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干细胞修复损伤的记忆从何而来?

干细胞并不仅仅可以生成组织,而且还具备敏锐的环境感知和反应能力。在许多组织中,干细胞与免疫系统可以通过化学物质进行“对话”,双方以及其他类型的细胞都将其信息汇集起来,最有效地应对不断变化的外部环境。

 

科学家发现,干细胞似乎能记住曾经发生的损伤,从而改善未来的修复过程。当这个机制出现问题时,就会发生慢性炎症。

对炎症有记忆的不仅仅是免疫细胞,还有干细胞。

 

通常,伤痕会随着时间逐渐愈合至消失,但我们的皮肤却不会忘记。美国洛克菲勒大学的新研究表明,伤口或者其他会导致炎症的有害经历会给皮肤中的干细胞带来长久的记忆,教会它们在未来皮肤受伤的时候能更快愈合。

 

疤痕可能会消退,但皮肤会记得。在一项新的研究中,来自美国洛克菲勒大学的研究人员揭示出伤口或其他有害的触发炎症的经历会给驻留在皮肤中的上皮干细胞(epithelial stem cell, EpSC)带来持久的记忆,教导它们更快地愈合随后发生的皮肤损伤。相关研究结果于2017年10月18日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Inflammatory memory sensitizes skin epithelial stem cells to tissue damage”。

 

这些补充皮肤外层的上皮干细胞从炎症---身体本身对损伤或感染作出的反应---中获得线索。初始的炎症让这些干细胞变得敏感:当它们再次感知炎症来临时,它们更快地作出反应。

 

这项研究提供*证据证实皮肤能够形成对炎性反应的记忆。资深作者Elaine Fuchs教授说,这一发现可能对更好地理解和治疗一系列医学疾病产生重要的影响。

 

Fuchs说,“通过增强对炎症作出的反应,这些记忆有助皮肤维持它的完整性,这一特征有利于在受伤后伤口愈合。这种记忆可能也有不利的影响,比如导致某些炎性疾病如银屑病复发。”

 

 

能帮助组织从损伤中恢复的干细胞一直被认为是发育中的“万能细胞”。最近的研究表明,它们还可能会以某种方式储存过去的攻击记忆,以便在未来促进更有效的治疗。

 

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干细胞不只是细胞工厂

干细胞是一种具有再生和分化能力的细胞,以补充身体其他类型细胞而闻名。然而,新的研究发现:干细胞可能有一种额外的新能力——缓存人体既往损伤及炎症的记忆

科学家在对皮肤、肠道和呼吸道的研究中发现,干细胞常常与免疫系统合作,利用这些记忆改善组织对再次遭遇损伤和致病性攻击的反应。

纽约大学的免疫学家 Shruti Naik 研究了皮肤和其他组织的这种记忆效应,她说:“我们开始意识到干细胞并不仅仅可以生成组织,而且还具备敏锐的环境感知和反应能力。”但当这种能力出现问题时,它们可能会引发一系列与慢性炎症有关的健康问题,比如严重过敏反应自身炎症性疾病(这也许是干细胞能被用于治疗免疫疾病的部分原因?)

人体中大多数组织都含有一些长期存活的干细胞,可以根据需要分裂和分化成各种类型的细胞。例如,皮肤中的干细胞可以分化成可以产生色素或角蛋白的细胞谱系,或者分化为汗腺细胞,甚至是分化为保持皮肤延展性的弹性细胞。

细胞工厂似乎是干细胞的主要职责。而现在,另一种思路开始浮现。

 

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干细胞可以记录损伤

今年8月,波士顿地区的研究人员在《自然》杂志上发表的一篇文章为干细胞具有记忆能力提供了新证据,也是首次在人类中发现这种现象。

 

为什么有些人会对空气中的灰尘、花粉等物质产生慢性过敏?大多数人接触这些过敏原只会产生类似感冒的轻微症状;但是大约有12%的人会发生严重反应,甚至持续整年,严重可导致鼻息肉。

单细胞测序先驱 Alex Shalek 和免疫学家 Jose Ordovas-Montanes 开始着手研究这个问题。这项工作是研究小组在更大范围内探索慢性炎症疾病(如哮喘和炎症性肠病)的第一步。

