iPSC-CMs的诱导成熟问题以及解决策略作一综述。     

通过形成类胚体诱导人羊水多能干细胞向心肌细胞分化

由人羊水中分离羊水多能性干细胞,通过形成类胚体诱导其向心肌细胞分化.取人羊水标本进行体外培养,分离得到人羊水干细胞,已连续传代培养至42代,采用免疫细胞化学、RT-PCR和流式细胞仪技术对羊水干细胞的生物学特性进行检测.取10～15代羊水干细胞,悬浮培养使其形成类胚体,进而向心肌细胞诱导分化.培养的羊水干细胞呈成纤维样,表达部分胚胎干细胞特异标志基因,悬浮培养可形成类胚体.类胚体碱性磷酸酶(AP)检测呈阳性,表达三胚层特异标志基因fgf5、ζ-globin和α-fetoprotein.羊水干细胞形成类胚体后进行诱导,得到α-actin阳性细胞,表达心肌细胞特异标志基因Tbx5、Nkx2.5、GATA4和α-MHC.试验结果表明,从人羊水标本中可分离得到具有胚胎干细胞特性的细胞,经初步检测确定为羊水干细胞,并能通过形成类胚体诱导其向心肌细胞分化.     

microRNAs在多能干细胞向心肌细胞分化中的作用

microRNAs(miRNAs)是长约22 nt的非编码RNAs,广泛参与细胞的增殖、分化、病变、修复和凋亡等多种生命活动.多能干细胞(pluripotent stem cells)是指体外具有自我更新和多向分化潜能的细胞,在一定条件下可被定向诱导分化为多种细胞类型.miRNAs在多能干细胞中表达丰富,并通过调控基因表达影响其自我更新及分化.由多能干细胞向心肌细胞分化的方法主要有3种,即拟胚体形成法、与内胚层细胞共培养法和特定诱导物添加法.虽然这3种方法均可成功诱导多能干细胞向心肌细胞分化,但重复率很低.所以,人们把研究的视野逐渐转向miRNAs——这个广泛参与细胞生命活动的小分子物质.大量研究表明,在多能干细胞中,不同的miRNAs可通过打靶不同基因影响其向心肌细胞分化.在间充质干细胞中,miR-1、miR-133和miR-499可分别打靶Hes-1、SRF和Pdcd4;而在胚胎干细胞中,miR-1和miR-499分别打靶Hand2和Pacs2促进其向心肌细胞分化.miRNAs在多能干细胞向心肌分化作用机制的研究必将促进再生医学在心脏疾病治疗上的应用.     

血管紧张素Ⅱ在胚胎干细胞向心肌细胞分化中的作用

为检测血管紧张素Ⅱ（angiotensin Ⅱ,AⅡ）对小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCs）向心肌细胞方向分化的作用,采用10-4 mol/L维生素C诱导小鼠R1胚胎干细胞分化为心肌细胞. Western印记检测胚胎干细胞诱导分化的心肌细胞中表达血管紧张素Ⅱ1 型受体(angiotensin Ⅱ type 1 receptor,AT1R).诱导分化期间用1 μmol/L AⅡ刺激胚胎干细胞,计数搏动拟胚体的比例;诱导分化第14 d用real-time RT-PCR 和Western 印记检测心肌标志物的表达确定其作用. 结果显示,与对照组相比,1 μmol/L AⅡ处理组可显著增加搏动拟胚体的比例,上调心肌标志物mRNA的表达. 预先用1 μmol/L洛沙坦处理1 h后可显著阻碍这种上调作用. 本实验结果表明,AⅡ通过AT1R可促进小鼠R1胚胎干细胞向心肌细胞分化.     

