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癌细胞也有“黑匣子”?“飞行数据记录仪”记录癌细胞生长过程

在最新一期的Nature杂志上,美国科学家开发了一种新技术,有望促进再生医学的发展和癌症研究的进步。

"癌"从何而来?

癌是存在在人体内部的,首先了解一下人体的构成。人的身体是由数亿万个细胞组成得,细胞的种类非常多,都有不同的分工和工作,工作起来循规蹈矩,所以,把人体比作一个“细胞国家”,那是再形象不过的了。

我们的染色体有数百万不同的信息,它告诉我们的机体应该怎样生长,发挥怎样的功能及怎样行动。通常情况下,这些基因正常发挥功能,并传递正确的信息。

但有时在细胞分裂过程中确实出现了错误——变异,改变了一个或更多的基因。变异的基因传递错误的信息,至少有一条信息与其应该传递的不同。一个细胞开始迅速生长,一次又一次的倍增后,就形成一种称作“癌”的肿块。这种叛逆的细胞就是“癌细胞”,所以说“癌”就是由机体细胞异常增生的必然结果。

这仅是癌形成过程的第一阶段,只需几秒钟至几小时。第二阶段,最终致癌物质作用于细胞。如经DNA修复有缺陷,DNA就发生突变,改变遗传的性能。当细胞分裂繁殖时,下一代子细胞接受了错误的信息,形态就发生了变化,成为癌细胞。

癌细胞一旦出现,就违背了人体细胞的正常发展规律,开始无限制的自由生长,由一个变成两个,两个变成4个,如此下去,细胞以不同的倍增时间进行分裂。快速生长的肿瘤倍增时间可能在1~4周,而较慢生长的肿瘤其倍增时间可能在2~6个月。发生20次倍增可能要5年,而此时具有100万个细胞的肿瘤仅仅只有针头大小,当倍增发生30次左右时肿块达到直径0.5cm,才能被X线检查发现,在此阶段,肿块内具有大约10亿个肿瘤细胞。第二阶段则相当长,大约需要15到30年。在这漫长的分裂再分裂的过程中,由细胞一步步变成了肿瘤,当肿瘤恶化的时候就演变成了癌症。

癌细胞到底从何而来?

上面说到癌是由基因变异出现的,但这只是表层的认识,具体的癌细胞从何而来还很难说清楚。

本周,由华盛顿大学的研究人员开发的一项新技术或许能够帮助找到这一问题的答案。

科学家们将这一技术命名为“飞行数据记录仪”(flight data recorder),而一些行业专家将它比喻为细胞发育的“黑匣子”。

该研究成果于12月5日发表在国际名期刊Nature杂志上。

细胞重编程与再生医学

据介绍,“飞行数据记录仪”能够揭示细胞从一种类型变成另一种类型经历了怎样的过程。

这有什么用呢?

回答这个问题前,先与大家谈谈“细胞重编程”和“再生医学”。

细胞重编程也是一种技术,简单的说,就是利用一些手段将一种细胞(如皮肤细胞)转变为另一种细胞(如肝脏细胞)。

那么,如何提高细胞重编程的效率和准确率呢?前提就是要弄清楚,一种细胞变成另一种细胞究竟经历了怎样的过程。在这之后,科学家们就可以想办法,让“起点细胞”严格按照这样的过程,一步步变成他们想要的“终点细胞”。

接着,科学家们可以将这些细胞培养成他们想要的人体组织和器官,用于测试药物疗效或者移植治疗。这也就是“再生医学”。

“黑匣子”技术

华盛顿大学的Samantha A.Morris博士是上述“飞行数据记录仪”的主要开发者。

研究团队的初衷是,想要设计一款工具,能够揭示将一种细胞“重编程”为不同类型的其它细胞需要怎样的具体条件。

据介绍,这项“黑匣子”技术利用了一种病毒的自然特性,该病毒会将微小的、被称为“CellTags”的DNA条形码插入到细胞中。当细胞分裂时,独特的条形码会被传递给所有的后代细胞。

在为期28天的细胞重编程过程中,新的条形码会在几个设定好的时间点不断加入,同时,科学家们也会利用单细胞RNA测序技术对各个时间点的细胞样本进行分析,看看它们在到达这个时间段时发生了怎样的变化。

最终,通过整合各个时间节点的数据,科学家们可以完整了解整个细胞“重编程”过程发生了什么。

Morris博士认为,当他们确定了保证“起点细胞”能够成功被重编程的各种初始条件,就能以更高的效率获得他们想要的“终点细胞”。如果达到最理想的状态,也就是100%的效率,这对再生医学领域将是真正令人兴奋的突破。

效率大大提升

事实上,科学家们已经找到了一个提高细胞重编程效率的关键条件——激活细胞中1个名为Mettl7a1的基因。这能使“起点细胞”重编程为“终点细胞”的可能性提高3倍。

在这项研究中,他们将小鼠皮肤细胞进行了“重编程”,使它们变成了“诱导内皮祖细胞”。这种细胞可以分化成肝脏细胞和组成小肠的细胞。

Morris博士称,他们希望最终能培育出“迷你肠道”,以帮助研究患有短肠综合症的早产儿。

短肠综合症会导致肠内组织死亡,为了阻止这种损伤,一些婴儿需要通过手术切除那部分肠道,这会导致婴儿失去吸收营养的能力。如果能利用人体细胞培养出“替代肠道”,这将是一个惊人的进步。

揭秘肿瘤形成过程

科学家们已经为这项“黑匣子”技术申请了专利。世界各地的很多研究团队表示了对这项新技术的浓厚兴趣。

一些科学家们正在利用该技术研究癌症,这将帮助他们弄清楚,哪些细胞癌变了,并追踪到它们的“起点细胞”,看看它们是怎样从一种健康的细胞最终演变成癌细胞的。这将对癌症诊断和治疗具有非常重要的意义。

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