一只单细胞可以在小鼠体内重新填充受损的骨骼肌，斯坦福大学医学院的科学家们表示，他们设计了一种在活体动物中追踪细胞命运的方法。这项研究首次证实了环绕肌纤维的所谓卫星细胞中隐藏着难以捉摸的肌肉干细胞。
在人类中识别和分离出这样的细胞，对于肌肉萎缩症、损伤以及因衰老、废用或疾病导致的肌肉萎缩等疾病，具有深远的治疗意义。
“我们能够在单细胞水平上证明，这些细胞是真正的、多能干细胞，”唐纳德·E·和迪莉娅·B·巴克斯特药理学教授海伦·布劳博士说。“它们符合经典定义：既能自我更新，又能产生专门化的后代。”布劳是该研究的资深作者，该研究将于9月17日发表在《自然》杂志在线版上。
“我们对结果感到非常兴奋，”布劳实验室的高级研究员、该研究的第一作者亚历山德拉·萨科博士说。“人们早就知道这些卫星细胞对肌肉组织的再生至关重要，但这是首次在单细胞水平上证明其自我更新能力。”
人体质量的十分之一是骨骼肌。卫星细胞驻留在肌纤维与其薄膜状鞘之间，等待在运动或创伤导致肌纤维受损时迅速采取行动。必要时，它们开始分裂以产生更多专门化的肌肉细胞。然而，仅凭这一特性并不能使其成为干细胞。成为干细胞的必要条件还包括能够自我复制以供将来使用。
尽管许多研究人员怀疑卫星细胞群体中包含肌肉干细胞，但很难证明，因为并非所有卫星细胞都是相同的。有可能是一个亚群负责产生大量专门化的肌肉细胞，而另一个亚群则负责补充卫星细胞的供应。
这种分而治之的方法可能很有效，但在临床应用上，它无法与识别出真正干细胞的潜力相提并论。然而，分析单个细胞的具体特性在技术上非常困难，通常需要花费数百小时对来自许多实验动物的组织切片进行细致的显微镜分析。
萨科使用了一种技巧来克服这些障碍。她从一只经过基因工程改造、能表达一种发光蛋白（荧光素酶，最初在萤火虫中发现）的小鼠中分离出卫星细胞。然后，她利用斯坦福大学开发的一种新型成像技术，在将这些细胞移植到不表达该蛋白的活体动物中后，追踪它们的命运。由于这种非侵入性方法允许对同一动物进行重复成像，因此研究所需的小鼠更少。
“能够通过生物发光检测到这些细胞的存在，确实是一个突破，”巴克斯特遗传药理学实验室主任布劳说。“它让我们学到了更多。我们可以看到细胞是如何反应的，并真正监测它们的动态。”
萨科将单个表达发光蛋白的卫星细胞移植到144只小鼠的后腿肌肉中；在其中6只小鼠中，这些细胞在受体的现有肌肉中继续增殖和自我更新。相对较低的成功率很可能部分归因于并非所有卫星细胞都是干细胞，以及在一个细胞分离和移植过程中保持其存活和健康的难度。
这六只小鼠的后腿肌肉中，充满了20,000到80,000个原始卫星细胞的发光后代。许多细胞形成了新的肌纤维，或与受体的肌纤维融合。最令人兴奋的是，其中一些发光的细胞表达了仅属于卫星细胞的特定细胞标记，表明原始细胞也在制造更多的自身副本，并证实了其干细胞身份。
在另一组实验中，萨科和同事们将10到500个表达发光蛋白的卫星细胞移植到每只小鼠的后腿肌肉中。这些细胞也成功植入并广泛增殖，移植后数量增加了约一百倍，响应肌肉损伤后又增加了约一百倍。它们通过形成新纤维和与受损纤维融合，对受体的肌肉做出了广泛贡献。此外，一旦增援需求得到满足，卫星干细胞就停止了增殖；也就是说，与肿瘤细胞不同，移植的细胞对局部信号有反应。
最后，研究人员能够通过反复造成损伤，诱导发光卫星细胞产生第二和第三波增殖，表明干细胞功能随时间持续存在。
“现在我们可以随时间监测同一只小鼠，并观察各种治疗如何影响肌肉再生，”萨科说。她和她的合作者现在正将注意力转向从人类体内分离类似的肌肉干细胞。
除了视觉上追踪发光细胞的命运外，研究人员还可以利用信号强度来评估干细胞在各种条件下救援反应的速度和强度——这一重要特性将使研究人员能够直接比较假定的干细胞在多种损伤和疾病模型中的功能。
“这项技术提供了第一种在实体组织中比较干细胞的定量方法，”布劳说。“通过提供一种评估一系列干细胞疗法在多种组织中疗效的方法，我相信它不仅会对再生医学中肌肉干细胞的研究产生重大影响，而且会对整个干细胞领域产生重大影响。”
来源：斯坦福大学
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