肠道干细胞最新研究进展

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肠道干细胞最新研究进展
来源：创新医学网




　　从分子的角度来看，肠道是一个嘈杂的地方，各种人类细胞和微生物细胞彼此之间相互沟通，从而维持一种稳健而又健康的细胞群落。这个细胞群落的关键是肠道干细胞(intestinal stem cell)，它们产生多种细胞类型，从而有助于保 持肠道功能正常。肠道干细胞位于肠黏膜隐窝基底部，即基底隐窝是肠道干细胞的细胞库。正常情况下，位于隐窝基底部的肠道干细胞不断向隐窝顶部(肠腔方向)迁移，整个迁移过程大约3至5天，在迁移过程中肠道干细胞分化形成不同的肠粘膜细胞。


　　针对肠道干细胞研究近期取得的进展，小编进行了一番盘点，以飨读者。


　　1.Cell：辅助性T细胞竟调节肠道干细胞的自我更新和分化


　　doi:10.1016/j.cell.2018.10.008


　　在一项新的研究中，来自美国布罗德研究所等研究机构的研究人员宣布他们检测到一部分肠道干细胞与生活在肠道中的辅助性T细胞(Th细胞)之间存在一种新的交谈形式。他们发现这些肠道干细胞产生MHC II，即一种允许免疫细胞与其他细胞之间交谈的表面蛋白复合物 ，所产生的MHC II会激活Th细胞。最后，他们发现这些肠道干细胞也对附近的Th细胞产生的细胞因子作出反应。相关研究结果于2018年11月1日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“T Helper Cell Cytokines Modulate Intestinal Stem Cell Renewal and Differentiation”。


　　然而，肠道干细胞如何作出反应取决于它们接收到的细胞因子信号类型。与炎症相关的细胞因子促进肠道干细胞开始分化---产生在肠道内壁中发现的不同细胞类型，这可能有助于肠道组织对损伤或感染作出反应。相比之下，肠道干细胞对起调节作用的细胞因子作出反应 ，在感染清除后通过自我更新协助降低免疫反应。这可能有助于肠道在修复后补充和维持它的肠道干细胞库。


　　2.Cell Stem Cell：禁食增强肠道干细胞的再生能力


　　doi:10.1016/j.stem.2018.04.001


　　随着人们年龄的增加，他们的肠道干细胞开始丧失再生能力。这些干细胞是所有新的肠道细胞的来源，因此这种再生能力下降可能使得从胃肠道感染或影响肠道的其他疾病中康复过来更加困难。


　　根据来自美国麻省理工学院的研究人员的一项新的研究，这种年龄相关的肠道干细胞功能丧失能够通过24小时禁食加以逆转。他们发现禁食显著地改善年老小鼠和年轻小鼠中的肠道干细胞再生能力。相关研究结果发表在2018年5月3日的Cell Stem Cell期刊上，论文标题 为“Fasting Activates Fatty Acid Oxidation to Enhance Intestinal Stem Cell Function during Homeostasis and Aging”。论文通信作者为麻省理工学院的David M. Sabatini和Ömer H. Yilmaz。论文第一作者为麻省理工学院的Maria M. Mihaylova和Chia-Wei Cheng。


　　在禁食小鼠中，细胞开始分解脂肪酸而不是葡萄糖，这种变化增强肠道干细胞的再生能力。 这些研究人员发现他们也能够利用一种激活相同代谢开关的分子促进再生。这些研究人员说，这种干扰能够潜在地有助于老年人从胃肠道感染中康复过来，或者让接受化疗的癌症 患者从中受益。


　　3.Nature：利用一种新的水凝胶在体外培养类器官


　　doi:10.1038/nature20168


　　类器官(organoid)是能够在实验室中利用人的干细胞培养出的微型器官。它们能够被用来构建疾病模型，而且在未来可能被用来测试药物或者甚至替换病人体内受损的组织。但是当前的类器官在一种标准化的可控方法中非常难以培养，其中这种方法是设计和使用它们 的关键。如今，EPFL研究人员通过开发出一种正在申请专利的“水凝胶”而解决了这个问题，其中这种水凝胶提供一种完全可控的和可调整的方法来培养类器官。这一突破性发现于2016年11月16日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Designer matrices for intestinal stem cell and organoid culture”。


　　论文第一作者Nikolce Gjorevski和他的同事们利用这种水凝胶让肠道干细胞长出一种微型肠道。这种功能性的水凝胶不仅是一种目标，而且也是鉴定影响这些干细胞扩增和培养类器官的能力的因子。通过仔细地调整这种水凝胶的性质，他们发现这种类器官形成过程的不 同阶段需要不同的力学环境和生物组分。


