iPSC与类器官技术为再生医学治疗人类颅面损伤及面部缺陷又添力证！科学家通过一种全新的细胞分化方案，从胚胎干细胞和通过神经嵴细胞中间体诱导的多能干细胞衍生出自组织颅面软骨类器官。相关研究[1]被刊登在《iScience》（影响因子IF=5.80)期刊上。该研究开辟了再生医学产生颅面软骨组织的新路径，促使人们深入了解颅面软骨发育的细胞过程，为探索先天性颅面畸形及面部损伤问题奠定了科研基础。
颅骨和面部结构的损伤或畸形可能由多种因素引起，包括先天性颅面缺陷、头颈癌治疗造成的损伤以及创伤性面部损伤。这些病例不仅影响患者基本面部功能，还可能导致或促成其心理疾病，引发一系列社会问题。
然而，传统的修复和整形外科手术在重建自然特征上仍存在困难，同时，由于移植的异体组织经常被接受者在没有免疫抑制剂的情况下产生免疫排斥反应，甚至由于供体部位的损伤、供体材料等因素而受限。
目前已知神经嵴（neural crest）是颅面软骨的正常发育途径，遗憾的是，关于调控神经嵴分化为颅面软骨细胞的关键细胞信号通路的知识，尚十分有限。所幸随着再生医学的发展，人类诱导多能干细胞（iPSC）和类器官技术的出现为治疗颅面部缺陷带来了新希望。
近日，来自美国蒙大拿大学等机构的科学家们通过研究发现了一种能产生人类头颈部软骨的新方法。研究人员开发了一种分化方案，从人类胚胎干细胞（hESC）和通过神经嵴细胞中间体诱导多能干细胞（iPSC）生成自组织颅面软骨类器官。
根据蛋白质和翻译后修饰（PTM）质谱和snRNA-seq数据显示，软骨细胞类器官表达了高水平的软骨细胞外基质（ECM）成分，这不仅创造另一个结构弹性的基质来定义软骨，而且在决定软骨细胞命运方面也起着关键的自分泌细胞信号传导作用。
该研究促使人们更深入了解颅面软骨发育的细胞过程，其研究数据为进一步研究人类颅面发育提供了宝贵资源，也为探索先天性颅面畸形的发生机理及恢复头面部软骨结构奠定了科研基础。
01
颅面软骨类器官
开辟颅面重建新路径
这个颅面软骨类器官的产生与神经嵴细胞关系密切。
神经嵴细胞（neural crest cells，NCC）仅限于脊椎动物的发育细胞谱系，有时被认为是第四胚层，是一种胚胎发育过程中的过渡性多能细胞。
在发育过程中，NCC开始分化成许多不同的细胞类型，包括周围神经系统细胞、黑色素细胞、平滑肌以及颅面软骨和骨骼。
根据其沿发育胚胎尾轴的位置和迁移模式，NCC可进一步分为四个主要群体：颅神经嵴细胞（CNCC）、心脏神经嵴细胞（CaNCC）、迷走神经嵴细胞（VNCC）和躯干神经嵴细胞（TNCC）。
其中，颅神经嵴细胞最终分化为颅面软骨和骨骼，以及神经胶质细胞、雪旺细胞和颅感觉胶质细胞。
为了模拟人类颅面软骨的发育，研究人员从人类胚胎干细胞（hESC）和通过神经嵴细胞中间体诱导多能干细胞（iPSC）生成颅面软骨类器官。
研究人员首先将人类胚胎干细胞（hESC）分化为神经嵴干细胞（NCSC）中间体，他们整合了之前发表的几个方案，目的是缩短这一分化阶段，并在优化产量的同时尽快产生NCSC中间体。
在不受干扰约52小时后，汇合的NCSC一起迁移并自组织成培养皿表面的大致球形生长物。一旦形成，这些类器官就会从培养皿表面分离并漂浮在细胞培养基中。随后，残留在培养皿表面的细胞表现出迁移软骨细胞前体的形态。（如下图）
经过培养，细胞汇合通常保持在50%左右，局部密集的细胞斑块开始迁移到新的生长中。最大的收获类器官直径为1厘米（如上图），并且可以将产生类器官的培养皿维持长达一年。
这项研究中，科研人员通过分析基因在RNA和蛋白质层面的表达情况，揭示了干细胞如何逐步分化为软骨细胞，他们发现，干细胞能在早期阶段相互交流并成为组成人类耳朵的弹性软骨（elastic cartilage）。
