世界生命科学前沿动态周报（十五）

（06.28 -- 07.04 / 2010）
美宝国际集团:陶国新 

　　本周动态包括以下内容： 细胞三维培养技术与细胞迁移；白藜芦醇可以直接地抑制眼睛内外的异常血管新生；发现人类黑素瘤肿瘤起源细胞；骨形态发生蛋白维护神经干细胞储备；美科学家通过干细胞移植制造仿生肺脏；日本利用ips细胞在老鼠体内培育出造血干细胞。
1. 细胞三维培养技术与细胞迁移
【摘要】医药经济报2010-7-1 10:07:53
　　最近，一项由美国约翰•霍普金斯大学工程师们领衔的新研究显示，使用三维技术观察细胞活动可获得在癌症研究中的重要进展。研究团队成员得出的结论是，使用三维技术观察细胞，可以得到更准确的、有助于开发防治癌细胞扩散的抗癌药物信息。这项与华盛顿大学合作开展的研究结果，发表于今年6月出版的《自然-细胞生物学》杂志上。
　　“发现细胞如何移动和黏附在表面上对了解癌症和其他疾病极为重要。但对这些细胞行为的了解，绝大部分都局限于培养皿中二维条件下获得的信息，”该项目首席研究人员、约翰•霍普金斯大学肿瘤工程中心主任Denis Wirtz说，“我们的研究结果首次展示，细胞在像人体这样的三维环境中的移动，与我们在普通的扁平实验室培养皿中观察到的有显著不同，在数量和质量两方面都存在差异。” Wirtz表示，这项发现的意义在于，在平面培养基上快速筛选阻止细胞移动药物的方法存在很大程度的误导。这非常重要，原因在于细胞移动与癌扩散有关。“我们的研究可能在三维介质条件下找到一个显着降低细胞侵染的可能靶点。” 当细胞在二维条件下生长时，某些蛋白质有助于形成被称为灶性黏附的持久黏附。在二维条件下，这些黏附可以持续数秒到数分钟。细胞通常形成一个范围更广、被称为生长瓣的扇状凸起，帮助细胞向前移动。“在三维环境下，外形完全不同，更像纺锤状，在两端都有凸起；如果真存在灶性黏附，那么灶性黏附尺寸将会很小、存在时间非常短，不能用显微镜解析。”Wirtz表示。
　　该项研究的主要负责人、约翰•霍普金斯大学化学与分子生物工程博士生Stephanie Fraley指出，“细胞在二维环境中的形状和移动模式仅仅是环境作用下形成的特殊结果。三维细胞培养的难度远高于二维细胞培养，典型情况下，在动物模型试验前，药物研究都在二维细胞培养中进行。有时，药物研究结果和临床研究结果不一样。这可能是了解为何产生这种差异的关键之一。” Fraley所在研究机构的负责人Wirtz建议，药物研究结果与临床研究结果存在脱节的部分原因可能在于，即便在成为三维环境的研究中，多个细胞底部仍然位于基质的顶部。“在很多研究工作中，多个细胞仅有部分埋于基质中，这种情况我们称为2.5维状态。” 论文显示，三维与2.5维存在根本差异：灶性黏附消失，用于调节细胞移动性的灶性黏附蛋白质的作用变得不同。
　　Wirtz补充道，由于失去黏附性和细胞移动增强是癌症的特征，他们的研究结果将根本性改变用于药物研究的细胞的培养方式。譬如，在三维环境中，加工斑联蛋白（zyxin）的细胞以随机方式移动，寻找它们的局部环境。然而，当斑联蛋白基因被停止时，细胞几乎以一维方式远离原来的部位、快速和持续移动。Fraley认为，这些细胞甚至会沿着已经寻找过的路径返回。“众所周知，斑联蛋白在很多癌症中被错误调控”。因此，他补充道，了解三维环境中类似斑联蛋白的功能是了解细胞如何展开或转移的关键所在。“当然，肿瘤生长十分重要，但使大多数癌症患者死亡的是癌细胞转移。”
　　为研究三维环境下的细胞活动，研究小组在玻片上铺上数毫米厚的富含胶原蛋白的凝胶。胶原蛋白是体内最为丰富的蛋白质，在凝胶中形成类似细胞在体内生长的细胞外基质骨架。研究人员在凝胶成形前将细胞混入，然后，使用倒置共聚焦显微镜从下边观察细胞在凝胶基质中的移动。他们发现，细胞在二维环境中移动时，细胞下侧总与表面接触，形成很多尺寸大、存在时间长的灶性黏附。而细胞在三维环境中移动时，只与包围细胞的胶原蛋白网络有轻微接触，接触部位极小、存在时间短，研究者观察到。“我们认为，在三维环境中，二维环境中同样的灶性黏附蛋白作用完全不同，但作用尚不知晓。”Wirtz表示，下一步的研究将特别关注三维环境下类似斑联蛋白这样机械刺激感觉蛋白在细胞运动性中的作用，以及凝胶基质孔径和刚度对细胞迁移的影响。
【点评】
较之传统的二维细胞培养，该研究使用的三维细胞培养技术营造了更接近活体内的细胞生长环境，借此观察到的细胞活动规律也更接近真实的生理规律，相信随着该类技术的完善，会在很大程度上革新目前的细胞培养技术。