　　一个这样的因子是纤连蛋白(fibronectin)，它协助这些干细胞附着到这种水凝胶中。Lütolf实验室发现这种附着本身在培养类器官中发挥着非常重要的作用，这是因为它提供许多信号给它们，告诉它们生长和产生一种类似肠道的结构。研究人员也发现这种水凝胶的物 理硬度在调节肠道干细胞行为中发挥着一种不可或缺的作用，从而有助认识细胞如何能够感知和处理物理刺激，并对这些物理刺激作出反应。这种认识是特别有价值的---尽管生化信号对干细胞的影响是为人所熟知的，但是物理因子的影响是个谜。


　　4.Cell：什么?肠道细菌代谢物抑制肠道干细胞增殖


　　doi:10.1016/j.cell.2016.05.018


　　肠道干细胞是身体中最为快速分裂的细胞之一，忙于产生新的肠道细胞来替换持续被丢弃的肠道细胞。但是不同于体内其他地方的干细胞，肠道干细胞隐藏在肠道隐窝中。


　　如今，在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学圣路易斯医学院的研究人员发现肠道干细胞位于肠道的“口袋(编者注：肠道隐窝)”中，从而避免接触生活在肠道中的有益细菌大量制造的一种代谢物。这种代谢物---丁酸---限制肠道干细胞增殖，从而潜在地抑制肠道 在遭受急性损伤或者因炎症性肠病(如克罗恩病和结肠炎)遭受损害后自我修复。相关研究结果于2016年6月2日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“The Colonic Crypt Protects Stem Cells from Microbiota-Derived Metabolites”。


　　研究人员证实正常情形下，肠道内壁中的被称作利氏肠腺隐窝(crypt of Lieberkuhn)的微小口袋让肠道干细胞免受丁酸的损害。但是，当肠道遭受破坏时，丁酸能够接触到这些干细胞，并限制它们的增殖。


　　5.Nature：揭秘高脂饮食如何影响个体结肠癌的发生


　　doi:10.1038/nature17173


　　近日，刊登于国际著名杂志Nature上的一项研究报告中，来自美国达纳-法伯癌症研究所(Dana-Farber Cancer Institute)的研究人员通过研究揭示了高脂肪饮食如何促使肠道内皮细胞更加易于癌变，研究者发现，肥胖、高脂肪及高卡路里饮食是引发许多类型癌症的明显 风险因子。


　　文章中，研究者Semir Beyaz指出，对小鼠进行研究我们发现，高脂肪饮食可以驱动肠道干细胞数量激增，同时也会产生一系列其它同干细胞行为非常类似的细胞，也就是说这些细胞可以进行无限期地繁殖并且分化成为其它类型的细胞，这些干细胞及干细胞样细胞更加易 于引发肠道肿瘤。此前研究发现，肥胖个体更易于患结直肠癌，而且肠道干细胞更易于积累突变引发结肠癌，这些干细胞位于肠道内侧，名为上皮细胞，其可以产生多种类型的细胞从而形成上皮结构。


　　文章中研究者对健康小鼠喂食以60%脂肪含量的饮食长达9-12个月，同时调查了小鼠机体中肠道干细胞和肥胖相关癌症之间的关联，典型的美式饮食中通常包含有20%-40%的脂肪，而高脂肪饮食的小鼠体重指数可以增加30%-50%，同时相比正常饮食的小鼠而言，这类小鼠更 易于发生肠道肿瘤。高脂肪饮食的小鼠通常在肠道干细胞上会表现出明显的改变，相比正常饮食的小鼠而言，其不仅拥有较多的肠道干细胞，而且这些干细胞可以自行运转。


　　这项研究非常重要，因为我们都知道，位于肠道中的干细胞通常会获取产生肿瘤的突变，而我们的机体不仅拥有大量传统的干细胞，而且还拥有一些非干细胞的细胞群体，其也有可能产生突变最终引发肿瘤产生。


　　6.Nature：有性别的器官


　　doi:10.1038/nature16953


　　最新的研究表明，我们的身体除了性器官，其他的器官也存在着性别的差异。我们的器官可能是“男性”或“女性”的，这可能意味着女性和男性在疾病治疗的过程中需要区别对待。这个研究还可以解释为什么有些癌症多见于女性，而其他则多见于男性。这项研究发表 在《Nature》上，由英国伦敦国王学院临床医学中心(CSC)的科学家在果蝇中进行研究。


　　CSC团队检查了果蝇肠道干细胞。他们使用的遗传学工具，使他们能够打开或者关闭这些细胞中的某些基因。这允许他们改造这些干细胞变得更“雌性化”或者更“雄性化”。然后他们试图扩增这些细胞。他们发现，“雌性化”的细胞能更好地增殖。


