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研究揭示了角膜更新和发病机制

可以在成熟组织中识别和监测干细胞吗?我们的器官如何应对组织细胞频繁更新的需求以及保护暴露于环境危害的组织中的干细胞健康的需求?以色列理工学院拉帕波特医学院的两个研究实验室之间的合作最近发表了两篇开创性的文章,重点是角膜的更新和发病机制——对视力至关重要的透明组织,它作为眼睛的“皮肤”。以与皮肤类似的方式,角膜细胞不断脱落,并由来自干细胞的新细胞补充。

与皮肤不同,透明的角膜缺乏保护我们皮肤的色素。因此,它高度暴露于有害辐射。这是角膜干细胞位于角膜缘、透明角膜和不透明巩膜(眼睛的白色部分)之间的狭窄区域的原因之一。这些角膜缘干细胞 (LSC) 的许多特性,例如它们的普遍性、异质性和分子特征,在很大程度上是未知的。这种知识差距阻止了基于 LSC 治疗失明的疗法的发展。此外,干细胞如何应对不同的生理限制是干细胞生物学中一个关键的悬而未决的问题。

在第一篇文章中,发表在Cell Stem Cell,在角膜中发现了两个以前未知的干细胞壁龛。发现每个生态位都包含独特的干细胞群,以确保其更新。发表在 eLife 上的第二篇文章介绍了通过维持组织中细胞死亡和自我更新之间的平衡来保护角膜的复杂控制机制。文章讨论了干细胞和分化细胞的基本特性如何影响干细胞在偏远保护区的维持以及细胞更新率、“新鲜度”和老化。这些突破强调了跨学科研究的重要性,这要归功于专门从事干细胞研究的 Ruby Shalom-Feuerstein 教授的研究实验室和 Yonatan Savir 教授的实验室之间的合作,

跟踪和识别

发表在Cell Stem Cell 上的研究由 Shalom-Feuerstein 教授实验室的 Anna Altshuler 博士和 Aya Amitai-Lange 博士领导。他们整合了创新技术,包括单细胞水平的 RNA 测序和先进的克隆谱系追踪——识别特定细胞的所有“后代”。该产品是一个史无前例的图谱,描述了角膜缘干细胞的基因特征及其完整谱系。

该图谱中的研究结果表明,角膜缘容纳两个干细胞群,它们位于两个不同的壁龛中,这些壁龛以前没有被描述过,它们被称为“外缘”和“内缘”。内缘包含一群活跃的 LSC,它们经常分裂并定期更新角膜。外缘包含一群静止或休眠的 LSC,它们很少分裂,其功能是保护角膜的边界,并作为受伤时引起的干细胞的紧急储存库。体内克隆生长动力学的数学分析表明,LSC 种群是丰富的等能细胞,它们遵循随机规则,符合决定其生存或灭绝的生态位上的中性竞争。最后,

根据 Shalom-Feuerstein 教授的说法,“传统的教条不涉及边缘的分区或异质性,并将 LSC 视为一种稀有细胞,周围环绕着大量短命的祖细胞。尽管进行了数十年的研究,但从未发现过假设的稀缺实体. 这项研究提出了一个新的教条,描述了在其生态位中广泛存在的两个离散的 LSC 种群,并揭示了它们的特征、动态和功能。我们希望这将为更好地了解 LSC 参与角膜致盲病理铺平道路. LSC 遗传特征和生态位成分的图谱可以转化为我们目前非常有限的培养皿中优化的 LSC 纯化和生长。”

在死亡和更新之间

干细胞生物学中的一个关键问题是干细胞如何准确平衡细胞损失并完美地调整组织的发育并保持其大小和完整性。第二项研究发表在 eLife 上,由医学生 Lior Strinkovsky 和博士领导。学生 Evgeny Havkin(均来自 Savir 实验室)专注于该主题。研究人员开发了一个描述角膜细胞更新动态的数学模型,并测试了各种假设并定义了在角膜组织细胞更新和衰老细胞死亡之间建立平衡的控制机制。

研究人员评估了干细胞可以维持组织稳态的不同假设,并测试了它们的可行性。分析揭示了角膜细胞的寿命(它们可以分裂的次数)与细胞在复制时相互影响的长度(分裂细胞是否仅胜过其最近的相邻细胞或它是否在竞争中胜出)之间存在内在关系?影响更大的社区?)。这些关系的含义之一是,被认为具有 3-4 次分裂寿命的“短命”祖细胞的寿命可能比以前认为的长 10-20 倍。

“我们体内的许多组织(如角膜和皮肤)都处于细胞死亡和更新的永久状态,而干细胞在组织再生能力中起着至关重要的作用,”萨维尔教授说。“然而,我们仍然不完全了解干细胞如何控制产生新细胞的能力,从而使组织保持合适的大小。此外,普通细胞的寿命在维持新细胞数量之间的平衡方面具有重要作用。产生和死亡的细胞数量。我们的工作为可以轻松通过实验测试的假设铺平了道路。”

干细胞的新视角

研究人员估计他们的发现支持了传统稀有干细胞模型无效的理解。目前的研究成果对于了解干细胞在皮肤、肌肉、毛囊、骨髓等不同组织中的基本特性具有重要意义。

研究人员希望这项研究中对角膜缘干细胞的身份和遗传特征的揭示将为了解角膜疾病和其他疾病的发展过程铺平​​道路,其中各种组织中的干细胞受损,也将导致开发创新疗法和新技术来修复受损器官(如角膜),其中包括使用针对干细胞中受损遗传途径的药物及其与支持它们的生态位细胞的相互作用。

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