世界生命科學(xué)前沿動態(tài)周報（十五）

（06.28 -- 07.04 / 2010）
美寶國際集團:陶國新 

　　本周動態(tài)包括以下內(nèi)容： 細(xì)胞三維培養(yǎng)技術(shù)與細(xì)胞遷移；白藜蘆醇可以直接地抑制眼睛內(nèi)外的異常血管新生；發(fā)現(xiàn)人類黑素瘤腫瘤起源細(xì)胞；骨形態(tài)發(fā)生蛋白維護神經(jīng)干細(xì)胞儲備；美科學(xué)家通過干細(xì)胞移植制造仿生肺臟；日本利用ips細(xì)胞在老鼠體內(nèi)培育出造血干細(xì)胞。
1. 細(xì)胞三維培養(yǎng)技術(shù)與細(xì)胞遷移
【摘要】醫(yī)藥經(jīng)濟報2010-7-1 10:07:53
　　最近，一項由美國約翰•霍普金斯大學(xué)工程師們領(lǐng)銜的新研究顯示，使用三維技術(shù)觀察細(xì)胞活動可獲得在癌癥研究中的重要進展。研究團隊成員得出的結(jié)論是，使用三維技術(shù)觀察細(xì)胞，可以得到更準(zhǔn)確的、有助于開發(fā)防治癌細(xì)胞擴散的抗癌藥物信息。這項與華盛頓大學(xué)合作開展的研究結(jié)果，發(fā)表于今年6月出版的《自然-細(xì)胞生物學(xué)》雜志上。
　　“發(fā)現(xiàn)細(xì)胞如何移動和黏附在表面上對了解癌癥和其他疾病極為重要。但對這些細(xì)胞行為的了解，絕大部分都局限于培養(yǎng)皿中二維條件下獲得的信息，”該項目首席研究人員、約翰•霍普金斯大學(xué)腫瘤工程中心主任Denis Wirtz說，“我們的研究結(jié)果首次展示，細(xì)胞在像人體這樣的三維環(huán)境中的移動，與我們在普通的扁平實驗室培養(yǎng)皿中觀察到的有顯著不同，在數(shù)量和質(zhì)量兩方面都存在差異?！?Wirtz表示，這項發(fā)現(xiàn)的意義在于，在平面培養(yǎng)基上快速篩選阻止細(xì)胞移動藥物的方法存在很大程度的誤導(dǎo)。這非常重要，原因在于細(xì)胞移動與癌擴散有關(guān)?！拔覀兊难芯靠赡茉谌S介質(zhì)條件下找到一個顯著降低細(xì)胞侵染的可能靶點?！?當(dāng)細(xì)胞在二維條件下生長時，某些蛋白質(zhì)有助于形成被稱為灶性黏附的持久黏附。在二維條件下，這些黏附可以持續(xù)數(shù)秒到數(shù)分鐘。細(xì)胞通常形成一個范圍更廣、被稱為生長瓣的扇狀凸起，幫助細(xì)胞向前移動。“在三維環(huán)境下，外形完全不同，更像紡錘狀，在兩端都有凸起；如果真存在灶性黏附，那么灶性黏附尺寸將會很小、存在時間非常短，不能用顯微鏡解析。”Wirtz表示。
　　該項研究的主要負(fù)責(zé)人、約翰•霍普金斯大學(xué)化學(xué)與分子生物工程博士生Stephanie Fraley指出，“細(xì)胞在二維環(huán)境中的形狀和移動模式僅僅是環(huán)境作用下形成的特殊結(jié)果。三維細(xì)胞培養(yǎng)的難度遠高于二維細(xì)胞培養(yǎng)，典型情況下，在動物模型試驗前，藥物研究都在二維細(xì)胞培養(yǎng)中進行。有時，藥物研究結(jié)果和臨床研究結(jié)果不一樣。這可能是了解為何產(chǎn)生這種差異的關(guān)鍵之一?！?Fraley所在研究機構(gòu)的負(fù)責(zé)人Wirtz建議，藥物研究結(jié)果與臨床研究結(jié)果存在脫節(jié)的部分原因可能在于，即便在成為三維環(huán)境的研究中，多個細(xì)胞底部仍然位于基質(zhì)的頂部。“在很多研究工作中，多個細(xì)胞僅有部分埋于基質(zhì)中，這種情況我們稱為2.5維狀態(tài)?！?論文顯示，三維與2.5維存在根本差異：灶性黏附消失，用于調(diào)節(jié)細(xì)胞移動性的灶性黏附蛋白質(zhì)的作用變得不同。
　　Wirtz補充道，由于失去黏附性和細(xì)胞移動增強是癌癥的特征，他們的研究結(jié)果將根本性改變用于藥物研究的細(xì)胞的培養(yǎng)方式。譬如，在三維環(huán)境中，加工斑聯(lián)蛋白（zyxin）的細(xì)胞以隨機方式移動，尋找它們的局部環(huán)境。然而，當(dāng)斑聯(lián)蛋白基因被停止時，細(xì)胞幾乎以一維方式遠離原來的部位、快速和持續(xù)移動。Fraley認(rèn)為，這些細(xì)胞甚至?xí)刂呀?jīng)尋找過的路徑返回。“眾所周知，斑聯(lián)蛋白在很多癌癥中被錯誤調(diào)控”。因此，他補充道，了解三維環(huán)境中類似斑聯(lián)蛋白的功能是了解細(xì)胞如何展開或轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵所在?！爱?dāng)然，腫瘤生長十分重要，但使大多數(shù)癌癥患者死亡的是癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移。”
　　為研究三維環(huán)境下的細(xì)胞活動，研究小組在玻片上鋪上數(shù)毫米厚的富含膠原蛋白的凝膠。膠原蛋白是體內(nèi)最為豐富的蛋白質(zhì)，在凝膠中形成類似細(xì)胞在體內(nèi)生長的細(xì)胞外基質(zhì)骨架。研究人員在凝膠成形前將細(xì)胞混入，然后，使用倒置共聚焦顯微鏡從下邊觀察細(xì)胞在凝膠基質(zhì)中的移動。他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在二維環(huán)境中移動時，細(xì)胞下側(cè)總與表面接觸，形成很多尺寸大、存在時間長的灶性黏附。而細(xì)胞在三維環(huán)境中移動時，只與包圍細(xì)胞的膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)有輕微接觸，接觸部位極小、存在時間短，研究者觀察到。“我們認(rèn)為，在三維環(huán)境中，二維環(huán)境中同樣的灶性黏附蛋白作用完全不同，但作用尚不知曉?！盬irtz表示，下一步的研究將特別關(guān)注三維環(huán)境下類似斑聯(lián)蛋白這樣機械刺激感覺蛋白在細(xì)胞運動性中的作用，以及凝膠基質(zhì)孔徑和剛度對細(xì)胞遷移的影響。
【點評】
較之傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)，該研究使用的三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)營造了更接近活體內(nèi)的細(xì)胞生長環(huán)境，借此觀察到的細(xì)胞活動規(guī)律也更接近真實的生理規(guī)律，相信隨著該類技術(shù)的完善，會在很大程度上革新目前的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。

