高通量單細胞技術獲得新突破

　　人類腸道是一件了不起的事情。每周，腸道都會再生一層新的內皮細胞，脫落的表面面積相當于一個小型公寓，并用新的細胞進行修復。幾十年來，研究人員已經知道，負責這一改頭換面行為的是腸道干細胞，但是直到今年，美國北卡大學教堂山分校(UNC)醫學、細胞生物學和生理學、生物醫學工程副教授Scott Magness博士，才找到一種方法，在實驗室內同時分離和培養成千上萬個這樣難以捉摸的細胞。這種高通量技術進步，有望為科學家提供研究干細胞生物學的能力，并能夠探討炎癥性腸病、腸腫瘤和其他胃腸道疾病的起源。

　　向前一步

　　幾年前，Magness和他的團隊開始研究腸道干細胞，很快他們發現自己處于困境中。他們使用的第一種技術是，使用干細胞表面上的一種特定分子或標記，以確保他們可以將干細胞和其他腸道細胞區分開來。然后，他的團隊只把干細胞從腸組織中取出來，在培養皿中進行培養。但是有一個問題。盡管所有分離的細胞都具有相同的干細胞標記物，每100個細胞當中卻只有一個細胞能“自我更新”和分化成特化細胞，就像一個典型干細胞那樣。

　　Magness說：“問題是：為什么其他99個細胞表現的不像干細胞?我們認為這可能是因為它們都不盡相同，就像每個人都叫Judy但看起來卻不一樣。有各種各樣的差異，我們一直以為同一名字(同一個分子標記)的這些細胞都是一樣的。這一直是一個問題。但是解決問題以使我們可以研究這些細胞的唯一方式是，在單細胞水平上研究腸干細胞，這是史無前例的。”

　　Magness以及越來越多的研究人員認識到，健康和疾病背后的許多生物學過程，都是由37萬億個細胞(它們構成了人體)中的一小部分驅動。單個細胞可以補充衰老的組織，產生耐藥性，并成為病毒感染的載體。然而，這些奇異因子的影響在生物學研究中常常被錯過，因為這些研究專注于成千上萬個看似 “相同”的細胞。

　　要區分真正的腸干細胞與相似細胞，需要分離成千上萬個干細胞，并隨時間推移跟蹤每個細胞的行為。但Magness不知道如何完成這一壯舉。他與UNC/NCSU生物醫學工程聯合系主任Nancy Allbritton博士合作。Allbritton的專業領域是精密加工——將大型設備擠壓到非常小的尺寸。在他們的會晤中，Allbritton向Magness展示了她最新產物，一種比信用卡還小的設備，上面散布著15,000個微孔用于培養細胞。

　　微型魔術

　　每個微孔像一縷頭發那樣粗。通過將單個干細胞置入微孔，Magness和博士后Adam Gracz，可以看到細胞成長為發育充分的組織結構，被稱為迷你腸道(mini-gut)。每個微孔可以加蓋一個特定的地址，這將使研究人員能夠追蹤干細胞。

　　在合作過程中，Allbritton實驗室想出了另一個特征。如果研究人員決定想要進一步研究一個特定的迷你腸道，他們可以用一種特殊的工具(稱為微型魔杖microwand)彈出已磁化的微孔，并單獨培養組織或提取DNA進行遺傳分析。

　　新技術的目的是，幫助研究人員剖析腸干細胞的生物學機制，并探討為什么一些細胞表現的不同于其他細胞。它也可以幫助科學家們了解一個細胞的鄰域或“生態位”如何可能影響細胞的行為。這很重要，因為，在真正的腸道中，干細胞并不是存在于真空之中；它們被很多其他類型的細胞包圍，包括上皮細胞、免疫細胞、肌細胞、神經細胞。新技術使得Magness實驗室混合不同類型的細胞，并將它們放在一起培養，以探討這些細胞彼此互相接近時會發生什么情況。

　　細胞精密醫學

　　例如，上皮細胞(稱為潘氏細胞)已被證明支持腸道干細胞的生長。Gracz決定使用新技術來檢驗這一假設：是否在附近的潘氏細胞越多，干細胞就會變得更好?他研究了數以千計個微孔，在里面共同培養了潘氏細胞和干細胞，他驚訝地發現，潘氏細胞的數量似乎不影響干細胞的生長。然而，當Gracz進一步觀察時，他發現，與潘氏細胞有接觸的腸干細胞，比那些沒有接觸潘氏細胞的干細胞有生存優勢，表明這種細胞間的直接接觸是提供支持所必需的。

　　這些研究結果發表在最近的《自然細胞生物學雜志》(Nature Cell Biology)。

　　Gracz說：“通過這個平臺，我們可以用實驗方法測試在文獻中已經提出的一些假設。在某種程度上，我們已經能夠做到以前不可能做的事情。這種方法最強大的部分在于，它可以使我們通過越來越高的分辨率，對腸道科學獲得越來越深的認識。我們能看到一些事情并加以研究，特別是涉及到人類健康和疾病的信息。”

　　研究人員說，新的技術也適用于來自其他組織的細胞，如乳腺癌、胰腺，或身體其他幾乎任何部分。有一天，這種技術可以成為精密醫學的一種方法，導向目標追蹤單個干細胞的行為，作為個體對特定藥物的反應指標。

　　Gracz說：“生物學領域新興的很酷但混雜的大創意是所謂的隨機性——一個器官組成部分的不同行為總體上驅動一個器官的集體行為。所以，所有的干細胞可能在做不同的事情，但是讓你身體運行的結果，總是相同的。”

　　Magness補充道：“這樣的單細胞技術，可讓我們來剖析這種隨機性并把它分開，然后我們可以把它再次復原，能夠比現在更好地理解疾病。更好地了解疾病，可讓我們為患者制定更好的治療方案。”