《细胞-干细胞》：新方法可预测多能干细胞向神经细胞分化命运

近日来自著名的美国纽约斯隆／凯德琳癌症纪念研究中心（Memorial Sloan-Kettering Cancer Center,简称MSKCC）的研究人员在新研究中发现了基于一种miRNA预测人类多能干细胞（（hPSCs））向神经细胞分化命运的方法。这一研究成果公布在国际著名期刊《细胞一千细胞》（Cell stern cell）杂志上。     

《细胞-干细胞》：新方法可预测多能干细胞向神经细胞分化命运

近日来自著名的美国纽约斯隆／凯德琳癌症纪念研究中心（Memodal Sloan-Kettering Cancer Center,简称MSKCC）的研究人员在新研究中发现了基于一种miRNA预测人类多能干细胞（（hPSCs））向神经细胞分化命运的方法。这一研究成果公布在国际著名期刊《细胞一干细胞》（Cell stem cell）杂志上。     

猪多能干细胞的研究进展

多能干细胞,如胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCs）、诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells,iPSCs）和成体干细胞（adultstemcells,ASCs）,是一类具有巨大潜能的独特细胞。猪作为试验材料,在遗传、代谢、生理生化及基因序列等方面较小鼠更接近于人类,正逐渐成为人类异种移植和再生医学研究的理想生物学模型。然而,目前对猪多能干细胞种类、来源、特征及机制的有限认识直接阻碍了其相关应用。该文将分别对猪ASCs的研究现状、猪类ESCs的分离培养、猪iPSCs的研究进展、多能干细胞间的联系和展望进行论述,以期为从事该领域研究的科研人员提供参考。     

猪多能干细胞的研究进展

多能干细胞,如胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)、诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)和成体干细胞(adult stem cells,ASCs),是一类具有巨大潜能的独特细胞。猪作为试验材料,在遗传、代谢、生理生化及基因序列等方面较小鼠更接近于人类,正逐渐成为人类异种移植和再生医学研究的理想生物学模型。然而,目前对猪多能干细胞种类、来源、特征及机制的有限认识直接阻碍了其相关应用。该文将分别对猪ASCs的研究现状、猪类ESCs的分离培养、猪iPSCs的研究进展、多能干细胞间的联系和展望进行论述,以期为从事该领域研究的科研人员提供参考。     

特定因子诱导多能干细胞

胚胎干细胞由于具有发育上的全能性,被认为是用于移植治疗的最佳来源。然而,由于人的胚胎干细胞直接运用引发免疫排斥以及触及伦理矛盾,人们一直在研发多能干细胞。2006年,多能干细胞的研究有了重大进展。首先,Yamanaka实验室构建用逆转录载体将候选因子导入成纤维细胞,而后检测多能性标志基因的表达。结果发现,四种因子Oct3/4、Sox2、c-Myc以及Klf4的组合产生了表达多能性标志基因才有的抗药性的克隆,意味着细胞获得了多能性。用这种方法筛选的细胞无论在形态和增殖分化能力方面均类似于干细胞,而且表达干细胞标志基因以及在体内外能向三个胚层的细胞类型分化,这种细胞被命名为诱导性多能干细胞(iPS细胞)。进一步,用更严格的筛选基因nanog得到的iPS能够嵌合到生殖系中。而后,运用改进的方法从人的成体成纤维细胞也可以得到iPS细胞。然而,这种方法得到的嵌合体小鼠存在肿瘤形成现象,可能是由于c-Myc逆转录病毒整合到了基因组。通过替代的方法,去掉c-Myc的iPS也能够获得。为了进一步降低肿瘤形成的几率,近来发展了一种不依赖于病毒的方法,用质粒载体作为介质。iPS进一步的研究热点在于安全性以及从更严格的医学角度提高诱导iPS的效率,其分子机理和相关的技术问题也有待解决和克服。     

体细胞重编程为诱导多能干细胞

诱导多功能性干细胞（induced pluripotent stem cells,iPS细胞）是通过导入特定的转录因子（如Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4等）将体细胞诱导重编程为多能性干细胞,其功能与胚胎干细胞相似.iPS细胞的建立,在生命科学领域引起了新的轰动.目前,iPS细胞的研究领域在转录因子的优化、iPS细胞的筛选、载体的运用、体细胞种类的选择和iPS细胞的应用等方面取得突破进展,但仍然存在致癌性、效率低等一系列急需解决的问题.     

