科学家设计了一种追踪细胞发育步骤的方法

华盛顿大学圣路易斯医学院的科学家们开发了一种新工具，被称为发育细胞的“飞行数据记录器”，阐明了细胞从一种类型进化到另一种类型时所走的道路。

科学家希望有一天他们能从需要肝移植的患者身上收集皮肤细胞，并沿着已知的路径引导皮肤细胞，从而获得新的肝脏。没有这种细胞追踪设备，研究人员可以非常详细地研究原始细胞和最终细胞——但细胞到达目的地的方式在很大程度上是未知的。

这项研究发表在12月5日的《自然》杂志上。

“人们对再生医学的潜力非常感兴趣——例如，在实验室培养组织和器官——来测试新药，或者将它们移植一天，”资深作者、助理萨曼塔a莫里斯博士说。发育生物学教授。“但我们需要了解重编程过程是如何工作的。我们想知道皮肤细胞转化为心脏细胞的过程是和肝细胞还是脑细胞一样。将一种细胞类型转化为任何细胞类型需要什么特殊条件？其他细胞类型？我们设计了这个工具来帮助回答这些问题。”

根据研究人员的说法，这种工具可以揭示细胞“重新编程”的方式，这可能涉及将皮肤细胞恢复为不同类型的干细胞，然后这些干细胞可以成熟为新的肝脏或其他重要器官。在许多潜在的应用中，这种工具也可以用于癌症研究，以记录可能发展成肿瘤的正常细胞的错误转化。

研究人员用他们的飞行数据记录器进行了实验，揭示了成功完成飞行路线的细胞所走的特定路线的一些令人惊讶的细节。这些新信息可以帮助研究人员确定最佳的“飞行前”条件，从而使细胞暴露在其中，增加它们成功旅行的可能性。科学家希望提交正确的飞行计划，这样所有的细胞都到达了正确的目的地。

“现在，细胞重编程的效率非常低，”莫里斯说。“当你取一个细胞群，比如皮肤细胞，把它变成一个不同的细胞群——肠道细胞——只有大约1%的细胞被成功地重新编程。而且因为是如此罕见的事件，科学家们认为这是一个随机的过程——有一些正确的步骤，还有一些细胞是随机发现的。我们发现正好相反。我们的技术表明，如果一个细胞在早期开始以正确的路径重新编程，它所有相关的兄弟细胞及其后代都在同一页上，做着同样的事情。”

这项技术利用病毒的天然特性，将微小的DNA“条形码”(称为“细胞标签”)插入每个细胞。当细胞分裂时，它们独特的条形码会传递给所有的后代细胞。在28天的细胞重编程窗口中的几个设定时间点，添加新的条形码并分析细胞样本，看看它们在航路点做什么。CellTagging技术跟踪哪些细胞共享共同祖先，以及在家谱(如家谱)中寻找共同祖先的距离。事实上，除了单次飞行追踪，这一工具还让莫里斯和她的团队构建了一个复杂的细胞家族树，而成功重新编程的细胞可以追溯到它们的早期祖先。

莫里斯说，他们的研究表明，当细胞接受重编程指令时，细胞的状态为其成功奠定了基础。这与细胞在第一次接受重编程指令时进入许多不同方向的假设相矛盾。

“如果我们能解决能让细胞成功重编程的初始条件，那么我们就能把细胞变成我们想要的更高效的细胞，”她说。“我们希望实现100%的效率。这对于再生医学领域来说确实令人兴奋。”

研究人员已经确定了鸡尾酒中的一种成分。他们发现，如果在细胞中开启一种叫做Mettl7a1的基因，成功重编程的几率比没有这种基因活性的细胞高三倍。根据莫里斯的说法，另一个有趣的发现是，没有被成功重新编程的细胞并不仅仅出现在整个地图上。它们似乎聚集在同一个死胡同里，并倾向于回到看起来像原始细胞的类型。

她说：“我们现在看到的是一个死胡同，但随着技术的进步，我们认为我们可能会看到多种结果。

研究人员研究了小鼠皮肤细胞，将它们暴露于分子混合物中，触发细胞DNA的打开，打开新基因，并将皮肤细胞重新编程为另一种称为诱导内胚层祖细胞的细胞。

这些细胞产生肝细胞和组成小肠的细胞。在一个潜在应用的例子中，莫里斯希望种植迷你胆汁来帮助研究患有短肠综合征的早产儿。过早出生的婴儿患病风险高，导致肠道组织死亡。为了防止损伤，一些婴儿需要手术切除肠道的这一部分，这导致肠道变短。

“因为部分肠道被切除，这些婴儿失去了吸收营养的能力，”莫里斯说。“如果我们最终能够从人类版本的这些细胞中种植肠道替代品，这将是一个惊人的进步。”

莫里斯与华盛顿大学技术管理办公室合作，申请了这项技术的专利。世界各地的几个研究团队已经开始注意在自己的研究中使用莫里斯实验室的细胞标记方法。

莫里斯说：“看到许多癌症研究小组在其实验室采用这项技术，我们感到非常高兴和鼓舞。“通过这种方式，他们可以发现哪些细胞变成了癌症，并及时追踪他们的祖先，看看他们在早期做了什么。”