研究揭示了干细胞移植排斥反应的新线索

2006年，科学家们发现了一种将成熟细胞(例如，成年皮肤细胞)“重新编程”为干细胞的方法，这种干细胞原则上可以生成人体的任何组织或器官。许多人认为，这种开创性的技术进入临床并引领一场再生医学革命只是时间问题。

因为同一患者将是捐赠者和接受者细胞从这些所谓的诱导中衍生出来的多能干细胞(iPSCs)，这些细胞将被视为“自我”免疫系统这样就不存在困扰传统移植的排异反应问题。

但由于不可预见的挫折，IPSCS没有成为最初设想的固化，包括IPSC衍生的令人惊讶的临床前发现细胞移植经常被排斥，即使是在被重新引入细胞来源的生物体之后。

科学家们努力理解为什么发生这种拒绝。但是，与全国心脏，肺和血液研究所（NHLBI）和斯坦福大学的移植基因组学的实验室合作，从UC旧金山移植和干细胞免疫生理学（TSI）实验室进行了一项新的研究，表明了成年人-IVSC转化过程可以在称为线粒体的微小细胞结构中突变DNA。这些突变可以触发免疫反应，导致小鼠和人类排斥诱导多能干细胞，以及更普遍的干细胞移植。

“线粒体的作用已经被很大程度上忽略了在再生医学领域,但早期的努力在我们的实验室建议他们可能影响干细胞移植的结果,Tobias Deuse说,医学博士,朱利安即霍夫曼椅子在心脏手术在加州大学旧金山分校和新研究的主要作者,发表在8月19日自然生物技术。“我们很了解他们的角色，使我们能够可靠地控制我们的工程细胞，并确保干细胞产品可以移植到没有排斥的患者中。”

线粒体通常被称为细胞的动力源，它产生的能量几乎为地球上所有的生物过程提供燃料(没有线粒体的细菌除外)。但是线粒体的特别之处在于另一个原因:它们包含自己的基因组。

人类的“核”基因组，之所以被称为“核”基因组，是因为它位于细胞核中，包含超过20,000个编码蛋白质的基因和30亿个DNA碱基——构成遗传密码的四个字母的化学字母表。相比之下，人类线粒体基因组只包含13个蛋白质编码基因和不到17000个碱基。然而，在有高能量需求的组织中，微小的线粒体基因组对细胞总蛋白质含量的贡献不成比例。

“在做大量工作的细胞中，比如心肌细胞，细胞中产生蛋白质的mRNA分子中有三分之一是线粒体。这意味着单个线粒体突变的负担可能是巨大的。你最终得到的不是少数几个可能引发免疫反应的蛋白质——你最终得到数千个，”Sonja Schrepfer医学博士说，她是外科教授，也是这项新研究的资深作者。

为了证明这种线粒体突变可以引发免疫反应，科学家们用一种小鼠品系的核DNA和另一种小鼠品系的线粒体DNA创造了杂交干细胞。他们将这些细胞移植到具有相同核DNA的老鼠体内，但这些老鼠的线粒体DNA因两个蛋白质编码基因中的一个碱基而不同。移植后几天，他们从小鼠身上获取免疫细胞，并将这些细胞暴露在各种线粒体蛋白质片段中。唯一触发反应的蛋白质是由两个“外来”线粒体基因产生的蛋白质。

虽然类似的实验不能在人体上进行，但科学家们能够设计出一个聪明的变通方法。Deuse说:“我们招募了肝和肾移植患者，并设计了利用捐赠者和接受者线粒体DNA中自然发生的序列差异的实验。”

就像在小鼠实验中一样，研究人员从每个移植受体中分离出免疫细胞——在这种情况下是3个月和6个月后——并将细胞暴露在线粒体蛋白质片段中。结果是相同的:接受者的免疫细胞只被来自器官捐赠者的“外来”线粒体蛋白质触发。

“在鼠标和人类中，甚至一个线粒体突变甚至足以具有可识别的免疫应答，”Schrepfer说。

但一个重要的问题仍然存在:诱导多能干细胞来源的细胞是否会像肝脏和肾脏细胞一样发挥作用?

Deuse说，事实证明，iPSC转化过程具有高度的诱变性，并产生许多新的免疫激活线粒体突变。“在正常生理条件下，线粒体DNA发生突变的可能性是核DNA的10到20倍。将成年细胞转化为干细胞是一个艰难的过程，所以我们预计突变率会同样高，甚至更高。”

此外，与细胞核不同的是，线粒体缺乏修复DNA的分子机制。相反，人体依靠免疫系统找到并摧毁产生不熟悉的线粒体蛋白质的细胞——线粒体DNA发生突变的明确信号。

但是，成为IPSCS的细胞被重新编程并在身体外生长，并且不会通过免疫系统进行这种杂草过程，Shrepfer表示。“我们不会在生物体中制作IPSC，我们在没有免疫监督的情况下在培养皿中制作它们。我们培养这些细胞的较长，新突变将介绍的机会越大，或者是非常罕见的突变已经存在将被扩大。这使得IPSC在移植时更有可能被拒绝。“

该研究的合著者Hannah Valantine医学博士说，这些发现可能对移植领域产生重大影响。她的实验室进行了基因测序，以确定这些线粒体DNA突变。

“这项研究揭示一个可能的新的机制移植拒绝,并可能在未来开发利用更好的诊断和免疫抑制药物,”Valantine说,首席研究员的实验室器官移植基因组学在NHLBI心血管分会,美国国立卫生研究院的一部分。

但是，Deuse和Schrepfer说，iPSC移植并不是注定要失败的之前发现的一种方法万能“隐形”这种技术可以确保诱导多能干细胞和其他干细胞没有拒绝线粒体突变。但没有这种隐形斗篷，新的研究表明，在给药干细胞疗法之前，临床医生可能需要对线粒体突变进行仔细筛选。

“最重要的是，我们想让人们意识到这种现象。仅仅因为诱导多能干细胞来源于你自己的细胞并不一定意味着它们不会诱导免疫反应”,Schrepfer说。“在诱导多能干细胞生产过程中引入突变很容易，所以在移植前筛选用于治疗的诱导多能干细胞和干细胞产品的线粒体突变是至关重要的。”

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