杜克大学的生物医学工程师发现了成人肌肉 - 免疫系统中自我修复肌肉组织的关键组成部分。预计小鼠中的发现将在研究退行性肌肉疾病和提高未来细胞治疗应用中工程化组织移植物的存活方面发挥重要作用。
结果于10月1日在线发表在Nature Biomedical Engineering上。
2014年，由杜克大学生物医学工程教授Nenad Bursac领导的小组首次推出了世界上第一个自我修复，实验室培养的骨骼肌。它有力地收缩，迅速融入老鼠体内，并展示了在实验室内和动物体内自愈的能力。
这个里程碑是通过从两天大的老鼠身上取出肌肉样本，去除细胞，然后将它们“种植”到一个完全适合他们成长的实验室环境中来实现的。除了三维脚手架和大量营养素外，这种环境还支持肌肉干细胞(称为卫星细胞)的壁龛形成，这些细胞在受伤时激活并有助于再生过程。
然而，对于人体细胞的潜在应用，肌肉样本主要来自成年捐赠者而不是新生儿。许多退行性肌肉疾病直到成年才出现，并且在实验室中生长肌肉以测试这些患者的药物反应将受益于患者自身的成体细胞的使用。
只有一个问题 - 实验室制造的成人肌肉组织与新生儿组织没有相同的再生潜力。
“我花了一年时间探索从成年大鼠样本中设计肌肉组织的方法，这些方法可以在受伤后进行自愈，”马克·尤哈斯说，他曾是布尔萨克实验室的前杜克博士生，负责领导原创和新研究。
“添加各种已知有助于肌肉修复的药物和生长因子几乎没有效果，因此我开始考虑添加一种可以对损伤做出反应并刺激肌肉再生的支持细胞群，”Juhas说。“这就是我想出的巨噬细胞，即肌肉在我们体内自我修复能力所需的免疫细胞。”
巨噬细胞是人体免疫系统中的一种白细胞。从希腊字面翻译为“大食客”，巨噬细胞吞噬和消化细胞碎片，病原体和其他任何他们认为不应该悬挂的东西，同时也分泌支持组织存活和修复的因素。
肌肉受伤后，一类巨噬细胞出现在现场，以清除留下的残骸，增加炎症并刺激免疫系统的其他部分。他们招募的一种细胞是第二种巨噬细胞，被称为M2，可以减少炎症并促进组织修复。虽然这些抗炎巨噬细胞之前已用于肌肉治疗疗法，但它们从未被整合到旨在生长体外复杂肌肉组织的平台中。
Juhas花了几个月的时间来研究如何将巨噬细胞纳入系统。但是一旦他做了，结果发生了巨大变化。新的肌肉组织不仅在实验室中表现更好，而且在移植到活体小鼠中时表现更好。
“当我们用毒素破坏成人衍生的工程肌肉时，我们看不到功能恢复，肌肉纤维也不能恢复，”Bursac说道，他是Duke's Regeneration Next计划的联合主任。“但是在我们在肌肉中加入巨噬细胞之后，我们有了一个令人惊叹的时刻。肌肉在15天内恢复过来，几乎像受伤前一样收缩。这真的非常了不起。”
成功似乎主要源于巨噬细胞，其作用是保护受损肌肉细胞免受凋亡 - 程序性细胞死亡。虽然新生儿肌肉细胞自然抵抗投入毛巾的冲动，但成人肌肉细胞需要巨噬细胞帮助它们在不进入细胞死亡的情况下完成初始损伤。然后，这些存活的肌肉纤维为肌肉干细胞提供“支架”以锁定以执行其再生功能。
Bursac认为这一发现可能会为潜在的再生疗法带来新的研究方向。根据一种流行的理论，胎儿和新生儿组织在愈合方面要比成人组织好得多，至少部分是因为最初供应与M2巨噬细胞类似的组织驻留巨噬细胞。随着个体年龄的增长，这种原始的巨噬细胞供应被来自骨髓和血液的较少再生和更具炎症的巨噬细胞所取代。
“我们相信，我们的工程肌肉系统中的巨噬细胞可能更像人类天生存在的肌肉巨噬细胞，”Bursac说。“我们目前正在努力了解情况是否确实如此。人们可以设想'训练'巨噬细胞在像我们这样的系统中成为更好的治疗师，或通过遗传修饰增强它们，然后将它们植入患者的受损部位。”
当然，这项工作仍然是未来几年。虽然这项研究还表明人类巨噬细胞支持实验室培养的大鼠肌肉的愈合，并且Bursac小组的单独工作已经培养出含有巨噬细胞的复杂人体肌肉，但还没有一个良好的实验室或动物系统来测试再生能力这种方法可能在人类中。
“建立一个平台来测试工程人体组织中的这些结果是明确的下一步，”Bursac说。“沿着同样的路线，我们希望更好地了解工程肌肉中巨噬细胞在植入后对其血管化和神经支配的潜在作用。我们希望我们用免疫系统细胞补充实验室培养肌肉的方法将被证明是一种一般策略在未来的再生疗法中增加其他实验室培养组织的存活和功能。“