这张图片显示来自羊水的干细胞当用特异性生长因子处理后在柔软的生物表面上形成类似毛细血管的网络(capillary-like network)。图片来自莱斯大学/得克萨斯州儿童医院。
来自美国莱斯大学和得克萨斯州儿童医院的研究人员将羊水(amniotic fluid)中的干细胞变成形成血管的细胞。他们取得的成就让人们期待这些干细胞可能被用来培养组织补片(tissue patch)以便修复婴儿心脏。
领导这项研究的莱斯大学工程师Jeffrey Jacot说，“我们想开发一种技术利用婴儿丢弃到羊水中的干细胞制造跳动的心脏组织并用它替换有缺陷的组织。我们的发现证明来自羊水的干细胞有这种潜力。”
这项研究是在得克萨斯州儿童医院完成的。2012年1月17日，该研究结果在线发表在Tissue Engineering Part A期刊上。
根据美国心脏协会提供的数据，在美国每年大约有32000名婴儿出生时便有先天性心脏畸形(congenital heart defect)，其中10000名在它们一岁之前要么死亡要么需要接受某种手术治疗。
Jacot希望利用在母亲子宫中被诊断为先天性心脏畸形的胎儿的羊水干细胞培养出心脏补片。他说，因为这些细胞基因匹配，不会发生排斥的风险。
他说，“超声波检测能够探测到60%到80%的严重性心脏缺陷。我们的最终目标是，当在子宫中胎儿被诊断存在心脏缺陷时，我们就提取羊水细胞，这样胎儿出生后，我们然后利用这些来自胎儿自身的羊水细胞制造组织以便修复心脏缺陷。时间安排至关重要，因为手术需要在婴儿出生后几周内开展。”
外科医生当前使用诸如涤纶(Dacron)或铁氟龙(Teflon)之类的在婴儿患者心脏中不发生收缩也不会生长的非生物材料，或者使用天然的心包膜---即包围心脏的膜。心包膜通常会形成疤痕组织，因而只能在第一次手术中使用。Jacot说，这两种方法都需要进一步手术，从而增加心脏停止跳动(cardiac arrest)的风险。
干细胞是每种有机体中能够分化为机体中特化细胞的细胞。人们对之爱恨交加。Jacot说，已知从人胚胎获取的干细胞有很大的治疗缺陷和疾病的潜力，但是对它们进行研究一直因遭受政治压力和其他担忧而受到限制。
他说，对羊水中发现的干细胞而言，这种情形就不存在。羊水是保护和滋养母亲子宫中胎儿的液体。羊水有时是通过羊膜穿刺术从孕妇身上获取的，但是Jacot实验室所使用的羊水干细胞从接受双胎输血综合症(twin-twin transfusion syndrome)治疗的妇女身上获取的。他说，“这就是同卵双胞胎共用一个胎盘，其中一个胎儿要比另一个获得更多的血液。这种疾病不常见。”他注意到得克萨斯州儿童医院是能够治疗这种综合症的为数不多的几家医院之一。他说，“这种疾病的常用治疗手段包括移除羊水，以便实现拯救两个生命的目标，而移除的羊水通常被丢弃掉。”
Jacot说，其他实验室已对羊水作为一种干细胞来源进行过测试，测试结果还不错。“我们的研究是基于其他实验室过去5年的研究工作---这些实验室研究人员已发现羊水中存在极其少量的干细胞群体，大概是每10000个细胞当中才有一个干细胞，这些干细胞在自然条件下表达胚胎干细胞和间充质干细胞特征性的分子标记。”
Jacot和他的研究小组通过一种复杂的过程制造出羊水干细胞群体，其中这种过程涉及通过离心提取细胞和荧光激活细胞分选。他们用一种与干细胞相关联的分子标记即细胞表面受体c-kit捕获细胞。
Jacot说，这些细胞随后在内皮细胞生长培养基中培养，让它们长成毛细血管网。当将这些细胞放置在一种用于组织工程的生物支架(bio-scaffold)上时，它们也能如此。
他说，“我们制造的任何东西都将需要血液供应。这就是为什么我们首先寻找的第一种细胞类型是能够形成血管的细胞。我们需要知道我们能够在整个组织内形成毛细管网，然后我们能够将它跟婴儿的血液供应连接在一起。”
Jacot说，他们进行试验的这些细胞生长非常迅速。他说，“我们经过计算后证实利用羊膜穿刺术获得羊水干细胞，在胎儿出生前我们可能不止是培养出一个完整的心脏。要成功实现确实非常困难，但是它让我们充满信心：我们将能够在体外快速地培养出组织补片，然后将它们接种在体内。”
他说，构建一块有功能性的补片还需要一些年头，但是他的实验室正在取得进展。他说，尽管在此项目上胚胎细胞最有潜力，但是羊水细胞也已表现出能够变成心肌的迹象。(生物谷：towersimper编译)
doi:10.1089/ten.TEA.2011.0392
PMC:
PMID:
Evaluation of Endothelial Cells Differentiated from Amniotic Fluid-Derived Stem Cells
Mr. Omar Martin Benavides, Miss Jennifer J Petsche, Dr. Kenneth J Moise, Dr. Anthony Johnson, and Dr. Jeff Jacot.
Amniotic fluid holds great promise as a stem cell source, especially in neonatal applications where autologous cells can be isolated and used. This study examined chemical-mediated differentiation of amniotic fluid-derived stem cells (AFSC) into endothelial cells and verified the function of AFSC-derived endothelial cells (AFSC-EC). AFSC were isolated from amniotic fluid obtained from second trimester amnioreduction as part of therapeutic intervention from pregnancies affected with twin-twin transfusion syndrome. Undifferentiated AFSC were of normal karyotype with a subpopulation of cells positive for the embryonic stem cell marker SSEA4, hematopoietic stem cell marker c-kit, and mesenchymal stem cell markers CD29, CD44, CD73, CD90, and CD105. Additionally, these cells were negative for the endothelial marker CD31 and hematopoietic differentiation marker CD45. AFSC were cultured in endothelial growth media with concentrations of vascular endothelial growth factor (VEGF) ranging from 1 to 100 ng/ml. After 2 weeks, AFSC-EC expressed von Willebrand factor, endothelial nitric oxide synthase, CD31, VE-cadherin, and VEGF receptor 2. Additionally, the percentage of cells expressing CD31 was positively correlated with VEGF concentration up to 50 ng/ml, with no increase at higher concentrations. AFSC-EC showed a decrease in stem cells markers c-kit and SSEA4 and were morphologically similar to human umbilical vein endothelial cells (HUVEC). In functional assays, AFSC-EC formed networks and metabolized acetylated low-density lipoprotein, also characteristic of HUVEC. Nitrate levels for AFSC-EC, an indirect measure of nitric oxide synthesis, were significantly higher than undifferentiated controls and significantly lower than HUVEC. These results indicate that AFSC can differentiate into functional endothelial-like cells and may have the potential to provide vascularization for constructs used in regenerative medicine strategies.
