Nature Cell Biology：高通量单细胞技术获得新突破

  人类肠道是一件了不起的事情。每周，肠道都会再生一层新的内皮细胞，脱落的表面面积相当于一个小型公寓，并用新的细胞进行修复。几十年来，研究人员已经知道，负责这一改头换面行为的是肠道干细胞，但是直到今年，美国北卡大学教堂山分校(UNC)医学、细胞生物学和生理学、生物医学工程副教授Scott Magness博士，才找到一种方法，在实验室内同时分离和培养成千上万个这样难以捉摸的细胞。这种高通量技术进步，有望为科学家提供研究干细胞生物学的能力，并能够探讨炎症性肠病、肠肿瘤和其他胃肠道疾病的起源。

  向前一步

  几年前，Magness和他的团队开始研究肠道干细胞，很快他们发现自己处于困境中。他们使用的第一种技术是，使用干细胞表面上的一种特定分子或标记，以确保他们可以将干细胞和其他肠道细胞区分开来。然后，他的团队只把干细胞从肠组织中取出来，在培养皿中进行培养。但是有一个问题。尽管所有分离的细胞都具有相同的干细胞标记物，每100个细胞当中却只有一个细胞能“自我更新”和分化成特化细胞，就像一个典型干细胞那样。

  Magness说：“问题是：为什么其他99个细胞表现的不像干细胞?我们认为这可能是因为它们都不尽相同，就像每个人都叫Judy但看起来却不一样。有各种各样的差异，我们一直以为同一名字(同一个分子标记)的这些细胞都是一样的。这一直是一个问题。但是解决问题以使我们可以研究这些细胞的唯一方式是，在单细胞水平上研究肠干细胞，这是史无前例的。”

  Magness以及越来越多的研究人员认识到，健康和疾病背后的许多生物学过程，都是由37万亿个细胞(它们构成了人体)中的一小部分驱动。单个细胞可以补充衰老的组织，产生耐药性，并成为病毒感染的载体。然而，这些奇异因子的影响在生物学研究中常常被错过，因为这些研究专注于成千上万个看似 “相同”的细胞。

  要区分真正的肠干细胞与相似细胞，需要分离成千上万个干细胞，并随时间推移跟踪每个细胞的行为。但Magness不知道如何完成这一壮举。他与UNC/NCSU生物医学工程联合系主任Nancy Allbritton博士合作。Allbritton的专业领域是精密加工——将大型设备挤压到非常小的尺寸。在他们的会晤中，Allbritton向Magness展示了她最新产物，一种比信用卡还小的设备，上面散布着15,000个微孔用于培养细胞。

  微型魔术

  每个微孔像一缕头发那样粗。通过将单个干细胞置入微孔，Magness和博士后Adam Gracz，可以看到细胞成长为发育充分的组织结构，被称为迷你肠道(mini-gut)。每个微孔可以加盖一个特定的地址，这将使研究人员能够追踪干细胞。

  在合作过程中，Allbritton实验室想出了另一个特征。如果研究人员决定想要进一步研究一个特定的迷你肠道，他们可以用一种特殊的工具(称为微型魔杖microwand)弹出已磁化的微孔，并单独培养组织或提取DNA进行遗传分析。

  新技术的目的是，帮助研究人员剖析肠干细胞的生物学机制，并探讨为什么一些细胞表现的不同于其他细胞。它也可以帮助科学家们了解一个细胞的邻域或“生态位”如何可能影响细胞的行为。这很重要，因为，在真正的肠道中，干细胞并不是存在于真空之中;它们被很多其他类型的细胞包围，包括上皮细胞、免疫细胞、肌细胞、神经细胞。新技术使得Magness实验室混合不同类型的细胞，并将它们放在一起培养，以探讨这些细胞彼此互相接近时会发生什么情况。

  细胞精密医学

  例如，上皮细胞(称为潘氏细胞)已被证明支持肠道干细胞的生长。Gracz决定使用新技术来检验这一假设：是否在附近的潘氏细胞越多，干细胞就会变得更好?他研究了数以千计个微孔，在里面共同培养了潘氏细胞和干细胞，他惊讶地发现，潘氏细胞的数量似乎不影响干细胞的生长。然而，当Gracz进一步观察时，他发现，与潘氏细胞有接触的肠干细胞，比那些没有接触潘氏细胞的干细胞有生存优势，表明这种细胞间的直接接触是提供支持所必需的。

  这些研究结果发表在最近的《自然细胞生物学杂志》(Nature Cell Biology)。

  Gracz说：“通过这个平台，我们可以用实验方法测试在文献中已经提出的一些假设。在某种程度上，我们已经能够做到以前不可能做的事情。这种方法最强大的部分在于，它可以使我们通过越来越高的分辨率，对肠道科学获得越来越深的认识。我们能看到一些事情并加以研究，特别是涉及到人类健康和疾病的信息。”

  研究人员说，新的技术也适用于来自其他组织的细胞，如乳腺癌、胰腺，或身体其他几乎任何部分。有一天，这种技术可以成为精密医学的一种方法，导向目标追踪单个干细胞的行为，作为个体对特定药物的反应指标。

  Gracz说：“生物学领域新兴的很酷但混杂的大创意是所谓的随机性——一个器官组成部分的不同行为总体上驱动一个器官的集体行为。所以，所有的干细胞可能在做不同的事情，但是让你身体运行的结果，总是相同的。”