在慢性炎症疾病中,即使清除了过敏原,免疫系统仍会继续发起不必要的攻击。这些类型的自身炎症性疾病一直被认为和免疫系统有关,认为免疫系统反应过度。而波士顿的研究小组怀疑可能是组织本身的问题

他们首先从慢性鼻窦炎患者的鼻腔提取细胞,并与对照组健康细胞进行比较。从20个不同的人那里收集了6万个细胞后,他们从单个细胞中提取RNA分子并进行测序,确定哪些基因是活跃的。在鼻窦炎患者的干细胞中,他们发现许多活性基因与过敏性炎症有关,这些基因是IL-4和IL-13两种免疫介质的靶点。它们通常是小分子,在T,B淋巴细胞中传递信息。

事实上,靶向基因在干细胞中活跃,说明了干细胞与免疫系统可以直接进行沟通。研究人员预感这种交流可能会对慢性病产生影响,于是开始了进一步的实验。

研究者逐渐意识到:这些干细胞并不仅是来分化生成组织的,它们还有其他的职责。

他们从过敏患者的呼吸道中提取细胞,在培养液中培养约5周,然后对其基因活性进行分析。他们发现,尽管灰尘和花粉等过敏因素不存在了,但与过敏性炎症有关的基因仍然活跃。此外,研究人员还描述了很多这种细胞仿佛“卡”在了一种不完全成熟的状态。

 

干细胞内在免疫和炎症记忆模式

Shalek分析认为,这一结果表明干细胞可能会将记忆传递给下一代细胞,并在细胞传代中永远保存下去。这一过程让我们用免疫系统原理的思路进行比较:B细胞和T细胞利用它们以前感染的抗原,可以更有效地抵御下一次相同抗原的感染。同样,干细胞也会保留过去损伤的特性,以便在下次受伤时加强愈合伤口的能力。但对于过敏患者来说,这种记忆特性显然会造成麻烦。它可以让干细胞永久地向免疫系统发出过敏原存在的信号,生成一个促进炎症和息肉的反馈回

Shalek说,了解哪些细胞是“不良分子”,以及这些分子对过敏原的反应如何在组织中传播,应该可以获得很多干预过敏的治疗手段。在研究中,他们测试了阻断IL-4和IL-13的抗体对鼻息肉患者的干细胞和分泌细胞的影响。结果表明与健康组织相关的基因表达得到了实质性的恢复,这是朝着新的治疗方法发展迈出的坚实一步。

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干细胞与免疫细胞间的交互

冷泉港实验室的免疫学家Semir Beyaz说:“这开创了一个新模式,我们不仅关注这些细胞的自我更新潜能,还关注它们与周围环境潜在的相互作用。”

虽然Beyaz没有参与这项研究,但他在对肠道的研究取得了类似的结果:他在2016年《自然》杂志发表的一篇论文中指出,相对于低脂饮食的小鼠,高脂饮食小鼠的肠道会产生更多的类干细胞样的细胞。这种细胞不倾向于分化成功能细胞,而是高速分裂增加其数量,这种变化与癌症等疾病有关。

Naik解释说,在这个实验中的干细胞储存记忆功能是有益的,因为它可以使细胞的愈合和再生能力更强大。但是,正如Shalek, Barrett和Ordovas-Montanes所观察到的,这个特性也有不良的一面:这些细胞也会记住那些不良行为

干细胞是如何储存记忆的机制还不得而知;在过敏和伤口愈合的研究中,这种机制可能涉及到DNA修饰,使某些基因被激活。Naik发现,两次受伤的小鼠皮肤干细胞中的DNA包含许多疏松的片段,这意味着基因活性增强,其中一些开放区域在炎症结束后很长一段时间内都被保留了下来。

 

Naik和她的同事们最近在《细胞》杂志上发表的一篇综述论文中谈到,在许多组织中,干细胞与免疫系统可以通过化学物质进行“对话”,双方以及其他类型的细胞都将其信息汇集起来,最有效地应对不断变化的外部环境。

无论这些对话的细节是什么,所有的证据都表明,干细胞通过保存一些“聊天记录”,在帮助机体可以更适应外部环境方面发挥着核心作用

 

干细胞与免疫细胞之间的交互

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点击次数:  更新时间:2018-12-03 17:11:39  【打印此页】  【关闭
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