为了实现这一目标，研究人员利用广泛的生物标记物分析和机器学习模式识别技术来理解细胞分化为软骨时所涉及的细胞信号通路。通过对颅面软骨细胞类器官中的基因表达和蛋白质组学进行了彻底分析，主要着眼于识别驱动分化的细胞信号通路。
大量的旁分泌信号相互作用表明新生软骨细胞和间充质细胞之间存在功能关系，因此这两种细胞类型都可以被认为是软骨激素。该研究表明生长因子配体-受体通路启动软骨生成，软骨细胞外基质（ECM）成分（ECM成分不仅定义了软骨的物理特性，而且还作为前馈信号，在指定和巩固软骨细胞命运方面发挥着深刻的自分泌信号作用）被诱导进一步推动软骨生成。
在早期分化培养物中，不仅间充质和软骨细胞群以旁分泌方式相互发出信号，而且两种细胞类型在生长的类器官的外表面保持其身份和功能相互作用，以产生颅面软骨。
论文研究者之一Mak Grimes说:“要在实验室中使用患者来源的干细胞生成颅面软骨，你需要了解人类特有的分化机制。”“我们的目标是开发一种用于人类移植的颅面软骨生成方案干细胞。”[2]
当下整形外科技术在重塑如人类耳朵、鼻子或咽喉等复杂自然特征方面仍面临挑战，并且移植的组织在没有免疫抑制剂保护的情况下，容易产生免疫排斥反应。而利用人类胚胎干细胞和iPSC衍生的干细胞在实验室培育的颅面软骨类器官，或可实现生长因子的自分泌循环。该颅面软骨类器官能持续长达1年时间的体外培养，最终可形成直径达1厘米的成熟结构。
综上，通过iPSC和类器官技术，开辟了人类颅面缺陷的新疗法，可为颅面缺陷和面部整形提供自体的软骨组织，避免了供体部位的损伤和免疫排斥。该研究促使人们更深入了解颅面软骨发育的细胞过程，其研究数据为进一步研究人类颅面发育提供了宝贵资源，也为探索先天性颅面畸形的发生机理及恢复头面部软骨结构奠定了科研基础。
随着类器官技术的不断精进，我们有理由相信，类器官技术将在再生医学，甚至医美领域发挥越来越重要的作用，为患者带来更多的治疗选择和更好的治疗效果。
02
iPSC及类器官技术
探索再生医学新天地
类器官作为再生医学领域的重要前沿科技，是一种高仿真的微型器官模型，它不仅再现了器官的结构特征，还能模拟其在体内的基因表达模式，成为科学家研究人体组织和器官及疾病机制的极佳实验场所。近年来，随着越来越多国家对iPSC及类器官技术的高度重视，已经出现了一些应用于临床前试验的案例。
“角膜再生”
角膜病是全球第二大致盲眼病。
由于可用的角膜供体数量有限，与庞大的患者群体不匹配；另外由于化学烧伤等特殊损伤的患者，其角膜干细胞缺失，无法用传统的角膜移植疗法。干细胞疗法就是一种行之有效的创新手段。
哈佛大学的研究人员研发了一种新方法——在体外通过人羊膜来源干细胞来培养角膜上皮细胞（CALEC）。经过I期临床试验，4名患者的视力得到恢复。该研究[3]的成功有望为角膜疾病患者的治疗提供新的手段，为更多眼疾患者带去“光明”和希望。
在I期临床测试中，对于所有接受活检的受试者，供体眼睛均痊愈，没有并发症，视力在 4 周内恢复到基线水平，均未发生重大安全事件。
随访一年后，患者角膜表面愈合,其中两名患者可以接受角膜移植，两名患者在没有更多治疗的情况下视力有所改善。
“牙齿再生”
超过90%的成年人的牙釉质部分受损，影响咀嚼，牙齿功能逐渐丧失。由于牙釉质无法再生，需要补牙或完全拔除。
过去的研究主要使用小鼠模型进行牙齿发育的研究，但小鼠与人类牙齿在形态、发育时间和序列等方面存在显著差异。令人兴奋的是，一项最新研究[4]仿佛宣告了牙釉质损伤后的“可逆”“可修复！