【原文摘錄】Nature Cell Biology 12, 598 - 604 (2010)
A distinctive role for focal adhesion proteins in three-dimensional cell motility
Stephanie I. Fraley，Yunfeng Feng, Ranjini Krishnamurthy, Dong-Hwee Kim, Alfredo Celedon, Gregory D. Longmore & Denis Wirtz
Focal adhesions are large multi-protein assemblies that form at the basal surface of cells on planar dishes, and that mediate cell signalling, force transduction and adhesion to the substratum. Although much is known about focal adhesion components in two-dimensional (2D) systems, their role in migrating cells in a more physiological three-dimensional (3D) matrix is largely unknown. Live-cell microscopy shows that for cells fully embedded in a 3D matrix, focal adhesion proteins, including vinculin, paxillin, talin, α-actinin, zyxin, VASP, FAK and p130Cas, do not form aggregates but are diffusely distributed throughout the cytoplasm. Despite the absence of detectable focal adhesions, focal adhesion proteins still modulate cell motility, but in a manner distinct from cells on planar substrates. Rather, focal adhesion proteins in matrix-embedded cells regulate cell speed and persistence by affecting protrusion activity and matrix deformation, two processes that have no direct role in controlling 2D cell speed. This study shows that membrane protrusions constitute a critical motility/matrix-traction module that drives cell motility in a 3D matrix.

