研究人员培育出罕见眼部血管细胞以阻止视力丧失 - 干细胞与抗衰老

摘要：视网膜血管疾病，包括糖尿病视网膜病变，影响数百万人，是导致失明的主要原因之一。由于视网膜在技术上是中枢神经系统的延伸，它受到高度选择性的血-视网膜屏障的保护，该屏障过滤能够进入或离开眼部组织的物质。

这一屏障由复杂的、局部的内层特殊视网膜内皮细胞与周细胞和星形胶质细胞共同形成。由于这些确切的细胞不在身体其他部位发育，从头开始获取可靠的供应来模拟疾病或修复组织一直是生物医学工程领域长期存在、成本高昂且供应受限的瓶颈。

在一项新研究中，研究人员首次成功地从诱导多能干细胞(iPSCs)培育出高度特化的视网膜内皮细胞。研究团队开发了一种定制的生长因子混合物，成功引导标准干细胞模拟眼部血管的精确生理行为。当注射到视网膜疾病动物模型中时，这些实验室培育的细胞无缝整合到受损组织中，完全再生退化的血管，强化血-视网膜屏障，并完全恢复视网膜功能。

关键事实

iPSC重编程范式：研究团队没有直接从人体组织捐赠者处采集稀缺、昂贵且高度可变的内皮细胞，而是利用被重编程回原始干细胞状态的成年细胞（iPSCs），生成无限、标准化的供应。
生长因子混合物：为实现这一目标，研究人员首先将iPSCs培养成常见的血管内皮细胞。然后，他们部署了一种特殊、针对性的生物化学生长因子混合物，永久性地引导它们转变为视网膜独有的超特异性内皮细胞。
模拟糖尿病视网膜病变：在实验室工作台上，科学家成功地促使这些新组织组织成功能性血管网络。当暴露于低氧（缺氧）和高葡萄糖状态时，实验室培育的网络会像糖尿病视网膜病变在真实人类患者中降解血管一样分解，从而创建了一个完美的药物发现测试平台。
预防性体内整合：当注射到表现出薄弱、无结构视网膜血管的小鼠模型中时，iPSC衍生的细胞成功导航到损伤部位，融入现有宿主基质，并在视力丧失发生前构建具有强化屏障的强健血管。
商业化与专利状态：基于这些体外建模和体内治疗的双重里程碑，杜克大学已申请专利，涵盖基于干细胞的细胞疗法和用于自动化药物测试的特殊平台。

来源：杜克大学

杜克大学的生物医学工程师首次利用诱导多能干细胞(iPSCs)培育出对视网膜健康至关重要的特殊血细胞。

当注射到视网膜疾病小鼠模型中时，这些"视网膜内皮细胞"整合到受损组织中，以再生血管并恢复视网膜功能。研究人员还证明了这些细胞在实验室培育环境中形成功能性视网膜血管组织的能力，为模拟和研究各种眼疾提供了途径。

![由Sharon Gerecht博士和Parker Esswein设计的干细胞分化协议标志着首次成功在实验室中从iPSCs生成人类视网膜内皮细胞，建立了一个可扩展的平台，能够准确模拟糖尿病视网膜病变并积极再生受损的眼部血管。]

这项研究成果于6月30日在线发表在《自然生物医学工程》杂志上，由国家眼科研究所和NASA通过联邦资金资助，指向了利用这些视网膜细胞和模型开发新的有效视力丧失治疗方法和眼科疾病研究的潜力。

"视网膜血管疾病影响了美国数百万人，但我们对其理解仍然有限，阻碍了我们发现和开发新疗法的能力，"杜克大学生物医学工程杰出教授兼系主任Sharon Gerecht说。"利用人类干细胞，我们生成了视网膜血管中发现的细胞，为新的治疗方法铺平了道路。"

"眼睛是灵魂之窗"这句老话比人们想象的更为准确。视网膜（眼睛后部检测光线的部分）的神经元直接延伸到大脑，从技术上讲，眼睛是中枢神经系统的一部分。

与大脑一样，视网膜也有一个血屏障，严格控制进入和离开的物质，如氧气、营养物质、水以及药物。虽然这一屏障使视网膜保持健康并相对免受致病因子侵害，但也使得治疗视网膜变得困难。

这一屏障由血管组织形成，包括视网膜内皮细胞（形成血管内层）的紧密网络，与称为周细胞和星形胶质细胞的其他特化细胞协同工作。这些细胞的特异性以及它们不在身体其他区域形成的事实，使得这种复杂组织难以愈合或从头生长。

