在骨髓中發現的間質幹細胞分泌治療蛋白質，有可能幫助受損組織再生。加州大學洛杉磯分校對這些細胞進行的一項研究，挑戰了人們對哪些基因指令促使這些治療蛋白釋放的傳統認識。這些發現有助於推動再生醫學研究和已在使用的生物療法的實驗室生產。

共聚焦顯微鏡影像顯示，間質幹細胞（綠色）被捕捉到奈米瓶（粉紅色）。奈米囊技術由加州大學洛杉磯分校的迪諾-迪卡羅（Dino Di Carlo）及其同事開發。圖片來源：Shreya Udani/加州大學洛杉磯分校

如今，從癌症、COVID-19 到高膽固醇，基於抗體（抗感染和疾病的蛋白質）的藥物已成為治療各種疾病的處方藥。抗體藥物由基因工程細胞提供，這些細胞在實驗室中就像一個個生產蛋白質的小工廠。

同時，研究人員一直在針對癌症、內臟損傷和其他一系列疾病採取新策略，將類似的工程細胞直接植入患者體內。

這些生物技術應用所依賴的原理是，改變細胞的DNA 以產生更多製造特定蛋白質的遺傳指令，會使細胞釋放出更多的蛋白質。

挑戰既定的生物學原理

然而，加州大學洛杉磯分校的一項突破性研究挑戰了這個由來已久的信念，至少在特定幹細胞類型中是如此。

研究人員對間質幹細胞進行了研究。間質幹細胞存在於骨髓中，可自我更新或發展成骨、脂肪或肌肉細胞。間質細胞分泌一種名為血管內皮生長因子-A的蛋白質生長因子，它在血管再生中發揮作用，科學家認為它有可能修復心臟病發作、腎臟損傷、四肢動脈疾病和其他疾病造成的損傷。

當研究人員將每個間質細胞釋放的VEGF-A 量與同一細胞中編碼VEGF-A 的基因表現量進行比較時，結果令人驚訝： 基因表現與生長因子的實際分泌量只有微弱的相關性。

科學家發現了與生長因子分泌更相關的其他基因，包括一種編碼某些幹細胞表面蛋白質的基因。研究小組分離了表面含有這種蛋白質的幹細胞，培養了大量分泌血管內皮生長因子-A的群體，並在數天後繼續分泌。

共同通訊作者、加州大學洛杉磯分校塞繆爾工程學院工程與醫學係阿爾蒙德和埃琳娜-海拉佩蒂安教授迪諾-迪卡羅介紹說，12月11日發表在《自然-納米技術》雜誌上的研究結果表明，生物學和生物技術中的一個基本假設可能需要重新考慮：”基於這一點，許多科學家假設，如果你更多的RNA就會有更多的蛋白質，然後從細胞中釋放出更多的蛋白質。我們對這一假設提出了質疑。”

迪卡羅同時也是加州大學洛杉磯分校加州奈米系統研究所（California NanoSystems Institute）和Eli and Edythe Broad再生醫學與幹細胞研究中心（Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research）的成員。”我們似乎不能假設，如果基因表現量較高，相應蛋白質的分泌量也會較高。我們發現了一個明顯的例子，說明這種情況並沒有發生，這也為我們提出了很多新的問題” 。

這些結果有助於提高抗體療法的生產效率，並確定更有效的新細胞療法。知道了正確的基因開關，就能設計或選擇產量極高的細胞，用於製造或提供療法。

單細胞分析的突破

加州大學洛杉磯分校的研究使用了標準實驗室設備，並採用了迪卡洛和他的同事發明的一種技術：奈米瓶，一種碗狀水凝膠微型容器，每個容器都能捕獲單個細胞及其分泌物。利用新的奈米瓶分析方法，科學家們能夠將1萬個間質幹細胞中每個細胞釋放的VEGF-A量與繪製同一細胞表達的數萬個基因的圖譜聯繫起來。

該研究的共同通訊作者、加州大學洛杉磯分校生物化學教授、布羅德幹細胞研究中心（Broad Stem Cell Research Center）成員卡特琳-普拉斯（Kathrin Plath）說：”在單細胞層面將蛋白質分泌與基因表現聯繫起來的能力，為生命科學研究和治療開發領域帶來了巨大希望。沒有它，我們就不可能在這項研究中發現意想不到的結果。現在，我們有了一個令人興奮的機會，可以了解生命基本過程的新機制，並利用所學知識促進人類健康。”

雖然VEGF-A基因指令的活化與蛋白質的釋放幾乎沒有關聯，但研究人員發現了153個與VEGF-A分泌密切相關的基因簇。其中許多基因因其在血管發育和傷口癒合中的功能而為人所知；而其他基因的功能目前尚不清楚。

其中一個匹配度最高的基因編碼一種細胞表面蛋白，即IL13RA2，人們對它的作用還不甚了解。IL13RA2的外部位置使科學家更容易將其用作標記，並將這些細胞與其他細胞區分開來。帶有IL13RA2 的細胞比缺少該標記的細胞多分泌30% 的血管內皮生長因子-A。

在類似的實驗中，研究人員將分離出來的細胞培養了六天。培養結束後，帶有此標記的細胞比沒有該標記的細胞多分泌60%的血管內皮生長因子-A。

對臨床應用的潛在影響

雖然基於間質幹細胞的療法已在實驗室研究中顯示出前景，但對人體參與者進行的臨床試驗表明，這些新方案中的許多方案安全但不有效。利用IL13RA2對高VEGF-A分泌者進行分類的能力可能有助於扭轉這一趨勢。

迪卡羅說：”確定一個分泌較多的亞群，以及與該亞群相關的標記物，意味著可以非常容易地將它們分離出來。一個能夠產生高水平治療蛋白的非常純淨的細胞群體應該能夠產生更好的治療效果。”

編譯來源：ScitechDaily