2. 白藜蘆醇可以直接地抑制眼睛內(nèi)外的異常血管新生
　　【摘要】ScienceDaily (June 26, 2010) 來自美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，紅酒所含的白藜蘆醇（resveratrol）可以防止有害的血管生長，有助防止視力衰退。華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的專家拉金拉德 阿普特在《美國病理學(xué)雜志》上指出，白藜蘆醇可以直接地抑制眼睛內(nèi)外的異常血管新生。白藜蘆醇是一種抗微生物物質(zhì)，可由多種植物天然產(chǎn)生，可以防止細(xì)菌和真菌的感染。它在葡萄皮里含量尤其高，因此在紅酒中的分量亦十分豐富；其次就是在藍莓、花生等植物。在這項研究前，醫(yī)學(xué)界已發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇有助延緩衰老和預(yù)防癌癥。異常血管新生是長出不健康或突變的血管的現(xiàn)象，與癌癥、心臟病以及眼疾（如老年黃斑病變）相關(guān)。阿普特相信這一研究成果將會大大影響醫(yī)學(xué)界對白藜蘆醇的認(rèn)識，促成新的眼疾療法。眾所周知，近年不少研究發(fā)現(xiàn)適量飲用紅酒可以為健康帶來某些益處，除了預(yù)防中風(fēng)，還可以預(yù)防心血管疾病。不少人認(rèn)為紅酒導(dǎo)致了所謂的“法國吊詭”（French paradox）的現(xiàn)象：法國人雖然常吃牛油、芝士等高脂食物，心血管疾病的發(fā)病率卻偏低。
【點評】
　　紅酒對健康的好處已經(jīng)引起科學(xué)家們越來越大的興趣，越來越多的相關(guān)研究也在不斷揭示紅酒對健康的益處所在及其機理。這一現(xiàn)象暗示人類的健康在很大程度上依賴和受益于自然界，好好保護自然，研究和認(rèn)識天然產(chǎn)物將會可持續(xù)性的對人類健康產(chǎn)生意想不到的促進作用。

【原文摘錄】A. Khan, D. S. Dace, A. G. Ryazanov, J. Kelly, R. S. Apte. Resveratrol Regulates Pathologic Angiogenesis by a Eukaryotic Elongation Factor-2 Kinase-Regulated Pathway. American Journal Of Pathology, 2010; DOI: 10.2353/ajpath.2010.090836
Abnormal angiogenesis is central to the pathophysiology of diverse disease processes including cancers, ischemic and atherosclerotic heart disease, and visually debilitating eye disease. Resveratrol is a naturally occurring phytoalexin that has been demonstrated to ameliorate and decelerate the aging process as well as blunt end organ damage from obesity. These effects of resveratrol are largely mediated by members of the sirtuin family of proteins. We demonstrate that resveratrol can inhibit pathological angiogenesis in vivo and in vitro by a sirtuin-independent pathway. Resveratrol inhibits the proliferation and migration of vascular endothelial cells by activating eukaryotic elongation factor-2 kinase. The active kinase in turn phosphorylates and inactivates elongation factor-2, a key mediator of ribosomal transfer and protein translation. Functional inhibition of the kinase by gene deletion in vivo or RNA as well as pharmacological inhibition in vitro is able to completely reverse the effects of resveratrol on blood vessel growth. These studies have identified a novel and critical pathway that promotes aberrant vascular proliferation and one that is amenable to modulation by pharmacological means. In addition, these results have uncovered a sirtuin-independent pathway by which resveratrol regulates angiogenesis.

