Multiplexed single cell transcriptomics optimizes mesodermal patterning and hemogenic endothelial output from murine embryonic stem cells
本研究利用 sci-Plex 单细胞转录组学技术，通过揭示 Activin 和 BMP4 信号通路在剂量和时间整合上的如何调控中胚层模式形成与细胞命运决定，从而优化从小鼠胚胎干细胞中产生造血内皮细胞的过程。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
在每一个发育中的胚胎内部，细胞之间都在进行着一场无声而精准的对话，决定着哪些细胞将变成肌肉，哪些将变成骨骼，以及哪些将变成维持生命的血液。这场对话是通过化学信号进行的，这些分子就像指令一样，告诉细胞该去向何处以及要变成什么。在生命的极早期阶段，被称为干细胞的一组特定细胞必须转化为一种称为中胚层的组织，这种组织最终会产生心脏和血液系统。科学家们早已知晓这些化学信号的浓度至关重要；过多的某种信号可能会促使细胞变成心肌细胞，而不同剂量的信号则可能促使其变成血细胞。然而，要精确理解这些信号如何随时间混合并变化，从而创造出健康成年人所需的特定造血细胞，一直是一个重大挑战。在实验室培养皿中创造这些血细胞已被证明非常困难，因为这一过程极其复杂，研究人员难以复制活体胚胎中的精确环境。
来自弗雷德·哈奇癌症中心（Fred Hutch Cancer Center）和华盛顿大学的一个研究小组取得了一项重大进展，他们使用了一种强大的新工具来实时观察这一过程。他们利用了小鼠胚胎干细胞进行研究，这类细胞能够转化为体内的任何细胞类型。他们没有一次只测试一种化学条件，而是使用了一种称为 sci-Plex 的方法，该方法允许他们同时让数千个细胞暴露在许多种由两种关键化学信号组成的组合中。这些信号被称为 Activin 和 BMP4。通过对干细胞施加广泛强度的这两种信号，研究人员可以观察细胞对每种可能的混合比例是如何做出反应的，并在单个细胞层面追踪它们的改变。这种方法不仅让他们看到了最终结果，还看到了干细胞如何根据接收到的精确剂量和时机来决定其命运的整个历程。
研究人员发现，这些化学信号的时机和强度至关重要。他们发现，通过调节 Activin 和 BMP4 的水平，他们可以引导干细胞转化为模拟活体小鼠胚胎中发生的特定类型组织。当细胞暴露在高水平的 Activin 和中等水平的 BMP4 下时，它们最有可能变成一种被称为侧板中胚层的组织。这种组织是一个至关重要的阶梯，因为它包含了内皮造血细胞（hemogenic endothelium）的前体，这是一种特殊的血管细胞，具有转化为血细胞的独特能力。研究表明，在细胞发育的正确时刻施加这种特定的信号组合，能产生最高数量的这些极具前景的前体细胞。
进一步的研究显示，在培养皿中生成的细胞与自然界中存在的两种不同类型的造血细胞非常相似：一种出现在发育早期的卵黄囊中，另一种则在胚胎本体内部形成，后者是构成成年人长期存在的造血干细胞的前体。研究人员通过观察细胞表面的特定标记物来区分这两类细胞。他们发现，类似于卵黄囊类型的细胞表达一种名为 LYVE1 的蛋白质，而类似于胚胎内部类型的细胞则不表达。这种区别很重要，因为胚胎内部类型最终会引导造血干细胞的创造，而后者是血液再生领域的“金标准”。团队还测试了添加一种称为视黄酸（retinoic acid）的物质是否能帮助细胞向更成熟的胚胎内部类型转变。他们发现，添加这种物质确实减少了类卵黄囊细胞的数量，并增加了类胚胎内部细胞的数量，这表明了进一步优化该过程的一种途径。
尽管取得了这些成功，研究人员也谨慎地指出，他们尚未创造出能够在小鼠体内移植并长期存活的、功能完备且持久的造血干细胞。虽然他们成功生成了早期的前体细胞并改善了生成条件，但将这些前体细胞转化为自然界中那种强健、具有自我更新能力的干细胞，最后一步仍然是一个障碍。研究表明，在培养皿中生长的细胞中，某些已知在活体胚胎中对于这一最终转化至关重要的基因缺失或水平极低。这表明实验室环境仍然缺少一些在自然环境中存在的关键成分或时机线索。
这项工作的价值在于它所提供的这张“地图”。通过使用 sci-Plex 方法，研究人员创建了一份详细的指南，展示了不同剂量的化学信号如何影响细胞决策。这张地图让科学家能够看到那些看起来相似但命运迥异的细胞之间的细微差别。它证实了在培养皿中创造造血干细胞的路径并非单一的直线，而是一个复杂的景观，其中信号的时机和强度决定了结果。该研究并未声称已经解决了培育可移植造血干细胞的问题，但它提供了一个清晰的、基于数据的路线图，指导如何向这一目标迈进。通过了解有利于创造正确前体细胞的精确条件，未来的研究可以专注于填补缺失的部分，以最终生产出真正具备临床应用价值的造血干细胞。
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