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生物医学工程师使用诱导多功能干细胞首次培养出具有功能的人类骨骼肌肉。研究进展是建立在 2015 年发表的工作基础上的，当时杜克大学的研究人员从肌肉活检中所获得的细胞生产了具有功能的人类肌肉组织。利用非肌肉组织产生更多肌肉细胞对于科学家来说将更有意义，基因编辑、细胞治疗、开发个体化模型用于罕见肌肉疾病的药物开发，以及基础生物学研究等。
研究论文 1 月 9 日在线发表在了《Nature Communications》杂志上。
“从不是肌肉细胞的诱导多功能干细胞开始，但是可以成为我们身体内所有现存的细胞，允许我们产生无限数量的肌原始祖细胞，”杜克大学生物医学工程教授 Nenad Bursac 表示，“这些祖细胞与成人肌肉干细胞类似，称为‘卫星细胞’，理论上来说，可以从一个细胞开始，产生完整的肌肉。”
在他们之前的工作中，Bursac 和他们的团队是从一个人类肌肉细胞活检中所获得的——称为“成肌细胞”的小样开始的。这种成肌细胞的进程已经超越了干细胞阶段，但是还没有成为成熟的肌纤维。研究人员将这些“成肌纤维”培养成很多倍，然后将他们放进一个充满了滋润的凝胶的三维支架内，以提供支持作用，允许这些细胞形成整齐排列的人体肌纤维。
由诱导多能干细胞生长的肌肉纤维的横截面。绿色表示肌肉细胞，蓝色是细胞核，红色是细胞周围的支持基质。图片来源：杜克大学
在新的研究中，这些研究人员没有再使用人类诱导多功能干细胞作为开始。他们采用了一些其他的非肌肉组织、例如皮肤或者血细胞，并通过重新编程转变为原始状态。在信号分子 Pax7 的诱导下，多功能干细胞之后会生长成为肌肉。
随着细胞的增殖，它们会变得和成人的肌肉干细胞很相似，但没有那么强壮。虽然此前的研究已经完成了这个壮举，但是没有人能够让这些中间细胞变成正常的骨骼肌。
杜克大学的研究人员成功的实现了此前失败了的尝试。
“经过多年的反复试验，我们做出了有根据的猜测，并采取了一些步骤，最终从多能干细胞中培育出功能正常的人类肌肉，” Bursac 实验室的博士后研究人员，研究的第一作者 Lingjun Rao 表示，“我们独特的细胞培养条件和 3D 矩阵，可以使得细胞生长和发育都远快于典型的 2D 培养方法。”
一旦细胞顺利地成为肌肉，Bursac 和 Rao 会停止提供 Pax7 信号分子，并开始提供细胞充分成熟所需要的支持和营养。
在研究中，研究人员展示了在 3D 培养 2 - 4 周之后，所获得的肌肉细胞形成了肌肉纤维，并与外部刺激产生反应，比如电脉冲和模仿神经输入的生化信号，就像原生肌肉组织一样。
他们还将新生长的肌肉纤维植入成年老鼠，显示它们至少存活了 3 周，并通过血管化逐渐融入到原生组织中。
所获得的肌肉，并不像原生肌肉组织那样强壮，也不如之前肌肉活检所培养的肌肉长得长。尽管有这样的问题，但是研究人员说这样的肌肉依然具备衰老肌肉所不具备的强度。
新肌肉纤维的染色横截面。红色的细胞是肌肉细胞，绿色区域是神经元输入的受体，蓝色的斑块是细胞核。图片来源：杜克大学
多能干细胞衍生的肌肉纤维形成了“星状细胞”的储层，这是正常成人肌肉修复损伤所必需的，而先前研究的肌肉细胞中这种细胞则少得多。相比于活检法而言，干细胞法也能从较小的起始批次中生长出更多的细胞。
这两种优势都证明，这种新方法具有未来进行再生治疗和创建疾病治疗模型的良好应用潜力。
“研究罕见疾病的前景对我们来说尤其令人兴奋，”Bursac 说。“当一个孩子的肌肉已经由于杜氏肌肉萎缩症等疾病而消失时，再从他们身上提取肌肉样本，造成进一步的破坏是不道德的。但有了这种技术，我们只需取一小块非肌肉组织，如皮肤或血液，将获得的细胞恢复到多能状态，并最终生长出无数的功能肌纤维来进行测试。”
这项技术还有望与基因疗法结合在一起。理论上，研究人员可以在从病人身上提取的诱导多能干细胞中修复遗传缺陷，然后再培养一小块完全健康的肌肉。虽然这不能治愈或取代整个身体的病变肌肉，但它可以与更广泛的靶向基因疗法结合使用，或治疗一些局部的疾病。
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