NEUROD1 Intrinsically Initiates Differentiation of Induced Pluripotent Stem Cells into Neural Progenitor Cells

Cell type specification is a delicate biological event in which every step is under tight regulation. From a molecular point of view, cell fate commitment begins with chromatin alteration, which kickstarts lineage-determining factors to initiate a series of genes required for cell specification. Several important neuronal differentiation factors have been identified from ectopic over-expression studies. However, there is scarce information on which DNA regions are modified during induced pluripotent stem cell (iPSC) to neuronal progenitor cell (NPC) differentiation, the cis regulatory factors that attach to these accessible regions, or the genes that are initially expressed. In this study, we identified the DNA accessible regions of iPSCs and NPCs via the Assay for Transposase-Accessible Chromatin sequencing (ATAC-seq). We identified which chromatin regions were modified after neuronal differentiation and found that the enhancer regions had more active histone modification changes than the promoters. Through motif enrichment analysis, we found that NEUROD1 controls iPSC differentiation to NPC by binding to the accessible regions of enhancers in cooperation with other factors such as the Hox proteins. Finally, by using Hi-C data, we categorized the genes that directly interacted with the enhancers under the control of NEUROD1 during iPSC to NPC differentiation.     

Organoid-Induced Differentiation of Conventional T Cells from Human Pluripotent Stem Cells

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A Roadmap for Human Liver Differentiation from Pluripotent Stem Cells

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Directed Differentiation of Notochord-like and Nucleus Pulposus-like Cells Using Human Pluripotent Stem Cells

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分化细胞经特定因子诱导重编程为多能干细胞

胚胎干细胞在再生医学领域有着十分诱人的应用前景。但是现有胚胎干细胞建系技术不能避开对卵细胞的操作, 成为ES细胞临床应用的障碍。通过反转录病毒载体系统, 在小鼠和人类高度分化细胞中表达干细胞因子Oct4, Sox2, Klf4和/或c-Myc等基因, 再经过干细胞标志因子Nanog或Oct4筛选, 可以获得与ES细胞特性十分近似的诱导多能干细胞系。这种不依赖于卵细胞的多能干细胞建系方法无疑是干细胞实验技术的重大进展, 也是对现有重编程理论假设的突破。综述了诱导多能干细胞系建系实验结果, 并对诱导重编程的机制和诱导多能干细胞系的临床应用前景进行了讨论。     

Derivation of Airway Basal Stem Cells from Human Pluripotent Stem Cells

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诱导多能干细胞在帕金森病治疗中的应用进展

帕金森病（Parkinson's disease, PD）是由于黑质中多巴胺能神经元（dopaminergic neurons, DAns）的病变导致多巴胺含量降低而引起的一种神经退行性疾病,其发病机制尚不明确,而且临床缺乏有效的早期诊断和治疗手段。诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）的出现为神经系统疾病特别是神经退行性疾病的治疗带来了希望。基于iPSCs的细胞模型可以广泛开展PD发病机制的研究,同时以iPSCs来源的DAns、神经干细胞（neural stem cells, NSCs）等的细胞移植治疗,更是未来PD治疗最有希望的手段。从基于iPSCs的不同基因突变类型的细胞模型与不同分化程度的细胞移植治疗两个方面介绍诱导多能干细胞在PD研究中的进展,旨在分析诱导多能干细胞在帕金森病方面的应用及不足。     

人多能干细胞来源的肾定向分化平台的构建

肾是一种重要的人体器官,具有多种生理功能。然而,全球范围内约有10%的人口患有肾疾病。因此,建立一种接近人体肾的结构与功能的模型进行肾疾病的研究是十分必要的。多能干细胞体外定向诱导分化技术的兴起,为再生医学和精准医学领域注入了新的动力。本研究通过在体外条件下模拟体内肾发育的过程,将人多能干细胞包括胚胎干细胞和诱导多能干细胞,通过体外定向诱导分化形成肾的祖细胞,进而建立肾的结构与功能单位：肾元。该研究通过激活WNT信号通路,同时抑制TGF-β信号通路,将人多能干细胞从多能态定向诱导至原条阶段。之后通过细胞自分化的能力使其发育至中间中胚层,再通过激活FGF信号通路,将其分化至肾祖细胞阶段。流式细胞检测结果显示,肾祖细胞占总细胞数的51.5%～61.9%。通过免疫荧光检测发现：分化得到的结构中包含肾小球足细胞、近端小管、远端小管等肾组织结构。该研究建立的肾体外分化方法,具有稳定性好、分化效率高、重复性好的特点。为研究人类肾的早期发育机制,肾疾病模型构建,以及药物筛选提供了一种新的方法。