干细胞可以记住组织过去所受的损伤

   时间:2018-11-19 13    浏览:205   标签: 美国干细胞最新消息

  干细胞似乎能记住旧伤,以促进伤口愈合。当这个系统出现问题时,就会引发慢性炎症。干细胞以终生补充身体其他细胞而闻名,并且可能具有额外、不可预见的能力,可以储存对过去创伤和炎症的记忆。皮肤、肠道和呼吸道的新研究表明,干细胞通常与免疫系统合作利用这些记忆来改善组织对后来的损伤和致病性攻击的反应。纽约大学免疫学家苏鲁蒂·奈克(Shruti Naik)研究了皮肤和其他组织的记忆效应并说:干细胞有敏锐的感知环境和反应能力,开始意识到,这些细胞不仅仅用于制造组织但当这些反应出现问题时,可能会引发一系列与慢性炎症有关的长期健康问题,比如严重过敏和自身炎症性疾病。

干细胞可以记住组织过去所受的损伤

  博科园-科学科普:人体大多组织都含有一些长期存活的干细胞,这些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裂并产生色素或角蛋白的细胞谱系,形成汗腺细胞,甚至是当身体移动时允许皮肤伸展的柔性屏障细胞。作为其他细胞类型的微型工厂,干细胞需要保持多才多艺的状态,换句话说,它们必须是“白板”,不受其历史的影响。但现在一幅新的画面开始浮现。波士顿地区的研究人员在《自然》发表了一篇论文,为干细胞记忆提供了新的证据。

干细胞可以记住组织过去所受的损伤

  帮助组织从损伤中恢复的干细胞传统上被认为是发育中的“白板”。最近的研究表明,它们可能会以某种方式储存过去遭受攻击的记忆,以便在未来促进更有效的治疗。图片版权:Eric Petersen for Quanta Magazine

  单细胞测序先驱亚历克斯·沙莱克( Alex Shalek)和麻省理工学院的免疫学约瑟夫奥多瓦斯蒙泰斯(JoséOrdovas-Montaes)以及布里格姆(Brigham)和妇女医院免疫学家诺拉·巴雷特(Nora Barrett)领导的研究小组已经着手研究为什么有些人会对空气尘埃、花粉和其他物质产生过敏反应。大多数人最多会经历一场由这些刺激物引起的类似感冒的症状,但是大约12%的人有严重反应,这种反应持续一年,导致不舒服的息肉出现或生长。这项工作是研究小组在更大范围内探索慢性炎症疾病(如哮喘和肠道炎症)的第一步。

干细胞可以记住组织过去所受的损伤

  类似的自身炎症性疾病一直被归咎于免疫系统,被认为是免疫系统对感知到的威胁反应过度。但是波士顿的研究小组怀疑组织本身可能也存在问题。研究人员首先从慢性鼻窦炎患者发炎的鼻腔中提取细胞,并与健康对照组的细胞进行比较。在从20个不同的人那里收集了6万个细胞后,他们对从单个细胞中提取的RNA分子进行了测序,以确定其中哪些基因是活跃的。在鼻窦炎患者的干细胞中,他们发现许多活跃的基因与过敏性炎症有关,特别是这些基因是两种免疫介质的靶点,分别是白细胞介素4 (IL-4)和白细胞介素13 (IL-13)。它们是免疫细胞,如T淋巴细胞和B淋巴细胞,通常用来相互交流的小分子。

干细胞可以记住组织过去所受的损伤

  麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的亚历克斯沙莱克(Alex Shalek)是利用单细胞测序研究基因激活模式的先驱,他帮助领导了一项新工作,发现了人类干细胞中“记忆”的证据。图片:Justin Knight

  事实上靶向基因在干细胞中是活跃的,这意味着干细胞显然与免疫系统直接沟通。由于预感到这种交流可能会对慢性病的性质产生影响,研究人员进行了进一步的实验。研究人员从过敏患者的呼吸道中取出细胞,在培养液中培养约5周,然后对其基因活性进行分析。发现与过敏性炎症有关的基因仍然活跃,尽管灰尘和花粉的过敏性威胁早已消失。此外研究人员称许多细胞“卡在”不完全成熟的状态。研究结果表明干细胞可能会把记忆传递给下一代的细胞,这可能会在它们所补充的组织中造成近乎永久的改变。这一过程会让人将其与免疫系统进行比较:B细胞和T细胞利用它们之前排斥的感染经验,更有效地抵御新的感染。

干细胞可以记住组织过去所受的损伤

  同样干细胞可能会保留过去攻击的记录,以便在下次攻击时加强反应。但对于过敏患者来说,记忆显然会变得不适应。它可以让干细胞永久地向免疫系统发出攻击者存在的信号,创造一个促进炎症和息肉的反馈循环。了解哪些细胞是“不良分子”,以及它们的反应如何在组织中传播,应该会引发更有效的干预。在论文中研究人员能够测试阻止IL-4和IL-13的抗体对鼻息肉患者干细胞和分泌细胞的影响。发现与健康组织相关的基因表达得到了实质性的恢复,并且算是朝着未来治疗方法的发展迈出了有希望的一步。

  冷泉港实验室的免疫学家森马·碧雅(Semir Beyaz)说:这开创了一个新模式,不仅能够关注细胞的自我更新潜能,还能关注它们与周围环境的潜在相互作用。与少脂饮食小鼠相比,高脂饮食小鼠的肠道产生更多的茎状细胞。在分裂时,肠道干细胞似乎也更频繁地增加自己的数量,而不是产生更多分化细胞,这种变化与癌症等疾病有关。从功能上讲,细胞可以调节,免疫学家开始明白免疫反应发生在组织中,而组织对此的反应是在干细胞水平上。几年前,奈克与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,希望了解炎症经历是否会影响干细胞。

干细胞可以记住组织过去所受的损伤

  纽约大学的免疫学家苏鲁蒂·奈克(Shruti Naik)研究了有关皮肤及其他组织干细胞记忆损伤和炎症的关系。图片:Courtesy of NYU Langone Health

  正如他们2017年发表在《自然》论文中所描述的那样:如果小鼠身上的皮肤斑块发炎并愈合,那么那个部位的伤口愈合速度将是原来的2.5倍,这种效果可能长达6个月。在实验中保留在干细胞中的记忆大有益处,因为它调节细胞使其在伤口愈合和再生方面更强大。但事物都有双面性,正如沙莱克、巴雷特和奥多瓦斯蒙泰斯所观察到的,如果你教细胞坏行为,它们也会记住那些坏行为。干细胞如何储存记忆还不得而知。在过敏和伤口愈合的研究中,这种机制似乎涉及到DNA的一些修改,使某些基因或多或少可以被激活。

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  奈克发现,两次受伤的小鼠皮肤干细胞中的DNA包含许多不那么紧密的区域,这通常表明了基因活性,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。正如奈克和同事最近在《细胞》一文的评论中讨论的那样,干细胞在广泛的组织中从事化学与免疫系统“对话”,与双方和潜在的其他细胞类型汇集信息,以最有效的方式应对不断变化的环境。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历史记录,在帮助组织适应环境方面发挥着核心作用。一个组织应该从它的经验中学习;这样的话,就不必重蹈覆辙。


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