【原文摘录】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. 白藜芦醇可以直接地抑制眼睛内外的异常血管新生
　　【摘要】ScienceDaily (June 26, 2010) 来自美国科学家发现，红酒所含的白藜芦醇（resveratrol）可以防止有害的血管生长，有助防止视力衰退。华盛顿大学医学院的专家拉金拉德 阿普特在《美国病理学杂志》上指出，白藜芦醇可以直接地抑制眼睛内外的异常血管新生。白藜芦醇是一种抗微生物物质，可由多种植物天然产生，可以防止细菌和真菌的感染。它在葡萄皮里含量尤其高，因此在红酒中的分量亦十分丰富；其次就是在蓝莓、花生等植物。在这项研究前，医学界已发现白藜芦醇有助延缓衰老和预防癌症。异常血管新生是长出不健康或突变的血管的现象，与癌症、心脏病以及眼疾（如老年黄斑病变）相关。阿普特相信这一研究成果将会大大影响医学界对白藜芦醇的认识，促成新的眼疾疗法。众所周知，近年不少研究发现适量饮用红酒可以为健康带来某些益处，除了预防中风，还可以预防心血管疾病。不少人认为红酒导致了所谓的“法国吊诡”（French paradox）的现象：法国人虽然常吃牛油、芝士等高脂食物，心血管疾病的发病率却偏低。
【点评】
　　红酒对健康的好处已经引起科学家们越来越大的兴趣，越来越多的相关研究也在不断揭示红酒对健康的益处所在及其机理。这一现象暗示人类的健康在很大程度上依赖和受益于自然界，好好保护自然，研究和认识天然产物将会可持续性的对人类健康产生意想不到的促进作用。

【原文摘录】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. 发现人类黑素瘤肿瘤起源细胞
　　【摘要】 斯坦福大学医学院的科学家获得了一项有意义的发现，他们识别了人类黑素瘤的肿瘤起源细胞。在这种具有攻击性的皮肤癌中，肿瘤起源细胞的存在争论已久。这项发现同样能够解释，在预防人类疾病复发过程中，目前大部分免疫疗法不成功的原因。"这些细胞缺乏常规黑素瘤细胞的表面标记，而这些标记在治疗过程中可以被靶向定位。不能消除癌症根源细胞的疗法将会是失败的。" 这项研究负责人Alexander Boiko博士表示。研究结果发布在7月1日的Nature杂志上。
　　在这项研究中，Boiko直接从患者身上获取初始的黑素瘤样本，然后分析细胞表面标记物。这种直接获取肿瘤细胞的方法避免了实验室中的细胞培养，而癌细胞的培养通常会使细胞有时间进化使得研究人员不能精确识别细胞成分。最终，Boiko发现了一种叫CD271的蛋白，在检测的人类黑素瘤样本中，研究人员发现该蛋白总是在一小部分细胞中表达。样本中细胞表达CD271的比例从2.5%到41%不等，该标记物出现在样本细胞中的平均比率是16.7%。接下来，研究人员在实验室中将这些从人类样本中获得的黑素瘤细胞移植到免疫力严重缺乏的老鼠身上。 相比于移植细胞后不表达CD271的老鼠, 他们发现表达CD271的细胞更易导致癌症发生，这个比率分别是70%和7%。另外，仅有一个新产生的肿瘤不是由于移植了CD271阳性细胞导致的，这表明含有这个标记的细胞能够自我更新并分化形成其他类型的肿瘤细胞。研究人员将正常人类皮肤移植到免疫系统受损的老鼠背部，并在皮肤中注入黑素瘤细胞。结果发现，只有那些注入了能表达CD271的细胞的老鼠形成了肿瘤并出现肺转移。对于是否肿瘤起源细胞也会表达常见细胞抗原，研究人员发现表达CD271的细胞或完全或部分缺失TYR, MART和MAGE这三种常见治疗靶标的表达能力，在黑素瘤患者中的缺失比例分别是86%，69%和68%。这大概也是黑素瘤患者经常复发的原因。
　　Boiko博士认为，利用这项研究结果有望开发疗法，靶向定位表达CD271的细胞。通过联合疗法或能有效杀死肿瘤中的两种细胞以预防疾病的复发。
【点评】
肿瘤起源细胞或肿瘤干细胞的发现对于深入理解肿瘤的发生有重要意义，而它在所有肿瘤中的普遍存在将对癌症的治疗产生重大影响。然而，如果不能治理肿瘤干细胞产生的环境，就无法根本上预防新生肿瘤的出现或癌症的复发。该研究采取了同徐荣祥当年研究K-19皮肤干细胞一样的方式，从人体直接取样不再体外培养，从而避免细胞尤其是干细胞的进一步变化。