　　这种增强的能力似乎允许雌蝇繁殖期间肠道的增长。先前的研究已经表明，交配后，雌蝇肠道尺寸重新调整，和改变代谢来维持再生产。在目前的研究中，研究小组发现，“雌性化”的肠道干细胞的影响是可逆的。取出雌果蝇肠道干细胞并将其“雄性化”改造，发现三 周后，这些细胞出现“雄性化”倾向，细胞会变小。


　　7.Nature：利用CRISPR/Cas9构建出结直肠癌类器官


　　doi:10.1038/nature14415


　　科学家们经常利用含有蛋白WNT、R-spondin和表皮生长因子EGF的培养基长期培养小鼠和人类的肠道干细胞，从而肠道干细胞形成遗传学和表型稳定的上皮类器官。在一项新的研究中，美国和荷兰的研究人员将CRISPR/Cas9基因编辑技术用于体外培养的人类肠道干细胞， 先后导入了四个常见的结直肠癌基因突变(APC、P53、KRAS和SMAD4)，从而建立了结直肠癌类器官。这表明结直肠癌很有可能是通过多次获得基因突变而产生的。携带这四种突变的肠道干细胞在WNT、R-spondin和表皮生长因子EGF不存在的情形下仍然能够生长。相关研 究结果发表在Nature期刊上，论文标题为“Sequential cancer mutations in cultured human intestinal stem cells”。


　　8.Cell Rep：肠癌干细胞被调节引发肠癌的分子机理


　　doi:10.1016/j.celrep.2015.01.007


　　近日，发表在国际杂志Cell Reports上的一篇研究论文中，来自美国桑福德-伯纳姆医学研究所(Sanford-Burnham Medical Research Institute)的研究人员通过研究发现了一种新型的精细干细胞信号通路，如果该通路被打断则会引发肠道肿瘤，相关研究或可帮助理解 干细胞如何引发肿瘤，并且可以帮助研究人员寻找靶向作用干细胞的分子来抑制肠癌的发生、发展和复发。


　　Jorge Moscat博士指出，大量证据表明，癌症干细胞对于癌症发生、发展、转移、复发以及产生耐药性都非常关键，本文这项研究揭示了调节干细胞的一种级联信号，并且研究者还发现该通路对于设计新型靶向抗癌疗法非常必要。研究者表示，一种名为C-zeta (PKC- zeta)的蛋白激酶正常情况下可以通过下调两种信号通路：β-连环蛋白和Yap来抑制干细胞的活性;此前研究发现，PKC-zeta可以扮演一种肿瘤抑制子的角色来维持肠道干细胞的自我平衡，而当前研究正揭示了上述过程发生的分子机制。


　　肠道组织由单层的上皮细胞所覆盖，其每隔3-5天都会更新，而移除肠道干细胞的细胞库往往需要被调节来维持自我平衡;研究者说道，如果干细胞活性增加，特别是在肠道缺失PKC-zeta时，就很有可能引发肠道肿瘤。利用一种遗传工程化的患肠癌的小鼠模型进行研究， 研究人员就可以在人类结肠腺癌组织中PKC-zeta、β-连环蛋白和Yap致癌特性，而β-连环蛋白和Yap则是PKC-zeta功能的潜在靶点，其为后期开发抗癌疗法也带来了极大帮助。


　　9.Cell Rep：科学家首次揭示人类肠道干细胞的行为机制


　　doi:10.1016/j.celrep.2014.07.019


　　近日，来自伦敦大学玛丽女王学院的研究人员通过研究首次发现了人类肠道中干细胞的行为机制，相关研究刊登于国际杂志Cell Reports上，或为肠癌的早期发现以及预防措施提供一定的思路和帮助。


　　文章中，研究者利用一种特殊开发的“工具盒”对人类机体的干细胞进行研究，这种新型工具盒可以随机测定老化干细胞的突变情况，这种突变情况正表明了干细胞所发生的行为;在本项研究开展之前，关于人类肠道干细胞生物学的分子机制依然是个谜，而在这篇研究 报道中研究者就解开了这一谜题;研究者利用小鼠进行试验，由于小鼠的肠道特性和人类的肠道特性具有明显的相似性，因此利用小鼠进行研究得到的结果就可以转化到人类机体中。


　　与此同时，该研究的结果也可以应用于人类机体其他组织，比如皮肤、肺部和乳腺等;揭示干细胞在人类肠道中的行为机制将是干细胞研究领域的一大飞跃，截至目前研究人员更多的是利用小鼠来进行研究或者是将干细胞置于自然环境中进行研究，这就扭曲了干细胞的 正常行为表现;而这项研究中研究者利用开发的新型工具来揭示肠道干细胞的行为表现，这就可以明显增加研究人员对于肠癌发生的理解。


