饥饿的干细胞可以让科学家们建立更好的血管

伊利诺伊大学芝加哥医学院的研究人员发现，人类胚胎干细胞代谢的变化有助于诱导它们成熟为特定的细胞类型，并可能改善其在工程器官或组织中的功能。“多能干细胞生长非常快，所以他们需要生产出大量的细胞积木来推动他们的成长-蛋白质，脂类，糖类等人体必需的分子，” Jalees拉赫曼博士，谁领导了这项研究，发表在说Cell Reports杂志。

Rehman和他的同事们专注于谷氨酰胺在干细胞中的作用，因为已知氨基酸是用于制造癌细胞中细胞构建模块的主要碳源，像干细胞一样，它也能快速生长。他们追踪了人类胚胎干细胞中谷氨酰胺的路径，发现它在细胞的线粒体中结束。“人们常常认为线粒体只是细胞能量的产生者。但它们也可以作为生产重要分子细胞的工厂，”Rehman说。

谷氨酰胺在未分化的人胚胎干细胞中以非常高的速率代谢。研究人员观察到谷氨酰胺代谢急剧下降，因为细胞分化成各种成熟细胞类型，如形成血管内层的内皮细胞。“我们希望仔细研究将谷氨酰胺代谢减少与干细胞分化联系起来的分子计划，”UU医学和药理学副教授Rehman说。

当研究人员选择性地从实验室中生长的人胚胎干细胞中扣留谷氨酰胺时，他们注意到一种称为OCT4的重要调节分子的水平显着下降，并且细胞开始分化。OCT4是一种转录因子，可激活维持细胞处于多能状态并使基因沉默并阻止干细胞分化和成熟的基因。

谷氨酰胺的戒断还伴随着细胞内活性氧的增加，如果水平过高，会破坏细胞结构。

事实证明，OCT4特别容易受到活性氧物质的降解。随着谷氨酰胺代谢下降，活性氧水平升高，OCT4分解，不再能够将细胞保持在多能状态。然后细胞开始表达允许其成熟为特定类型细胞的基因。

“谷氨酰胺保持OCT4'，'当你饿死谷氨酰胺细胞时，你拨下那个OCT4开关，这样细胞就可以成熟，”Rehman说。“同样重要的是要注意活性氧物质可以作为干细胞分化的信号。某些水平的氧化剂或活性氧可能是干细胞成熟所必需的。”

第一作者，UIC药理学研究助理教授Glenn Marsboom说，这一发现提示了一种可能对组织工程有用的技术。“当研究人员想要从干细胞中生产成熟细胞时，他们传统上使用生长因子和其他化学物质的混合物来生产他们想要的特定细胞类型，”Marsboom说。“我们希望看到如果我们将谷氨酰胺的回收添加到我们用于从人类胚胎干细胞产生内皮细胞的分化混合物中会发生什么。”

他们发现，与单独使用生长因子相比，通过撤回谷氨酰胺，产生的内皮细胞数量增加了一倍。成熟的细胞质量更高。谷氨酰胺饥饿的内皮细胞能够更好地组织成三维支架中的血管。“这些内皮细胞更成功地迁移到位，形成构成血管网络的管子，”Rehman说，这可能会改善人胚胎干细胞功能性血管的工程设计。他说，更广泛地说，这一发现突出了代谢线索在再生疗法中的重要性。“为了成功为患病患者设计新的血管或组织，我们需要帮助干细胞适应代谢环境和成熟器官的需求。”