【原文摘录】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. 骨形态发生蛋白维护神经干细胞储备
　　【摘要】 大脑中的干细胞在被唤醒来分化补充神经细胞前一直是休眠的。是什么让它们保持休眠，一直知之甚少。7月份发表在《细胞干细胞》上的一项研究给我们提供了更多这方面的信息。该研究发现了骨形态发生蛋白（BMP）信号在成体一生中维护神经干细胞储备的重要性，同时也可能提供了理解运动锻炼、衰老和神经形成之间关系的重要线索。海马区中的成体神经干细胞在一生中会产生新的脑细胞来维持其数量。该研究发现BMPs与它们的受体之间相互作用产生的BMP信号在绝大多数正在增殖的细胞中是不出现的，而在静止的干细胞和已分化的神经细胞等非分化中细胞中BMP却很活跃。神经干细胞培养试验也显示的确是BMP使它们保持静止。
【点评】
　　该研究初步揭示了神经干细胞休眠的机制，对于我们研究潜能再生细胞可能有借鉴意义。

【原文摘录】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. 美科学家通过干细胞移植制造仿生肺脏
【摘要】新华社 发布时间：2010-6-28 9:24:29
　　美国两组研究人员6月24日分别公布研究成果称，他们在肺脏再生研究领域取得了重要进展，相关成果将来有望应用于器官移植以及新药测试。在第一项研究中，耶鲁大学的研究人员将人工培育的肺脏植入实验鼠体内，在短时间内，这种人工培育肺脏能像正常肺脏一样交换氧气和二氧化碳。 研究人员首先将实验鼠自身的肺脏切除，只保留其中的细胞外基质、肺气道的枝状结构及血管等物质，作为新肺细胞成长的“架子”。随后，研究人员在“架子”中注入可定向发展为肺细胞的干细胞，并将“架子”放入一个生物反应器中，后者可以模拟实验鼠胚胎期肺部成长环境。由此培育的新肺植入实验鼠体内后，可在两小时内发挥与正常肺一样的功能。但超过两小时后，实验鼠肺部开始出现血栓。领导这项研究的耶鲁大学工程和应用科学学院教授劳拉•尼克拉松表示，这只是在肺脏再生研究领域迈出的一小步，要真正实现利用干细胞培育出完整人肺以及最终实现移植还需很多年。在第二项研究中，哈佛大学和波士顿儿童医院利用血管细胞制成只有豌豆大小的“芯片肺”。这种“芯片肺”由肺细胞、渗透膜以及毛细血管组成，可以模拟肺泡的功能。研究人员表示，“芯片肺”可望应用于检验新药效果以及人体肺部毒素影响。
【点评】
　　相比于意大利人在气管再造的临床实践，该项研究涉及更大的器官，但技术也相对更不成熟，在自体器官支架上植入干细胞培育形成的新肺脏能在移植到实验鼠体内后仅能工作两小时。虽然对于器官移植技术来讲，这可能是个有趣的尝试，但是对于临床治疗而言，该技术还体现不出什么价值。

6. 日本利用ips细胞在老鼠体内培育出造血干细胞
【摘要】新华网 发布时间：2010-6-28 15:48:42
　　日本东京大学研究小组日前宣布，他们成功利用诱导多功能干细胞（iPS细胞）在老鼠体内培育出造血干细胞，且将其移植到其他老鼠体内后，仍能成功造血。该成果为白血病等疾病的治疗提供了新希望。研究人员首先从老鼠尾巴上提取细胞培育出iPS细胞，然后与促进iPS细胞向造血干细胞转变的物质一起移植回老鼠体内。约3个月后，研究人员在老鼠骨髓中发现了由iPS细胞生成的造血干细胞，并确认其能正常发挥造血功能。随后，研究人员提取这种造血干细胞，并将其移植到自身造血干细胞被破坏的老鼠体内。经过一段时间后，研究人员在这些老鼠的骨髓中同样发现了能正常造血的干细胞。目前，研究小组正在研究将人的iPS细胞移植到老鼠体内后，是否会出现类似结果。
研究人员指出，如果能找到一种新方法，即利用人的iPS细胞在正常人体内培育出造血干细胞，然后移植到白血病等患者体内，那么就有可能开发出能替代骨髓移植的新疗法。
【点评】
　　该研究结果显示在老鼠体内试验中ips细胞能产生造血干细胞并发挥正常造血功能，但是在确认该技术是否实用前还必须通过更多动物实验来验证其真实性和没有诱发肿瘤的风险，而ips细胞的本质往往使其经常会诱生肿瘤。