在一個新研究項目中，美國杜克大學的生物工程師們展示了如何利用誘導多能幹細胞培養出具有功能的人體肌肉。這是科學家們第一次證明從零開始培養人體肌肉組織是可能的，隻需要誘導皮膚細胞成為幹細胞，然後再用這些細胞生成肌肉組織。該研究發表在《Nature Communications》期刊上。

        在此之前，該團隊曾經培養出具有功能的人類肌肉，這種肌肉能夠在應對電流等刺激時收縮，當時他們使用的是來自人類誌願者的一小塊肌肉。

        雖然過去的研究成功地利用人類肌肉培養出了新的肌肉，但是這項新研究要複雜得多，因為最終生成的肌肉組織並不依賴於肌肉。此外，從非肌肉組織生成肌肉的能力可以幫助科學家們培養出更多的此類細胞。這項新技術將比基因編輯和細胞療法更加實用。這也使得定製稀有肌肉疾病如肌營養不良症或用於新藥研發的測試物質的定製治療成為可能。

        這一切都是從人類誘導的多能幹細胞(iPSCs)開始的，這些細胞是已被重新編程恢複到原始狀態的成人非肌肉組織，如皮膚或血液。就像任何幹細胞一樣，iPSC可以被編程分化成任何種類的組織。在該研究中，科學家們將信號分子Pax7作用於iPSC，Pax7能夠觸發細胞形成肌肉的過程。

        杜克大學的生物醫學工程教授Nenad Bursac解釋說：“利用非肌肉細胞(能夠成為身體中所有現有的細胞種類)的多能幹細胞使我們能夠培養出數量不受限製的肌原性始祖細胞。這些細胞非常像成年人的肌肉幹細胞，即所謂的衛星細胞，理論上來說，單個這種細胞就可以形成一個完整的肌肉組織。”

        讀到這裏時，也許你覺得這很容易，但事實是，Bursac和同事們經曆了多年的反複試驗才得到正確的答案。使細胞增殖成為具有功能的骨髓肌的一個重要突破是，引入了一種獨特的細胞培養條件和三維矩陣，而非過去使用的二維矩陣培養方法。通過這種方法，細胞可以生長得更加快速，且存活時間更長。

        一旦這些細胞到達臨界閾值，科學家們就停止使用Pax7，並為細胞提供所需的支持和營養，使細胞能夠完全成熟。

        在經過了二到四周的三維培養之後，這些肌肉細胞聚集成為能夠收縮的肌肉纖維，並對電脈衝和生物化學信號做出響應，就像自然的肌肉對神經輸入的反應一樣。

        將實驗室生長的肌肉纖維植入成年小鼠後進行測試。研究人員們在小鼠後背上開了一個小“窗口”，從而能夠觀察到肌肉在齧齒類動物的體內表現如何。這些肌肉能夠生存並正常工作至少三周，在此期間，它通過血管化逐漸地與天然組織結合在一起。

        不幸的是，研究人員培養出的這些肌肉組織並不像自身組織那樣強壯，也不如從肌肉樣本培養出的肌肉強壯。然而，相比於其他技術(比如利用組織切片)，該技術能夠利用少量細胞培養出大量具有多功能性的細胞。此外，該團隊培養出的新肌肉也許能夠提供特殊的細胞庫，可以在受傷或運動之後被肌肉用來使自己再生，這是天然肌肉組織的重要特性。相反，肌肉組織樣本隻能提供很少的細胞儲備庫。

        Bursac說：“我們非常感興趣將該技術應用於罕見疾病治療的研究。如果兒童的肌肉因杜氏肌營養不良症而開始萎縮，那麼再從孩子的身上本就不多的肌肉中采集樣本就非常不人道了，這會對他們造成進一步的傷害。但是利用這種技術，我們隻需要一小部分的非肌肉組織，比如皮膚或血液，就可以將這些細胞恢複至原始狀態，並將它們最終培養為數量不限的具有功能的肌肉纖維組織。”

        原始出處：

        Lingjun Rao，et al.，Engineering human pluripotent stem cells into a functional skeletal muscle tissue.Nat Commun.9， Article number： 126 (2018).