　　10.Cell Rep:科学家应用单细胞分析发现小肠干细胞分化的过渡态


　　doi:10.1016/j.celrep.2016.07.056


　　近日，来自美国哈佛大学医学院的研究人员在国际学术期刊Cell Reports上发表了一项最新研究进展，他们利用单细胞分析技术发现Lgr5+小肠干细胞来源的祖细胞实际上包含了两个不同的细胞群体，进一步揭示了小肠干细胞分化过程的最早期步骤。


　　为了确定小肠干细胞分化的早期转变特征，研究人员使用一种微流体学方法检测了单个LGR5+细胞的干性基因和谱系特异性基因的转录。结果发现了两个不同的细胞群体，其中一群表达已知的小肠干细胞标记物，另外一个较大的细胞群同时表达干性标记物和成熟细胞的标 记物。


　　研究人员也在动物模型体内通过单分子mRNA原位杂交和免疫荧光技术证实了LGR5+细胞中一个亚群存在谱系特异性基因的表达。基因转录网络分析进一步揭示其中一个LGR5+细胞群不仅来自另外一群细胞，还表现出预期的双潜能祖细胞的特征，包括Notch配体激活和细胞周 期抑制因子的激活。


　　11.Cell Rep：Notch 和 Wnt调节小肠干细胞分化平衡新机制


　　doi:10.1016/j.celrep.2015.03.007


　　近日，国际学术期刊cell reports在线发表了美国科学家的一项最新研究进展，他们发现在小肠干细胞和小肠稳态调节过程中，Notch和Wnt信号扮演了重要调控作用，阻断Notch信号会引起小肠干细胞分化失衡，并且在这一过程中伴随对Wnt信号途径的抑制解除。


　　器官的稳态平衡需要对成体干细胞进行严格调控，并通过多种信号整合实现干细胞向终末细胞的分化过程。在小鼠的小肠中，Notch和wnt信号对于小肠干细胞维持以及肠道负责消化液分泌的细胞和负责营养吸收的细胞之间的分化平衡都是非常必要的。


　　研究人员发现当Notch信号受到抑制，小肠干细胞倾向于向分泌细胞方向分化，而影响营养吸收细胞的分化过程。研究人员利用具有功能阻断特性的抗体特异性阻断Notch受体，结果发现阻断Notch信号会解除对Wnt信号途径的抑制作用，扰乱小肠干细胞的正常功能，导致 促分泌功能相关基因的错误表达。同时，研究人员还发现抑制wnt信号通路能够恢复因Notch信号阻断所造成的表型。


　　12.Stem Cells：首次分离出人肠道干细胞


　　doi:10.1002/stem.1391


　　在一项新的研究中，来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员首次从人肠道组织中分离出成体干细胞。这一发现给科学家们提供急需的资源以便揭示出人类干细胞的确切生物学机制。它也能够让科学家们探索新的策略来治疗炎症性肠病或缓解因化疗和放疗经常导 致肠道损伤而带来的副作用。相关研究结果于2013年4月4日在线发表在Stem Cells期刊上，论文标题为“CD24 and CD44 Mark Human Intestinal Epithelial Cell Populations with Characteristics of Active and Facultative Stem Cells”。


　　Magness 实验室在美国曾经首次从小鼠体内分离出和培养单个肠道干细胞，因此当在人组织中寻求类似的干细胞时，他们有这方面的优势。此外，研究人员也能够获得人小肠组织切片来开展实验，其中小肠组织是在胃分流术(gastric bypass surgery)中被切除下来的， 并且通常被抛弃掉。


　　为了开发这种技术，研究人员研究了他们在小鼠体内采取的方法是否会在人组织中起作用。他们首先观察在小鼠肠道干细胞表面上发现的分子是否同样在人肠道干细胞中存在。他们发现这些被称作CD24和CD44的特异性分子确实在小鼠和人体内是一样的。他们然后将荧光 标记附着到这些分子上，并利用一种特殊的被称作荧光激活细胞分选仪(fluorescence activated cell sorter)的机器鉴定和分离出来自人小肠样品中的干细胞。


　　研究人员发现他们不仅能够从人肠道组织中分离出人干细胞，而且他们也能够分离出不同类型的肠道干细胞。对干细胞研究人员而言，两类肠道干细胞---活跃肠道干细胞和储备肠道干细胞---是一个热门话题。为此，干细胞研究人员仍然一直试图找出储备干细胞如何周 期性地激活从而弥补因损伤、化疗或化疗而遭受损伤的活跃干细胞。