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香港大學在幹細胞科研取得突破性發展 為胚胎發育、再生醫學、生物科技及農業的研究開拓新途徑

05-06-2019

香港大學在幹細胞科研取得突破性發展
為胚胎發育、再生醫學、生物科技及農業的研究開拓新途徑

豬胚胎擴展能胚胎幹細胞(從受精第五天的German Landrace​著床前胚胎中分化出的豬EPSC克隆)。

港大醫學院劉澎濤教授(右)領導的研究團隊及楊樹標教授在幹細胞科研取得突破性發展 — 世界首次發展出豬胚胎擴展能胚胎幹細胞。左為港大醫學院生物醫學學院助理教授張知恆博士。

由香港大學李嘉誠醫學院(港大醫學院)的科研團隊主導,與英國劍橋維康桑格研究院及德國聯邦動物衞生研究院的研究人員攜手研發取得幹細胞的新方法,為研究胚胎發育,以及為基因組學、再生醫學、生物科技及農業的轉化研究帶來突破。有關的研究結果已經在《Nature Cell Biology》期刊發表。

該項研究證實從豬隻及人類身上,均能取得擴展潛能幹細胞(EPSCs),其中以豬隻的EPSCs研究結果尤其重要,因為這是科研人員首次在豬早期胚胎中取得幹細胞。豬具有重要的生物醫學研究價值,因為其遺傳基因、身體構造及生理機能(如器官大小)與人類相近。如果能夠改造豬隻的幹細胞基因,不但對動物健康及食物生產將大有助益,也直接促進生物醫學研究 ,比如器官移植;而人類的EPSCs則可為人體的發育成長及再生醫學研究提供新的細胞來源。

是次研究由港大醫學院生物醫學學院和幹細胞及再生醫學研究中心的劉澎濤教授領導。他表示:「過去數十年,科研人員不斷嘗試提取豬胚胎幹細胞,但是只取得有限的進展。現在我們使用EPSC科技成功地從豬著床前胚胎建立幹細胞培養體系,並系統地分析這些新型幹細胞的發育、細胞和分子特徵。重要的是,我們亦以同樣方法取得類似的人類EPSC幹細胞。這些研究成果,以及我們以前發表的小鼠EPSCs,標示著胚胎幹細胞研究向前邁進重要的一步。」

直至目前為止,胚胎幹細胞一般都是來自於最少有數十個細胞的著床前胚胎(又稱囊胚)。在囊胚形成前,胚胎細胞仍然具備分化成不同種類細胞的可能性,因此具有全能性特徵。EPSCs從囊胚形成前的著床前胚胎取得,因此EPSCs也備有全能幹細胞特色。

至今,劉澎濤教授的團隊已經成功從小鼠、豬隻和人類取得EPSCs。這些來自不同物種的幹細胞,有相似的分子特性,而且容易作多次基因編輯。人類的EPSCs 除了可以分化為人體的所有細胞類型,以及可用於人類疾病和再生醫學研究之用,也由於人類的EPSCs可產生大量胎盤滋養層細胞,還可以提供研究妊娠併發症如子癇前期及流產等的機會。

本論文的第一作者、港大生物醫學學院的高學飛博士表示:「EPSC幹細胞擁有的發育特質是傳統或是標準的胚胎幹細胞或誘導性多功能幹細胞所沒有的。EPSC具備分化為胚胎及胚胎外細胞譜系的潛力 – 包括胎盤裡的滋胚層和卵黃囊的細胞,把發育生長的時鐘逆轉到細胞最早期的類型。EPSC也可以讓研究人員研究早期胚胎的發育、以及流產和發育障礙的原因。」

科學家在上世紀70和80年代首次從小鼠囊胚建立胚胎幹細胞系,但迄今為止,除了在一些囓齒類及靈長類動物以外,科學家一直較難從其他哺乳類動物建立胚胎幹細胞株。劉澎濤教授和其團隊在多年前提出新的EPSC構想,他們認為從比囊胚期更早期的著床前胚胎建立幹細胞體系成功機會可能更大。

劉澎濤教授說:「越早在哺乳類動物胚胎發育初期取得幹細胞,細胞中物種之間可能存在的差異越小,EPSC技術應用在多種哺乳類物種上的成功機會就越大。我們的目的是研究在甚麼條件下,可以在不同物種的胚胎發育的最早期取得幹細胞 — 這個時候的胚胎細胞猶如一張白紙,是次研究結果證明,這個構思和猜想基本上是正確的。」

劉澎濤教授實驗室於2017年在小鼠幹細胞研究中首次發現突破性的發展,找到了細胞譜系分化的主要分子路徑,並建立了小鼠EPSC細胞系。而這次的研究指示著類似的方法可用於人類和豬,以及可能用於更多的哺乳類動物上。

德國聯邦動物衞生研究院的Dr Monika Nowak-Imialek為本研究的共同第一作者,她說:「我們從豬胚胎分離出來的EPSCs是全球首個擁有完整特徵的豬胚胎幹細胞株。由於EPSC具有分化成所有種類細胞的發育潛能,它們將可以極大程度促進發育生物學、再生醫學、器官移植、疾病模型,動物健康、農業及生物科技。」

基於是次的研究結果,港大醫學院的科研團隊會繼續拓展EPSC科技,同時會與不同的研究組織合作。劉澎濤教授說:「我們感到十分興奮,因為這些嶄新的幹細胞在不久的未來,可以廣泛應用在基礎和轉化的研究上。」

關於研究團隊

是次研究由港大醫學院劉澎濤教授領導的研究團隊,與港大婦產科學系楊樹標教授合作進行;海外的合作團隊則包括:德國聯邦動物衞生研究院的榮休主任Heiner Niemann教授、Dr. Monika Nowak-Imialek;英國劍橋維康桑格研究院的Sarah Teichmann教授和陳希博士;英國阿斯頓大學Asif Ahmed教授;以及中國內地數間協作的研究實驗室。是項研究由港大醫學院、港大的內部基金會及維康桑格研究院資助。

 

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