索尔克实验室将皮肤细胞转化为人体气道组织

研究人员利用重新编程的皮肤细胞，首次利用干细胞技术培育出功能齐全的细胞组合，这些细胞排列在通向肺部的气管上。实验室培育的气道组织现在可以用来研究肺部疾病的分子基础——从罕见的遗传疾病到哮喘和肺气肿等常见疾病——并测试治疗这些疾病的新药。

“这是一个激动人心的时代的开始工作,一天做三维显示进展,肺功能在实验室和特定疗法为测试提供了机会,”高级研究作者Inder Verma说,索尔克教授实验室的遗传学和持有人的欧文和琼·雅各布斯椅子模范生命科学。研究影响肺部和附近气道的疾病一直受到从患者身上收集病变组织的能力和器官复杂性的限制。多种细胞组成了气道组织，因此在实验室中研究一种疾病如何改变一种细胞可能并不能准确反映疾病的全部影响。

在这项新研究中，研究人员开发了复杂的气道组织，由四种不同的细胞类型组成，方法是将皮肤细胞重新编程成干细胞，然后将干细胞暴露在一种独特的化学配方中，这种化学配方会引导它们沿着一条特定的、气道特异性的发育路径前进。他们不是用胚胎干细胞来培养气道组织，而是从患者身上容易收集的皮肤细胞开始。

“这样，我们就有能力接触到这些罕见的遗传性肺部疾病的患者群体，”维尔马实验室的博士后研究员、这篇新论文的第一作者艾米·弗斯(Amy Firth)说。由于皮肤细胞和肺细胞含有相同的主基因，任何从患者皮肤细胞中生长出来的气道组织都会发生致病基因突变。

Verma, Firth和他们的同事们首先使用标准协议来清除皮肤细胞中产生皮肤细胞的所有程序，将其转化为诱导多能干细胞(iPS)细胞，这种细胞有可能发育成人体中的任何一种细胞类型。然后，他们将诱导多能干细胞暴露在一种被称为生长因子和细胞因子的蛋白质中，这种蛋白质被认为是气道发育的关键。为了观察任何一种特定的蛋白质混合物是否有效，研究人员随后测试了产生的组织中，每种类型的气道细胞是否排列正确，是否含有像毛发一样的纤毛和气道功能所需的关键分子。经过反复试验，他们发现了诱导诱导多能干细胞进入功能齐全的气道组织所需的生长因子的精确组合。

美国癌症学会分子生物学教授维尔马说:“要了解许多肺部疾病的分子机制，第一步是要有能力产生组成一个完全成熟的肺的各种细胞。”

虽然生长的细胞与在肺部所有部位发现的细胞不同，但类似的程序可以确定如何从呼吸系统的其他部位生长组织。目前，这项新方案已经可以用于研究罕见疾病，如原发性纤毛运动障碍，这种疾病已知会影响纤毛衬里气道。此外，新的治疗方法或基因疗法可以在实验室培养的气道组织上进行试验，这些气道组织来自受影响患者的细胞。

“希望有一天能够纠正这些组织中的基因突变，并将其移植回患者的气管，”弗斯说。

在实验室中培养的气道组织还可以揭示污染物或尼古丁是如何加重疾病症状的，这些症状不仅受到遗传因素的影响，还受到人呼吸的空气的影响。

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