杜克大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師發(fā)現(xiàn)了成人肌肉 - 免疫系統(tǒng)中自我修復(fù)肌肉組織的關(guān)鍵組成部分。預(yù)計小鼠中的發(fā)現(xiàn)將在研究退行性肌肉疾病和提高未來細胞治療應(yīng)用中工程化組織移植物的存活方面發(fā)揮重要作用。
2014年，由杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授Nenad Bursac領(lǐng)導(dǎo)的小組首次推出了世界上第一個自我修復(fù)，實驗室培養(yǎng)的骨骼肌。它有力地收縮，迅速融入老鼠體內(nèi)，并展示了在實驗室內(nèi)和動物體內(nèi)自愈的能力。
這個里程碑是通過從兩天大的老鼠身上取出肌肉樣本，去除細胞，然后將它們“種植”到一個完美定制的實驗室環(huán)境來幫助它們生長。除了三維腳手架和大量營養(yǎng)素外，這種環(huán)境還支持肌肉干細胞(稱為衛(wèi)星細胞)的壁龕形成，這些細胞在受傷時激活并有助于再生過程。
然而，對于人類細胞的潛在應(yīng)用，肌肉樣本主要來自成年捐贈者而不是新生兒。許多退行性肌肉疾病直到成年才出現(xiàn)，并且在實驗室中生長肌肉以測試這些患者的藥物反應(yīng)將受益于患者自身的成體細胞的使用。
只有一個問題 - 實驗室制造的成人肌肉組織與新生兒組織沒有相同的再生潛力。
“我花了一年的時間探索從成年大鼠樣本中設(shè)計肌肉組織的方法，這些方法可以在受傷后進行自愈，”馬克·尤哈斯說，他曾是布爾薩克實驗室的前杜克博士生，領(lǐng)導(dǎo)了原始研究和新研究。
“添加各種已知有助于肌肉修復(fù)的藥物和生長因子幾乎沒有效果，因此我開始考慮添加一種可以對損傷做出反應(yīng)并刺激肌肉再生的支持細胞群，”Juhas說。“這就是我想出的巨噬細胞，即肌肉在我們體內(nèi)自我修復(fù)能力所需的免疫細胞。”
巨噬細胞是人體免疫系統(tǒng)中的一種白細胞。從希臘字面翻譯為“大食客”，巨噬細胞吞噬和消化細胞碎片，病原體和其他任何他們認為不應(yīng)該懸掛的東西，同時也分泌支持組織存活和修復(fù)的因素。
肌肉受傷后，一類巨噬細胞出現(xiàn)在現(xiàn)場，以清除留下的殘骸，增加炎癥并刺激免疫系統(tǒng)的其他部分。他們招募的一種細胞是第二種巨噬細胞，被稱為M2，可以減少炎癥并促進組織修復(fù)。雖然這些抗炎巨噬細胞之前已用于肌肉治療療法，但它們從未被整合到旨在生長體外復(fù)雜肌肉組織的平臺中。
Juhas花了幾個月的時間來研究如何將巨噬細胞納入系統(tǒng)。但是一旦他做了，結(jié)果發(fā)生了巨大變化。新的肌肉組織不僅在實驗室中表現(xiàn)更好，而且在移植到活體小鼠中時表現(xiàn)更好。
“當我們用毒素破壞成人衍生的工程肌肉時，我們看不到功能恢復(fù)，肌肉纖維也不能恢復(fù)，”Bursac說道，他是Duke's Regeneration Next計劃的聯(lián)合主任。“但是在我們在肌肉中加入巨噬細胞之后，我們有了一個令人驚嘆的時刻。肌肉在15天內(nèi)恢復(fù)過來，幾乎像受傷前一樣收縮。這真的非常了不起。”
成功似乎主要源于巨噬細胞，其作用是保護受損肌肉細胞免受凋亡 - 程序性細胞死亡。雖然新生兒肌肉細胞自然抵抗投入毛巾的沖動，但成人肌肉細胞需要巨噬細胞來幫助它們在不進入細胞死亡的情況下完成初始損傷。然后，這些存活的肌肉纖維為肌肉干細胞提供“支架”以鎖定以執(zhí)行其再生功能。
Bursac認為這一發(fā)現(xiàn)可能會為潛在的再生療法帶來新的研究方向。根據(jù)一種流行的理論，胎兒和新生兒組織在愈合方面要比成人組織好得多，至少部分是因為最初供應(yīng)與M2巨噬細胞類似的組織駐留巨噬細胞。隨著個體年齡的增長，這種原始的巨噬細胞供應(yīng)被來自骨髓和血液的較少再生和更具炎癥的巨噬細胞所取代。
“我們相信，我們的工程肌肉系統(tǒng)中的巨噬細胞可能更像人類天生存在的肌肉巨噬細胞，”Bursac說。“我們目前正在努力了解情況是否確實如此。人們可以設(shè)想'訓(xùn)練'巨噬細胞在像我們這樣的系統(tǒng)中成為更好的治療師，或通過遺傳修飾增強它們，然后將它們植入患者的受損部位。”
當然，這項工作仍然是未來幾年。雖然這項研究還表明人類巨噬細胞支持實驗室培養(yǎng)的大鼠肌肉的愈合，并且Bursac小組的單獨工作已經(jīng)培養(yǎng)出含有巨噬細胞的復(fù)雜人體肌肉，但還沒有一個良好的實驗室或動物系統(tǒng)來測試再生能力這種方法可能在人類中。
“建立一個平臺來測試工程人體組織中的這些結(jié)果是明確的下一步，”Bursac說。“沿著同樣的路線，我們希望更好地了解工程肌肉中巨噬細胞在植入后對其血管化和神經(jīng)支配的潛在作用。我們希望我們用免疫系統(tǒng)細胞補充實驗室培養(yǎng)肌肉的方法將被證明是一種一般策略在未來的再生療法中增加其他實驗室培養(yǎng)組織的存活和功能。“