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研究背景

器官移植是21世紀醫學領域最輝煌的成就之一，已有數十萬器官終末期患者因此而得到救治，不僅延長了器官衰竭和病變患者的壽命，還提高了他們的生命質量。

糖尿病是嚴重危害人類健康和生命的常見慢性代謝性疾病。近年來胰島移植治療糖尿病取得了突破性進展，是治療胰島素依賴型糖尿病的有效方法；然而供體的嚴重匱乏和移植排斥反應制約了臨床胰島移植的廣泛應用。而干細胞可以在體外自我增殖且具有分化成為各種組織細胞的潛能，因此若將干細胞誘導分化成為胰島細胞有望成為解決胰腺供體缺乏的有效途徑。

已有研究結果證實大鼠胰腺可以從小鼠體內通過大鼠多能干細胞與小鼠囊胚的異種重構獲得。雖然通過這種方法可以獲得大鼠來源且有功能的胰腺，但是這些胰腺都是小鼠胰腺大小，提取不出足夠的胰島用于治療糖尿病模型的實驗大鼠。

研究結果

東京大學干細胞生物學和再生醫學研究中心Tomoyuki Yamaguchi等通過反向設計實驗（Fig.1），將小鼠多能干細胞（PSCs）注射到 Pdx1缺乏的大鼠囊胚內，獲得了大鼠胰腺大小且來源于小鼠多能干細胞的胰腺。然后將提取出的胰島移植到鏈唑霉素（STZ）誘導的糖尿病小鼠模型中。在無免疫抑制劑的情況下，移植后的胰島可以穩定調控宿主小鼠機體血糖水平，從而有力地證明了通過多能干細胞異種囊胚重構獲得胰島的治療潛力，為最終開展臨床胰島移植奠定了臨床前基礎。

Fig.1 Schema of concept for treatment of diabetes by interspecies blastocyst complementation

研究解析

1.生成Pdx1 缺乏的大鼠

Pdx1是大鼠和小鼠高度保守的編碼基因，有相同的同源結構域，是胰腺干細胞發育過程中表達的第一個分子標志，其純合子缺失突變會導致胰腺無法形成。本實驗設計中，利用TALEN基因編輯技術，通過雜交獲得突變的純合子Pdx1mu/mu大鼠(Fig.2) 。

Fig.2 Generation of apancreatic rats by TALEN-mediated

2.嵌合型胰腺的生成

為了獲得種間嵌合體，經增強型綠色熒光蛋白（EGFP）標記的小鼠多能干細胞，被注入Pdx1^+/mu大鼠囊胚中，雜交獲得突變的純合子Pdx1^mu/mu大鼠，相較于Pdx1^+/mu大鼠，EGFP的表達在Pdx1^mu/mu大鼠胰腺中已完全覆蓋，胰腺大小與同時期野生型大鼠胰腺相當，且胰腺組織的內分泌表達激素(如胰島素、胰高血糖素、生長抑素等)與野生型大鼠胰腺的表達也無統計學差異（Fig.3a-b）。

進一步檢測mouseR胰腺功能，GTTs結果顯示Pdx1^mu/mu大鼠宿主胰腺對葡萄糖的應激反應略為緩慢，60min后血糖水平出現下降趨勢，約2小時恢復到正常水平；但GTT AUC沒有明顯的差異（Fig.3c-d）。由此可知，嵌合型胰腺可以在宿主體內發揮正常的血糖調節功能。

Fig.3 Generation of mouse pancreata in rat by interspecies blastocyst complementation

3.移植嵌合型胰島到糖尿病模型小鼠體內

為了檢測嵌合型胰島的治療潛能，將分離后的胰島移植于鏈脲佐菌素（STZ）誘導建立的C57BL/6N糖尿病模型小鼠腎被膜下。經檢測發現移植后的嵌合型胰島呈現正常胰島樣形態，且同樣可表達EGFP(Fig.4a)。移植后的胰島可以在沒有免疫抑制的情況下穩定調控宿主血糖370多天，且在GTTs實驗中調控反應表現正常。但當實驗小鼠實施腎切除手術（包含移植后的胰島）后，其血糖含量立即升高(Fig.4b)，由此充分證明移植后的胰島在宿主體內可以行使調控機體血糖的功能。移植后宿主機體并未出現明顯的免疫反應，T細胞和巨噬細胞分別分泌表達的CD3和CD11b未顯著表達(Fig.4c)。

Fig.4 Transplantation of mouse R islets into mice with drug-induced diabetes

為了使這種方法真正運用于臨床，可以將人類干細胞整合到更大的動物胚胎中，使其產生適合人類大小的胰島。豬和人的胰島結構較為接近，且豬胰島素已成功應用于臨床，故豬成為臨床異種胰島移植最有希望的動物供體之一。但如何獲取大量高質量的功能性胰島細胞及有效抑制異種免疫排斥反應仍是異種胰島移植的主要問題。

文獻來源：[IF:41.58]Tomoyuki Yamaguchi.et al. Interspecies organogenesis generates autologous functional islets. Nature. 2017 02 09;542(7640)

本文研究使用及相關的Bioss抗體