实验室培育的猪视网膜类器官可能有助于基于干细胞的视力治疗
实验室培育的猪视网膜类器官可能有助于基于干细胞的视力治疗
New lab-grown pig retinal organoids could aid stem cell-based vision therapy美国英语科技与健康
2025-03-14 11:00:00阅读时长5分钟2049字
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在人眼中，视网膜由多种类型的细胞组成，包括启动视觉级联反应的感光细胞。感光细胞因退行性疾病或损伤受损会导致永久性视力障碍或失明。
威斯康星大学麦迪逊分校McPherson眼科研究所主任、眼科学和视觉科学教授David Gamm表示，使用实验室培养的感光细胞进行干细胞替代疗法是应对视网膜疾病的一种有前景的策略。然而，这种干细胞治疗需要首先在动物身上进行测试。由于人类细胞在其他物种中不兼容且会被迅速排斥，因此很难评估其潜力。
“猪和人的视网膜有许多关键特征相同，这使得猪成为模拟人类视网膜疾病和测试眼部治疗的理想模型。通过在猪身上测试‘人类等效’的感光细胞，我们可以更好地了解这些细胞在不被宿主动物立即攻击时的表现。”David Gamm说。
在《干细胞报告》杂志上发表的一项新研究中，Gamm实验室与Morgridge研究所的研究人员合作，开发了实验室培育的猪视网膜类器官。他们发现，从猪源性视网膜类器官中获得的感光细胞与从人类视网膜类器官中获得的感光细胞有许多相似之处。
“这是人们首次制造出猪视网膜类器官，”Gamm实验室的研究生、该研究的第一作者Kim Edwards说。“这也是首次将人类与其他物种的视网膜类器官进行比较。”
类器官是由数十万个细胞组成的微小组织团块，大约有一枚大图钉头那么大。它们使科学家能够在实验室培养皿的受控环境中复制人体组织或器官中的细胞相互作用和条件。
“人类类器官中的感光细胞可以对光作出反应，并通过突触连接相互交流，”Gamm说。“为了确定它们是否可以在受损的视网膜中建立连接并恢复视力，我们需要在猪身上移植并测试它们。”
Edwards说，要获得高质量的类器官，首先要从高质量的干细胞开始。他们与卡尔加里大学助理教授Li-Fang "Jack" Chu合作，获得了猪多能干细胞。Chu曾是Morgridge研究所Jamie Thomson实验室的博士后研究员。
“历史上，Thomson实验室擅长制造人类诱导多能干细胞，但事实证明，为其他物种如猪制造这些细胞非常具有挑战性。Jack解决了这个问题，并在他的新实验室中处于领先地位。”Morgridge研究所计算生物学研究员Ron Stewart说。
在成功生成猪诱导多能干细胞后，下一个挑战是促使它们分化成视网膜细胞。Edwards开始使用Gamm实验室已建立的人类类器官方案，看看它是否适用于猪干细胞。该方案的时间安排基于人类40周的妊娠期，但他们注意到猪的妊娠期只有大约一半。因此，科学家们想，如果我们使用相同的方案，但将时间减半会怎么样？
“我们能够用这种方法制造出许多视网膜类器官，这真的很令人兴奋，”Edwards说。“这是一个很好的概念验证，表明如果我们要分化特定类型的细胞，我们确实需要注意妊娠期差异和细胞之间的固有差异。”
他们使用免疫细胞化学技术，表征了早期阶段和晚期阶段发育过程中猪和人类类器官模型中存在的特定视网膜细胞相关蛋白。为了深入研究，Gamm实验室与Morgridge研究所Stewart计算生物学组的计算生物学家Beth Moore合作，使用单细胞RNA测序（RNA-seq）来观察细胞内的基因表达。
“他们使用单细胞RNA-seq做了很多神奇的事情——一些我们认为不可能的事情，”Edwards说。
类器官被分解成单个细胞，每个细胞都带有条形码并单独测序。捕获的数据用于将相似的细胞分组在一起，从而深入了解类器官中发现的所有细胞类型，包括杆状和锥状感光细胞以及其他细胞类型，如视网膜神经节细胞。
“这是一种无偏见且非常全面的方法，可以了解类器官中每种细胞类型表达的基因，”Moore说。“这是一种与免疫细胞化学不同的标记方法。这是一种不同的方式来得出相同的结论，即识别不同类型的细胞。”
Edwards和Moore都需要克服一些挑战才能得出这些结论。首先，鉴于类器官的性质，Edwards需要优化他们的方案以分离细胞并在测序前保持它们的状态。
“它们不喜欢被分离并放在培养皿上，尤其是感光细胞，”Edwards说。“我们开玩笑说感光细胞在一起工作得更好，就像人一样。”
在数据分析方面，Moore解释说，每个细胞都被封装在一个含有条形码的液滴中用于测序。但有时一个液滴会封装多个细胞，或者液滴可能是空的，不包含任何细胞，这会在测序数据中引入错误。
“这真的会破坏你的分析，尤其是在你试图识别不同细胞类型时，”Moore说。Moore开发了一个分析流程来过滤掉不需要的序列并标准化数据。然后她绘制了不同簇中表达的基因，可以将其映射到特定的细胞类型并与免疫细胞化学结果进行比较。
另一个挑战是猪和人类基因组之间的显著差异，这意味着Moore还需要处理一份两个物种中已知基因的列表，并将它们与序列匹配，以绘制出不同细胞类型。
“Beth提供的确认数据对我们来说非常重要，让我们对自己看到的东西充满信心，”Edwards说。
这项工作得到了美国国防部与国家眼科研究所的合作资助，旨在探索细胞替代疗法以治疗军事中常见的视网膜损伤。研究人员已经开始使用来自猪类器官的感光细胞在猪身上进行移植，以确定它们是否能建立连接并与下游神经元形成突触。
“我们很高兴展示你可以从不同物种中培育出这些视网膜类器官，世界各地的许多团队也开始制作它们，”Edwards说。“这一切都始于拥有优质的干细胞。”
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