肌肉萎缩症是一类人体骨骼肌萎缩和肌无力的遗传性疾病，严重影响患者的运动或危及生命，目前尚无治愈的方法。移植干细胞以再生健康肌肉是一种有潜力的治疗方法，其面临的主要挑战是难以获得大量的、再生能力高的骨骼肌干细胞。骨骼肌中存在内源性的成体骨骼肌干细胞（adultskeletalmusclestemcells），也称为卫星细胞（satellitecells），是目前发现的肌肉再生能力最强的细胞类型。移植单个的卫星细胞就可以重建肌肉纤维，同时补充肌肉干细胞池来再生受损的骨骼肌。但是卫星细胞很稀少，且体外培养扩增后迅速丧失其移植再生的潜能。另一个思路是从多能干细胞（PSC,pluripotentstemcells）分化产生骨骼肌干细胞，目前的小分子诱导方法和基因编辑方法获得的细胞的移植效果十分有限。因此，细胞来源的稀缺性和缺乏有效的方法来扩增肌肉干细胞是干细胞治疗法的主要挑战，需要探索新方法和新的细胞类型。
年11月18日，明尼苏达大学SunnyChan助理教授、谢宁博士在StemCellReports上发表了题为Invitroexpandedskeletalmyogenicprogenitorsfrompluripotentstemcell-derivedteratomashavehighengraftmentcapacity的研究成果。
该研究发现了一种具有强大肌肉再生能力、并可在体外大量功能性扩增的细胞——畸胎瘤衍生的骨骼肌干细胞（图1）。通过注射未分化的多能干细胞到免疫缺陷型小鼠体内，分化形成畸胎瘤；从畸胎瘤中可纯化分离出再生能力显著的骨骼肌干细胞；将这些细胞放入细胞培养皿传代培养一个月，可扩增细胞10亿倍，并且不丢失其显著的肌肉再生潜能。
图1.内源性骨骼肌干细胞具有很高的移植再生潜能，但无法在体外功能性扩增;畸胎瘤衍生的骨骼肌干细胞既具有显著的移植再生潜能，又能够在体外大规模扩增并保持再生潜能。(图片来源：StemCellReports期刊)
该课题组于年首次描述了从多能干细胞衍生的畸胎瘤中获得骨骼肌干细胞的方法，并在CellStemCell上发表了题为SkeletalmusclestemcellsfromPSC-derivedteratomashavefunctionalregenerativecapacity的研究成果（图2）。畸胎瘤是一种特殊的良性肿瘤，它能产生各种类型的细胞，包括腺体细胞和毛囊细胞等。研究中使用的畸胎瘤不是自发的病理性的畸胎瘤，而是通过注射未分化的小鼠多能干细胞到免疫缺陷型的小鼠体内所分化形成的；这一过程也可称为多能干细胞的体内分化。研究发现，从多能干细胞衍生的畸胎瘤中含有10~20%的骨骼肌干细胞，可以通过细胞表面标志物整联蛋白α7（α7-integrin）和血管细胞粘附蛋白1（VCAM-1）进行纯化分离。将这些新鲜分离的细胞移植入肌肉萎缩症小鼠受损伤的肌肉（胫骨前肌）中，可再生出总肌肉体积80%的新生肌肉纤维；其肌肉重塑能力与内源性的卫星细胞相当，显著高于其他方法分化的肌肉细胞所产生的移植再生能力（约5~10%的肌肉再生）。
图2：从多能干细胞衍生的畸胎瘤中可获得骨骼肌干细胞，移植后能够重塑肌肉纤维、补充肌肉干细胞池，并改善肌肉力量。（图片来源：CellStemCell期刊）
那么，由畸胎瘤衍生的骨骼肌干细胞可以在体外扩增培养并保持肌肉再生能力么？该研究显示，经过37天的培养，畸胎瘤衍生的骨骼肌干细胞稳定生长并扩增了10亿倍以上。这些扩增细胞具备肌肉干细胞特性，它们表达骨骼肌干细胞转录因子PAX7，以及细胞表面标志物α7-integrin和VCAM-1，可分化为多核的肌管细胞；最重要的是，它们具有显著的移植再生潜能，移植后分化产生大量的新生肌肉纤维，并能自我更新补充干细胞池。新生肌肉显示多种肌肉纤维类型，包括慢肌纤维（MHC-I）和快肌纤维（MHC-IIa和MHC-IIb），并建立起神经-肌肉连接。此外，新生肌肉显著改善了肌肉功能，提高了肌肉的强直收缩力和疲劳时间等。
研究者对细胞的移植再生能力进行了定量分析。移植40,个扩增的畸胎瘤衍生骨骼肌干细胞可以再生40%的受体肌肉（肌肉萎缩症小鼠受损伤的胫骨前肌），虽然比新鲜分离的细胞（80%的肌肉再生）有所下降，但对于体外培养的肌肉细胞，具备如此高的肌肉重塑能力是前所未有的。相比于内源性的卫星细胞，相同实验条件下，新鲜分离的卫星细胞可再生约80%的肌肉，然而培养扩增后的卫星细胞仅可再生5%的肌肉。因此，畸胎瘤衍生的骨骼肌干细胞既具有显著的移植再生潜能，又能够进行长期的体外大规模扩增。研究者进而对以上四类细胞进行了RNA-seq分析，发现了一系列与肌肉再生能力高度相关的基因，包括调控肌肉干细胞自我更新的基因Sprouty1。
畸胎瘤是干细胞研究中通常极力避免的副产物。但意想不到的是，畸胎瘤中发现了再生潜能高并可以在体外功能性扩增的骨骼肌干细胞。研究中并未发现新生肌肉中出现畸胎瘤或产生不良反应。目前的研究仍处于基础研究阶段，进一步探究影响肌肉细胞再生能力的分子机制，将帮助优化内源性骨骼肌干细胞的体外扩增培养策略，为开发肌肉疾病、损伤和萎缩的治疗方法提供新的思路和见解。
明尼苏达大学谢宁博士为该研究第一作者，SunnyChan助理教授为通讯作者。位于明尼苏达大学的SunnyChan课题组正在招聘优秀的博士后和博士生。
简历投递（有意向者，请将个人简历等材料发至）：