胚胎干细胞可培育出红细胞
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● 红细胞的成熟过程
● 胚胎干细胞来源的红细胞有生理功能
● 胚胎干细胞来源的红细胞可能成为万能血源
美国科学家近日报告,利用人胚胎干细胞可以在实验室培育出有携带氧功能的成熟红细胞,这个成果将可能解决个别血型血源紧缺的问题,也可帮助避免输血相关疾病的发生。该文于2008年8月19日在线发表于《血液》(Blood)杂志上。
红细胞的成熟过程
红细胞成熟时没有细胞核和细胞器,胞质内充满血红蛋白,具有携带氧气和二氧化碳的功能。因为红细胞膜上存在ABO血型抗原,因此在输血之前需要检测血型。
成年人的红细胞主要来源于分布在胸骨、椎骨、肋骨等扁骨内的红骨髓。红骨髓中的髓系多能干细胞能分化成红系定向祖细胞,红系定向祖细胞在促红细胞生成素的作用下,能增殖分化为原红母细胞。原红细胞经过有丝分裂、增殖成为网织红细胞,进而成为成熟红细胞。
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此前已有研究证实,人胚胎干细胞有分化成红系、髓系、巨核系和淋巴系细胞的潜力,也有试验者曾用人胚胎干细胞培育出了原始红系细胞,但是用人胚胎干细胞培育红细胞的效率,培育出红细胞携带氧气的能力等问题一直有待解答。
来源于胚胎干细胞的红细胞
此次美国马萨诸塞先进细胞技术(Advanced Cell Technology)公司的卢(Lu)等以人胚胎干细胞为“原材料”,通过一系列营养素和生长因子,培育出了成红细胞,并成功地实现了成红细胞向成熟、有功能红细胞的转化。
有生理功能
研究者报告,其培育出的红细胞95%以上都有细胞核,比成熟红细胞大,平均直径约10 μm(图1)。经染色发现,这些红细胞的胞质中含丰富的血红蛋白。免疫特征分析结果表明,这些红细胞中,超过65%表达胚胎血红蛋白(HbF),超过75%呈CD71阳性,30%表达CD235a,但是大多数细胞没有表达骨髓单核细胞和巨核细胞抗原(CD14、CD15和CD41)以及祖细胞抗原(CD34、CD35及CD36)。
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功能分析表明,以胚胎干细胞为来源的红细胞,其氧解离曲线与成人红细胞极其相似(图2)。此外,来源于胚胎干细胞的红细胞,其物理(玻尔效应)和化学性质(pH值)也与成人红细胞相近。这些结果表明,来源于胚胎干细胞的红细胞其携带氧气的能力与正常成年人的红细胞相近。
向万能血源迈进
通过RhD血型分析发现,在几种胚胎干细胞系中,来源于MA01的红细胞为RhD阳性,来源于MA99的为RhD阴性。通过ABO血型分析发现,MA01系来源的红细胞表达A抗原,MA99系来源的红细胞表达B抗原,WA01系来源的红细胞既不表达A抗原也不表达B抗原。因此WA01系来源的红细胞属于O型,MA01来源的红细胞属于A型RhD阳性,MA99来源的红细胞属于B型RhD阴性。
将来如果能够找到一种人胚胎干细胞系,培养出的红细胞为O型RhD阴性,那么这种人工红细胞将可能成为万能血源。
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改造为成熟红细胞
来源于人胚胎干细胞的成红细胞,若要在体外环境下成为成熟红细胞,去核是关键的一步。研究者发现,法国学者曾于《自然生物技术》杂志(Nat Biotechnol 2005,23:69)报告的方法——用造血干细胞悬浮培养基(Stemline Ⅱ)加细胞因子等,可以使来源于胚胎干细胞的红细胞生长、成熟、去核,效率显著高于其他培养条件。在此研究中,大约30%~65%的原红细胞成功去核,成为与正常成人红细胞尺寸相似的细胞(图3a和图3b)。研究者进一步分析去核过程,发现红细胞尺寸和细胞核与细胞质的比值逐渐减小。联苯胺(benzidine)染色表明,红细胞中的血红蛋白逐渐积累,细胞尺寸逐渐减小(图4)。
展望:更广阔的红细胞来源
前段时间曾有研究表明,人体细胞可被重新“编程”,回到干细胞的状态,成为被诱导多能干细胞(iPSC)。研究者之一兰扎(Lanza)大胆设想,如果找到血型为O型RhD阴性者提供体细胞,重新编程回到iPSC,再用其iPSC培养出红细胞,那么这样O型RhD阴性的红细胞将可能解决目前输血相关的一系列问题,包括血源紧张、输血传播疾病等。
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实验室培育出红细胞
图1 用胚胎干细胞培育出的红细胞形态(放大1000倍)
图2 正常人红细胞与培育出红细胞的氧解离曲线极其接近
图3a 培养出的原红细胞去核后形态(放大1000倍)
图3b 人血中红细胞的形态(放大1000倍)
图4 红细胞去核过程
研究者以人胚胎干细胞为“原料”,培育出与人正常红细胞形态和功能接近的成红细胞,经过去核这一关键步骤,成红细胞成功变为没有细胞核的成熟红细胞。
(来源:《血液》杂志2008年8月19日在线发表), http://www.100md.com