"当这种特化的血管组织开始分解时，可能会导致许多导致视力丧失的不同疾病，"在Gerecht实验室工作的博士生、论文第一共同作者Parker Esswein说。"虽然有视网膜内皮细胞的来源，但能够从头开始持续供应，可能为该领域的工作者提供许多优势。"

目前，这些视网膜内皮细胞是从真实患者收集和培养的，这使得它们相对昂贵且供应有限。为了扩大获取途径、降低成本并控制变异性，Gerecht实验室希望看看他们是否能够从iPSCs中培育它们。这些本质上是被重新编程为原始版本的成熟成年细胞，然后可以生长成多种其他细胞类型。

为此，Gerecht实验室的前博士生Ying-Yu Lin和Esswein采用了商业iPSCs，并使用一种成熟的程序让它们生长成形成身体大多数血管内层的普通内皮细胞。然后，研究人员使用一种特殊的生长因子混合物，引导这些细胞转变为视网膜中发现的特定类型的内皮细胞。

一旦成功，研究人员就开始测试他们的新创造物。

在实验台实验中，研究团队能够让细胞形成与体内相同的网络和结构。然后，他们将这些实验室培育的组织置于低氧和高葡萄糖水平下，这些是有害条件，通常在真实人体中出现。这些条件是糖尿病视网膜病变的根本原因，这是美国工作年龄人群中视力丧失的主要原因，导致组织屏障像患者中一样分解。

然后，研究人员尝试将实验室培育的细胞作为具有薄弱、无结构视网膜血管的小鼠模型的疗法。在实际视力丧失发生之前注射到小鼠体内时，这些细胞成功整合到现有组织中，并帮助开发具有强健屏障的强健血管。

"测试表明，这些实验室培育的细胞有望用于预防性治疗，特别是因为使用我们的技术，它们应该更容易且更便宜地获得，"Esswein说。"虽然我们的实验台实验没有尝试在这些研究中模拟各种特定的眼部疾病，但我们有信心我们可以在实验室中创建出色的人体组织模型，以帮助更好地理解这些疾病并发现治疗方法。"

展望未来，研究人员计划在实验室中以及通过新兴的行业合作伙伴关系探索这些视网膜内皮细胞的潜在用途。该团队还有一项专利正在申请中，涵盖了基于干细胞的疗法和用于药物发现和测试的体外建模。

资金：这项工作得到了美国国立卫生研究院(EY035853)、通过NASA合作协定NNX16AO69A来自转化研究所的SNT0101、国家科学基金会研究奖学金计划以及国家国防科学与工程研究生奖学金计划的支持。

关键问题解答：

问：为什么我们眼睛中的血管比身体其他部位的血管更难研究和愈合？

答：眼睛实际上是中枢神经系统的前哨，你的视网膜神经元直接连接到大脑。因此，视网膜具有一个受到严格保护的血屏障，由紧密编织的超特化视网膜内皮细胞内层形成。这些细胞充当严格的安保人员，精确控制进入的营养物质，并将有害物质拒之门外。由于这些细胞独特地适应了眼睛的高风险环境，它们不在身体其他部位形成，一旦开始分解，就极其难以获取、研究或愈合。

问：杜克大学的研究团队是如何让基本干细胞变成这些高度排他性的眼部血管细胞的？

答：研究人员使用了诱导多能干细胞(iPSCs)，这些是被重新编程回空白状态的成熟成年细胞。首先，他们使用标准化学配方将这些干细胞转化为普通内皮细胞——这类细胞遍布你身体各处的基本血管内壁。然后是突破：他们将这些普通细胞暴露于一种高度专业化、定制的生物化学生长因子混合物中。这种特殊配方就像化学路线图，引导并迫使普通细胞进一步特化，直到它们转变为视网膜独有的稀有、紧密结合的内皮细胞。

问：是什么使这一发现既成为强大的测试工具，又成为治疗失明的潜在医疗方案？

答：这项技术在两个方面都取得了重大突破。首先，作为测试工具，科学家可以在培养皿中培育这些眼部血管，并让它们暴露于高葡萄糖和低氧条件下。这完美地模拟了糖尿病视网膜病变，使研究人员能够实时观察眼疾破坏组织并在人体细胞上安全测试新药物。其次，作为治疗方法，研究团队将这些实验室培育的细胞注射到眼部血管功能衰竭的小鼠体内。新细胞实际上直接迁移到受损区域，与宿主组织完美整合，并重建了强健、健康的血管，证明它们可以作为预防性细胞疗法，在视力丧失甚至开始之前就阻止它。