3. 發(fā)現(xiàn)人類黑素瘤腫瘤起源細(xì)胞
　　【摘要】 斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家獲得了一項有意義的發(fā)現(xiàn)，他們識別了人類黑素瘤的腫瘤起源細(xì)胞。在這種具有攻擊性的皮膚癌中，腫瘤起源細(xì)胞的存在爭論已久。這項發(fā)現(xiàn)同樣能夠解釋，在預(yù)防人類疾病復(fù)發(fā)過程中，目前大部分免疫療法不成功的原因。"這些細(xì)胞缺乏常規(guī)黑素瘤細(xì)胞的表面標(biāo)記，而這些標(biāo)記在治療過程中可以被靶向定位。不能消除癌癥根源細(xì)胞的療法將會是失敗的。" 這項研究負(fù)責(zé)人Alexander Boiko博士表示。研究結(jié)果發(fā)布在7月1日的Nature雜志上。
　　在這項研究中，Boiko直接從患者身上獲取初始的黑素瘤樣本，然后分析細(xì)胞表面標(biāo)記物。這種直接獲取腫瘤細(xì)胞的方法避免了實驗室中的細(xì)胞培養(yǎng)，而癌細(xì)胞的培養(yǎng)通常會使細(xì)胞有時間進化使得研究人員不能精確識別細(xì)胞成分。最終，Boiko發(fā)現(xiàn)了一種叫CD271的蛋白，在檢測的人類黑素瘤樣本中，研究人員發(fā)現(xiàn)該蛋白總是在一小部分細(xì)胞中表達。樣本中細(xì)胞表達CD271的比例從2.5%到41%不等，該標(biāo)記物出現(xiàn)在樣本細(xì)胞中的平均比率是16.7%。接下來，研究人員在實驗室中將這些從人類樣本中獲得的黑素瘤細(xì)胞移植到免疫力嚴(yán)重缺乏的老鼠身上。 相比于移植細(xì)胞后不表達CD271的老鼠, 他們發(fā)現(xiàn)表達CD271的細(xì)胞更易導(dǎo)致癌癥發(fā)生，這個比率分別是70%和7%。另外，僅有一個新產(chǎn)生的腫瘤不是由于移植了CD271陽性細(xì)胞導(dǎo)致的，這表明含有這個標(biāo)記的細(xì)胞能夠自我更新并分化形成其他類型的腫瘤細(xì)胞。研究人員將正常人類皮膚移植到免疫系統(tǒng)受損的老鼠背部，并在皮膚中注入黑素瘤細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有那些注入了能表達CD271的細(xì)胞的老鼠形成了腫瘤并出現(xiàn)肺轉(zhuǎn)移。對于是否腫瘤起源細(xì)胞也會表達常見細(xì)胞抗原，研究人員發(fā)現(xiàn)表達CD271的細(xì)胞或完全或部分缺失TYR, MART和MAGE這三種常見治療靶標(biāo)的表達能力，在黑素瘤患者中的缺失比例分別是86%，69%和68%。這大概也是黑素瘤患者經(jīng)常復(fù)發(fā)的原因。
　　Boiko博士認(rèn)為，利用這項研究結(jié)果有望開發(fā)療法，靶向定位表達CD271的細(xì)胞。通過聯(lián)合療法或能有效殺死腫瘤中的兩種細(xì)胞以預(yù)防疾病的復(fù)發(fā)。
【點評】
腫瘤起源細(xì)胞或腫瘤干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)對于深入理解腫瘤的發(fā)生有重要意義，而它在所有腫瘤中的普遍存在將對癌癥的治療產(chǎn)生重大影響。然而，如果不能治理腫瘤干細(xì)胞產(chǎn)生的環(huán)境，就無法根本上預(yù)防新生腫瘤的出現(xiàn)或癌癥的復(fù)發(fā)。該研究采取了同徐榮祥當(dāng)年研究K-19皮膚干細(xì)胞一樣的方式，從人體直接取樣不再體外培養(yǎng)，從而避免細(xì)胞尤其是干細(xì)胞的進一步變化。

