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无创成像方法可预测心肌细胞分化效率

干细胞研究在对抗心血管疾病的再生疗法和治疗方面具有巨大潜力,心血管疾病占全球所有死亡人数的 30% 以上。功能强大的心肌细胞——负责心脏收缩的肌肉细胞——对于疾病建模、药物筛选和其他再生医学方法很重要。

然而,将干细胞分化为心肌细胞的过程成本高昂、劳动强度大且变化多端。

需要对干细胞分化进行质量控制,以扩大工业应用。”

梅丽莎斯卡拉,研究员,莫格里奇研究所研究

在今天发表在《自然通讯》杂志上的一项新研究中,Skala 实验室开发了一种非侵入性成像技术,可以预测心肌细胞分化的效率,作为一种质量控制方法。

“如果我们能够在很早的阶段预测干细胞分化为心肌细胞的结果,那么我们就可以在制造阶段节省时间、金钱和速度,”Skala 实验室的主要作者兼助理科学家 Tongcheng Qian 说。

人类多能干细胞分化为心肌细胞大约需要14天,在此期间细胞的代谢活动会发生剧烈的变化。

研究人员在整个分化过程的不同时间点测量了 NAD(P)H 和 FAD 这两种参与细胞代谢的分子的自发荧光。由于该方法使用细胞的先天自发荧光,因此它是非侵入性的,可以实时进行而不会损坏细胞。

虽然有许多研究着眼于干细胞分化过程中的代谢变化,但钱和斯卡拉说,他们研究的预测模型很重要。

“对于应用或生物制造,我们可以在早期进行干预以改变培养基条件或改变汇合度以改善结果,”威斯康星大学麦迪逊分校生物医学工程教授 Skala 说。

钱从数万个细胞中收集了成像数据,然后将数据传递给了共同第一作者蒂芙尼·希斯特(Tiffany Heaster),后者在通过 Skala 实验室获得博士学位后现在在基因泰克工作。

“这是一个简单的逻辑回归模型,”Skala 说。“但蒂芙尼以严格的方式构建了它,并进行了单独的测试和验证;您需要进行稳健的科学检查。”

钱说,未来他想在模型中加入更多的因素,以进行真正精确的预测。

“仅仅处理这些数据的可重复性实际上就非常令人印象深刻,”Skala 补充道。“而且它与两年前的数据完全一致;我就像'科学有效!' 它让你对自己所看到的更有信心。”

研究人员希望这项工作为成像技术如何在更大范围内应用于批量制造提供了框架。

“心肌细胞也可以在悬浮培养中分化,”钱说。“如果我们做悬浮分化,或者类器官分化,那么它更像是一个行业制造规模。”

他说,在未来,他还希望看到他们的自发荧光技术应用于预测其他细胞谱系分化,如免疫细胞或血细胞,它们可能有其他应用。

该项目是科学思想如何从合作中诞生的完美例子,钱对干细胞的兴趣和他的化学工程背景与 Skala 在光学成像方面的专业知识相结合。

“这个项目是通过很多合作完成的。这是一个团队的努力,”钱说,感谢进行预测建模的 Heaster 以及协助分析的本科生和实验室成员。

Skala 补充道:“这是专业知识的结合,这正是我们热爱科学的地方。”

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