来自西雅图华盛顿大学的科研团队通过对牙母细胞的诱导分化，培养出可以分泌牙釉质蛋白的牙齿类器官。其细胞结构类似于发育中的人类牙齿结构，并可分泌出三种关键的牙釉质蛋白（釉母细胞蛋白、釉原蛋白和釉质蛋白），这些蛋白质会形成一个基质，随后矿化成类似釉质的组织。
该研究为深入了解人类牙齿的发育过程，寻找治疗与牙釉质相关疾病开辟了新方法。干细胞衍生牙齿类器官的出现，预示着“活填充物”和“再生牙科”时代即将到来，有望开启人类牙科疗法的新篇章，造福饱受牙损伤折磨的人类。
iPSC技术和类器官技术预示着再生医学的未来将发生革命性的变化。iPSCs的多能性结合类器官的组织特异性，为个性化医疗提供了强大的工具，能够针对个体的遗传背景定制治疗方案。这些技术的发展有望实现受损或疾病器官的功能性修复或替换，解决供体器官短缺的问题，并减少免疫排斥反应，实现更高效、更个性化的治疗方案。随着技术成熟，未来可能实现从实验室到临床的广泛应用，在再生医学领域取得更多成就。
Write in the last
写在最后
类器官技术在再生医学领域的一项重要进展，除了用于疾病建模、药物测试、毒性评估和个性化治疗之外，在器官移植领域也有巨大潜力。类器官模型作为研究器官再生和修复的理想工具，有助于开发促进组织修复和再生的新疗法，这将推动再生医学的发展，颠覆器官移植方式，为未来个性化治疗之提供创新思路。
参考文献：
[1] Lauren Foltz et al, Craniofacial Chondrogenesis in Organoids from Human Stem Cell-Derived Neural Crest Cells, iScience (2024). DOI: 10.1016/j.isci.2024.109585
[2] https://medicalxpress.com/news/2024-04-team-generate-human-cartilage.html#google_vignette
[3] Ula V. Jurkunas et al. ,Cultivated autologous limbal epithelial cell (CALEC) transplantation: Development of manufacturing process and clinical evaluation of feasibility and safety.Sci. Adv.9,eadg 6470(2023). DOI:10.1126/sciadv.adg6470
[4] Ammar Alghadeer，Sesha Hanson-Drury, et al, Single-cell census of human tooth development enables generation of human enamel,Developmental Cell(2023),DOI:https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.07.013
（一审：谢振华 二审：余画 三审：谭登）
免责声明：华声在线对文中陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。文章仅是作者个人观点，不应作为投资依据。读者应详细了解所有相关投资风险，并请自行承担全部责任。
文章是网络作者投稿发布，版权归投稿作者所有。作者应对文章及图片的真实性及版权负责。一旦因此引发版权纠纷，权利人提出异议，华声在线将根据相关法律法规的规定，删除相应内容。侵权责任由投稿者自行承担，如由此造成华声在线损失，投稿者应承担赔偿责任。如对本文有任何异议，请联系我们38160107#（#改成@）qq.com。