【原文摘錄】Nature 466, 133-137 (1 July 2010) | doi:10.1038/nature09161
Alexander D. Boiko, Olga V. Razorenova, Matt van de Rijn，et al.
The question of whether tumorigenic cancer stem cells exist in human melanomas has arisen in the last few years1. Here we show that in melanomas, tumour stem cells (MTSCs, for melanoma tumour stem cells) can be isolated prospectively as a highly enriched CD271+ MTSC population using a process that maximizes viable cell transplantation. The tumours sampled in this study were taken from a broad spectrum of sites and stages. High-viability cells isolated by fluorescence-activated cell sorting and re-suspended in a matrigel vehicle were implanted into T-, B- and natural-killer-deficient Rag2−/−γc−/− mice. The CD271+ subset of cells was the tumour-initiating population in 90% (nine out of ten) of melanomas tested. Transplantation of isolated CD271+ melanoma cells into engrafted human skin or bone in Rag2−/−γc−/− mice resulted in melanoma; however, melanoma did not develop after transplantation of isolated CD271− cells. We also show that in mice, tumours derived from transplanted human CD271+ melanoma cells were capable of metastatsis in vivo. CD271+ melanoma cells lacked expression of TYR, MART1 and MAGE in 86%, 69% and 68% of melanoma patients, respectively, which helps to explain why T-cell therapies directed at these antigens usually result in only temporary tumour shrinkage.

4. 骨形態(tài)發(fā)生蛋白維護神經(jīng)干細(xì)胞儲備
　　【摘要】 大腦中的干細(xì)胞在被喚醒來分化補充神經(jīng)細(xì)胞前一直是休眠的。是什么讓它們保持休眠，一直知之甚少。7月份發(fā)表在《細(xì)胞干細(xì)胞》上的一項研究給我們提供了更多這方面的信息。該研究發(fā)現(xiàn)了骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）信號在成體一生中維護神經(jīng)干細(xì)胞儲備的重要性，同時也可能提供了理解運動鍛煉、衰老和神經(jīng)形成之間關(guān)系的重要線索。海馬區(qū)中的成體神經(jīng)干細(xì)胞在一生中會產(chǎn)生新的腦細(xì)胞來維持其數(shù)量。該研究發(fā)現(xiàn)BMPs與它們的受體之間相互作用產(chǎn)生的BMP信號在絕大多數(shù)正在增殖的細(xì)胞中是不出現(xiàn)的，而在靜止的干細(xì)胞和已分化的神經(jīng)細(xì)胞等非分化中細(xì)胞中BMP卻很活躍。神經(jīng)干細(xì)胞培養(yǎng)試驗也顯示的確是BMP使它們保持靜止。
【點評】
　　該研究初步揭示了神經(jīng)干細(xì)胞休眠的機制，對于我們研究潛能再生細(xì)胞可能有借鑒意義。

【原文摘錄】Cell Stem Cell, Volume 7, Issue 1, 78-89, 2 July 2010
Signaling through BMPR-IA Regulates Quiescence and Long-Term Activity of Neural Stem Cells in the Adult Hippocampus
Helena Mira,Zoraida Andreu,Hoonkyo Suh
Neural stem cells (NSCs) in the adult hippocampus divide infrequently, and the molecules that modulate their quiescence are largely unknown. Here, we show that bone morphogenetic protein (BMP) signaling is active in hippocampal NSCs, downstream of BMPR-IA. BMPs reversibly diminish proliferation of cultured NSCs while maintaining their undifferentiated state. In vivo, acute blockade of BMP signaling in the hippocampus by intracerebral infusion of Noggin first recruits quiescent NSCs into the cycle and increases neurogenesis; subsequently, it leads to decreased stem cell division and depletion of precursors and newborn neurons. Consistently, selective ablation of Bmpr1a in hippocampal NSCs, or inactivation of BMP canonical signaling in conditional Smad4 knockout mice, transiently enhances proliferation but later leads to a reduced number of precursors, thereby limiting neuronal birth. BMPs are therefore required to balance NSC quiescence/proliferation and to prevent loss of the stem cell activity that supports continuous neurogenesis in the mature hippocampus.

