人类胚胎干细胞分化为视网膜色素上皮用于治疗急性黄斑变性。“聚光灯”代表使用单细胞RNA测序来揭示视网膜色素上皮分化的早期、中期和晚期时间点细胞的基因表达状态。
随着年龄的增长，我们的眼睛也在衰老;最常见的是，这包括视力的改变和新眼镜，但还有更严重的与年龄有关的眼睛问题。其中一种是与年龄有关的黄斑变性，它会影响黄斑——眼睛的后部，让我们拥有敏锐的视力和分辨细节的能力。结果就是我们视野的中心部分变得模糊。
黄斑是眼睛视网膜的一部分，视网膜是一种感光组织，主要由眼睛的视细胞组成:锥状细胞和杆状感光细胞。视网膜还含有一层视网膜色素上皮(RpE)，它有几个重要的功能，包括吸收光线、清理细胞废物和保持眼睛其他细胞的健康。
RpE的细胞也滋养和维持眼睛的感光细胞，这就是为什么最有希望的治疗老年性黄斑变性的策略之一是用从人类胚胎干细胞中生长的新RpE细胞来取代老化、退化的RpE细胞。
科学家已经提出了几种将干细胞转化为RpE的方法，但我们对细胞如何随着时间的推移对这些刺激做出反应的知识仍然存在差距。例如，一些协议需要几个月，而另一些可能需要长达一年。然而，科学家们还不清楚在这段时间里到底发生了什么。
混合细胞群
EpFL生命科学独立研究(ELISIR)项目的研究员Gioele La Manno博士说:“没有一个为临床试验提出的分化协议在单细胞水平上经过长时间的仔细审查——我们知道它们可以制造视网膜色素细胞，但细胞如何进化到这种状态仍然是一个谜。”
他补充称:“总体而言，该领域过于关注差异化的产物，以至于所采取的道路有时被忽视了。为了该领域的发展，了解这些协议中发生的动态方面是很重要的。成熟的路径可能和最终状态一样重要，例如，对于处理的安全性或提高细胞纯度和缩短生产时间。”
跟踪干细胞长成RpE细胞的过程
拉曼诺现在领导了一项与瑞典卡罗林斯卡研究所(Karolinska Institute)的弗雷德里克·兰纳(Fredrik Lanner)教授的研究，该研究描述了一种将人类胚胎干细胞分化为RpE细胞的协议，实际上是为了临床使用。他们的工作表明，该方案可以开发出安全有效的基于多能干细胞的老年性黄斑变性治疗方法。这项研究发表在《干细胞报告》(Stem Cell Reports)本月的封面上。
该研究的主要作者之一、EpFL的博士生Alex Lederer说:“定量pCR和批量RNA-seq等标准方法从大量细胞中捕获RNA的平均表达。在混合细胞群体中，这些测量可能会掩盖单个细胞之间的关键差异，而这些差异对于了解这一过程是否正确展开很重要。”相反，研究人员使用了一种名为单细胞RNA测序(scRNA-seq)的技术，它可以在给定的时间检测单个细胞中的所有活性基因。
看看中间状态
使用scRNA-seq，研究人员能够在整个分化过程中研究单个人类胚胎干细胞的整个基因表达谱，这一过程总共需要60天。这使他们能够绘制出一个群体中所有的瞬态状态，当他们成长为视网膜色素细胞，但也优化了协议和抑制非RpE细胞的增长，从而防止污染细胞群体的形成。Lederer说:“目的是在移植时防止混合细胞群，并确保端点的细胞与患者眼睛的原始RpE细胞相似。”
他们发现，在成为RpE细胞的过程中，干细胞经历了一个非常类似于早期胚胎发育的过程。在这个过程中，细胞培养开始了“喙侧胚胎模式”，这个过程发展了胚胎的神经管，这将继续成为它的大脑和视觉、听觉和味觉的感觉系统。在这种模式之后，干细胞开始成熟为RpE细胞。
眼对眼:RpE细胞移植动物模型
但分化方案的重点是产生一个纯RpE细胞群，可以植入患者的视网膜，以减缓黄斑变性。因此，研究小组将用scRNA-seq监测到的细胞群移植到两只新西兰白化母兔的视网膜下间隙，这两只白化母兔被该领域的科学家称为“大眼睛动物模型”。该手术得到了北斯德哥尔摩动物实验伦理委员会的批准。
这项工作表明，该方案不仅产生了纯RpE细胞群，而且这些细胞即使在视网膜下间隙被移植后也能继续成熟。Fredrik Lanner博士说:“我们的工作表明，分化方案可以开发出安全、高效的基于多能干细胞的治疗老年性黄斑变性的方法。”他目前正在确保该方案很快能在诊所中使用。
Molecular profiling of stem cell-derived retinal pigment epithelial cell differentiation established for clinical translation