杜克大学的生物医学工程师首次利用诱导多能干细胞(iPSCs)培养出对视网膜健康至关重要的特化血管细胞。
当将这些"视网膜内皮细胞"(iRECs)注入视网膜疾病小鼠模型时，它们能够整合到受损组织中，再生血管并恢复视网膜功能。研究团队还证明了这些细胞能在实验室环境中形成功能性视网膜血管组织，为研究各种眼疾提供了新途径。
这些结果表明，利用这些视网膜细胞和模型有可能开发出治疗视力丧失和研究眼疾的新方法。"视网膜血管疾病影响着美国数百万人，但我们对其了解仍然有限，这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博士表示。"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。"
Gerecht是研究人员在《自然·生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)上发表的题为"功能性视网膜内皮细胞从人类多能干细胞的衍生用于治疗和建模"的论文的资深作者和通讯作者。在报告中，作者指出他们的iREC分化策略将"推进细胞治疗和疾病建模，加速视网膜微血管疾病治疗方法的发现。"
"眼睛是心灵的窗户"这句老话比人们想象的更为准确。视网膜（眼睛后部负责感光的部分）的神经元直接延伸至大脑，从技术上讲，眼睛是中枢神经系统的一部分。
与大脑类似，视网膜也有一个血屏障，严格控制着氧气、营养物质、水和药物等物质的进出。虽然这种屏障使视网膜保持健康并相对免受致病因子的侵害，但也使得治疗视网膜变得困难。"由于视网膜持续不断的高强度神经活动，视网膜组织在人体中具有最高的能量和氧气消耗量，"作者进一步解释道。"这种需求导致对维持眼部稳态至关重要的内层血-视网膜屏障(iBRB)产生关键依赖。"
该屏障由血管组织构成，包含紧密排列的视网膜内皮细胞网络（形成血管内层），并与称为周细胞和星形胶质细胞的其他特化细胞协同作用。"iBRB中的视网膜内皮细胞(RECs)是连续的内皮细胞(ECs)，它们形成紧密连接，调节小分子（如离子和水）在其细胞-细胞界面上的扩散，"研究人员继续解释。这些细胞的特异性及其不在人体其他部位形成的事实，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，会导致许多导致视力丧失的疾病，"Gerecht实验室的博士生、该论文的共同第一作者Parker Esswein表示。"虽然已有视网膜内皮细胞的来源，但能够从头开始持续供应这些细胞，可以为该领域的研究人员提供许多优势。"
目前，这些视网膜内皮细胞是从真实患者身上收集和培养的，这使得它们相对昂贵且供应有限。"因此，人类iBRB内皮的可再生来源对于推进眼科研究和治疗开发至关重要，"团队在论文中指出。
为了扩大获取途径、降低成本并控制变异性，Gerecht实验室希望看看是否能从iPSCs中培养这些细胞。这些基本上是经过重编程的成熟成人细胞，使其成为原始版本，然后可以生长成各种其他细胞类型。
为此，Esswein和Gerecht实验室的前博士生Ying-Yu Lin博士采用了商业iPSCs，并使用成熟的程序让它们生长成形成人体大多数血管内层的普通内皮细胞。随后，研究人员使用特制的生长因子混合物，促使这些细胞转变为视网膜中发现的特定类型内皮细胞。"我们通过Wnt-β-catenin信号通路，特别是Norrin-Frizzled4信号，将人类诱导多能干细胞分化为视网膜内皮细胞(iRECs)，"他们解释道。
成功后，研究人员对其开发进行了测试。在台式实验中，研究团队能够让iRECs形成与体内相同的网络和结构。随后，研究团队将这些实验室培养的组织置于低氧和高葡萄糖水平下，这些是现实中常见的人体有害条件。这些条件是糖尿病视网膜病变(DR)的根本原因，而糖尿病视网膜病变是美国工作年龄人群视力丧失的主要原因，会导致组织屏障像患者体内一样崩溃。他们总结道："总体而言，我们能够利用iRECs在2D和3D中稳健地再现DR表型，证明其可用于体外疾病建模，并阐明异常通路和治疗靶点。"
随后，研究人员尝试将实验室培养的细胞作为治疗手段，用于具有薄弱、无结构视网膜血管的小鼠模型。当在实际视力丧失发生前将这些细胞注入小鼠体内时，这些细胞成功整合到现有组织中，并帮助发育出具有强屏障的强健血管。"当注入氧诱导视网膜病变小鼠时，iRECs整合到宿主血管网络中并使缺血眼睛再血管化，拯救了组织，"他们指出。
"测试表明，这些实验室培养的细胞对预防性治疗具有前景，特别是因为使用我们的技术获取它们应该更简单、更便宜，"Esswein表示。"尽管我们的台式实验没有尝试在这些研究中模拟各种特定眼疾，但我们确信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，研究人员计划在其实验室和新兴的产业合作伙伴关系中探索其视网膜内皮细胞的这些潜在用途。该团队还拥有一项待批准的专利，涵盖基于干细胞的治疗和用于药物发现和测试的体外模型。在论文中，他们总结道："我们的研究建立了功能性人类iRECs和微生理iBRB模型，有助于进行旨在识别治疗靶点和促进受损视网膜再血管化的机制研究，从而支持治疗进展。"
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