細胞張力能使心臟細胞更強壯

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 14 日 12:00 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly

即使在醫療科技十分發達的現在,當人類心臟病發作之後,並不能完全治癒,而斑馬魚的心臟細胞卻可以輕而易舉取代原本丟失或被疾病侵害的細胞。因此科學家花了很長的時間探究這條小魚的再生能力,期望找到可以改善現有治療人類心臟疾病的方式。



一項發表在 9 月 25 日發行的《發育細胞》(Developmental Cell)期刊的研究成果,發現了細胞張力對心臟細胞再生的影響。作用在細胞上的力學張力,決定了這種波前性質及隨後造成的組織細胞再生。實驗結果展現了新的典範,顯示在組織中作用的力可直接指導丟失組織進行細胞再生的走向。

研究人員藉由拍攝斑馬魚心臟微小跳動的影片,發現能在培養皿中使細胞再度生長,影片也捕獲到這些細胞令人意想不到的行為。研究人員發現原以為消耗殆盡的心臟組織竟然能在波浪中再生!它們是由移動快速的超大型領導細胞在前方引領,並被體型較小的細胞拖延以產生其他細胞。

杜克大學(Duke University)醫學院細胞生物學所 Ken Poss 教授實驗室的博士後研究員兼本研究首席研究員 Jingli Cao 博士說:「我們的研究成果為再生組織的細胞週期動力學奠定了基礎。透過操作細胞的力學張力,我們可能也可以開發新的生物工程技術或轉譯方法。」

2015 年,Cao 博士和同事已能做到將斑馬魚的心臟移除後放入培養皿,觀察它的生長。在這項研究中,他們監測心外膜的再生情況,這是一層包覆在心臟表面的薄膜。令人驚訝的是他們發現心房和心室依然繼續跳動,彷彿這顆心臟仍長在斑馬魚體內。

研究人員摧毀了大部分心外膜,再將外植體器官置於顯微鏡下,希望能捕捉到動態的再生情形。他們原本預期看到一群細胞迅速複製 DNA 並分裂為新細胞,隨後補充器官表面丟失的細胞,然而事實並非如此。當然以上情況絕對會發生,但這並不是最主要的方法。相反地,再生過程是由已複製 DNA 卻不分裂的細胞主導,因此能有效製造出超大型細胞。

Cao 博士說:「想像一下你皮膚有個傷口,你想盡快覆蓋它,但你卻沒有足夠的細胞。藉由細胞變大,你就可以有效地覆蓋傷口。我們認為這種策略能以更高效率的方式提高覆蓋面積,同時增加再生能力。」Poss 教授則表示:「這項研究試著了解當細胞再生時,會如何做決策。如果有方法影響細胞做決策,引導細胞再生,形成更大的細胞,或在分裂時產生更多細胞,那麼這可能是影響組織修復能力的重要關鍵。」

研究人員測量了在再生波前的細胞特性,發現與較小的跟隨細胞相比,較大的再生細胞會以較快的速度穿越心臟表面。當測量細胞膜張力時,他們發現施加微小的切口後,領導細胞的回彈速度比跟隨細胞快,就像灌飽氣的氣球爆裂後縮回原樣。可以說是這樣的力學張力讓細胞維持在複製完 DNA 後不會分裂。

研究人員計劃使用斑馬魚心臟外植體培養系統,篩選可能增加心臟組織再生能力的小分子。這些化學物質可能成為未來研發用以修復心臟疾病或其他心血管疾病新藥的基礎。看似平凡且每個細胞都有的細胞張力,竟能大大影響細胞再生能力,甚至有機會使人類心臟細胞再生成為可能,實在很不可思議啊!

(首圖來源:Duke University)