5. 美科學(xué)家通過干細(xì)胞移植制造仿生肺臟
【摘要】新華社 發(fā)布時間：2010-6-28 9:24:29
　　美國兩組研究人員6月24日分別公布研究成果稱，他們在肺臟再生研究領(lǐng)域取得了重要進展，相關(guān)成果將來有望應(yīng)用于器官移植以及新藥測試。在第一項研究中，耶魯大學(xué)的研究人員將人工培育的肺臟植入實驗鼠體內(nèi)，在短時間內(nèi)，這種人工培育肺臟能像正常肺臟一樣交換氧氣和二氧化碳。 研究人員首先將實驗鼠自身的肺臟切除，只保留其中的細(xì)胞外基質(zhì)、肺氣道的枝狀結(jié)構(gòu)及血管等物質(zhì)，作為新肺細(xì)胞成長的“架子”。隨后，研究人員在“架子”中注入可定向發(fā)展為肺細(xì)胞的干細(xì)胞，并將“架子”放入一個生物反應(yīng)器中，后者可以模擬實驗鼠胚胎期肺部成長環(huán)境。由此培育的新肺植入實驗鼠體內(nèi)后，可在兩小時內(nèi)發(fā)揮與正常肺一樣的功能。但超過兩小時后，實驗鼠肺部開始出現(xiàn)血栓。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的耶魯大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授勞拉•尼克拉松表示，這只是在肺臟再生研究領(lǐng)域邁出的一小步，要真正實現(xiàn)利用干細(xì)胞培育出完整人肺以及最終實現(xiàn)移植還需很多年。在第二項研究中，哈佛大學(xué)和波士頓兒童醫(yī)院利用血管細(xì)胞制成只有豌豆大小的“芯片肺”。這種“芯片肺”由肺細(xì)胞、滲透膜以及毛細(xì)血管組成，可以模擬肺泡的功能。研究人員表示，“芯片肺”可望應(yīng)用于檢驗新藥效果以及人體肺部毒素影響。
【點評】
　　相比于意大利人在氣管再造的臨床實踐，該項研究涉及更大的器官，但技術(shù)也相對更不成熟，在自體器官支架上植入干細(xì)胞培育形成的新肺臟能在移植到實驗鼠體內(nèi)后僅能工作兩小時。雖然對于器官移植技術(shù)來講，這可能是個有趣的嘗試，但是對于臨床治療而言，該技術(shù)還體現(xiàn)不出什么價值。

6. 日本利用ips細(xì)胞在老鼠體內(nèi)培育出造血干細(xì)胞
【摘要】新華網(wǎng) 發(fā)布時間：2010-6-28 15:48:42
　　日本東京大學(xué)研究小組日前宣布，他們成功利用誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）在老鼠體內(nèi)培育出造血干細(xì)胞，且將其移植到其他老鼠體內(nèi)后，仍能成功造血。該成果為白血病等疾病的治療提供了新希望。研究人員首先從老鼠尾巴上提取細(xì)胞培育出iPS細(xì)胞，然后與促進iPS細(xì)胞向造血干細(xì)胞轉(zhuǎn)變的物質(zhì)一起移植回老鼠體內(nèi)。約3個月后，研究人員在老鼠骨髓中發(fā)現(xiàn)了由iPS細(xì)胞生成的造血干細(xì)胞，并確認(rèn)其能正常發(fā)揮造血功能。隨后，研究人員提取這種造血干細(xì)胞，并將其移植到自身造血干細(xì)胞被破壞的老鼠體內(nèi)。經(jīng)過一段時間后，研究人員在這些老鼠的骨髓中同樣發(fā)現(xiàn)了能正常造血的干細(xì)胞。目前，研究小組正在研究將人的iPS細(xì)胞移植到老鼠體內(nèi)后，是否會出現(xiàn)類似結(jié)果。
研究人員指出，如果能找到一種新方法，即利用人的iPS細(xì)胞在正常人體內(nèi)培育出造血干細(xì)胞，然后移植到白血病等患者體內(nèi)，那么就有可能開發(fā)出能替代骨髓移植的新療法。
【點評】
　　該研究結(jié)果顯示在老鼠體內(nèi)試驗中ips細(xì)胞能產(chǎn)生造血干細(xì)胞并發(fā)揮正常造血功能，但是在確認(rèn)該技術(shù)是否實用前還必須通過更多動物實驗來驗證其真實性和沒有誘發(fā)腫瘤的風(fēng)險，而ips細(xì)胞的本質(zhì)往往使其經(jīng)常會誘生腫瘤。