入了解干细胞有助于创造个性化的再生医学

细胞器——细胞内 RNA 和蛋白质的碎片——在人类健康和疾病中发挥着重要作用，例如维持体内平衡、调节生长和衰老以及产生能量。细胞中的细胞器多样性不仅存在于细胞类型之间，也存在于单个细胞中。研究这些差异有助于研究人员更好地了解细胞功能，从而改进治疗各种疾病的疗法。

在乔治亚理工学院和埃默里大学库尔特生物医学工程系伯尼马库斯早期职业教授Ahmet F. Coskun实验室的两篇论文中，研究人员使用细胞内工具包检测了一种特定类型的干细胞，以确定哪些细胞最有可能产生有效的细胞疗法。

“我们正在研究细胞器在细胞内的位置以及它们如何交流以帮助更好地治疗疾病，”Coskun 说。“我们最近的工作建议使用细胞内工具包来绘制干细胞中的细胞器生物地理学图，这可能会导致更精确的治疗。”

创建亚细胞组学工具包

第一项研究——发表在自然组合期刊科学报告上——研究了间充质干细胞 (MSCs)，这些细胞在历史上为修复缺陷细胞或调节患者的免疫反应提供了有前途的治疗方法。在一系列实验中，研究人员能够通过快速亚细胞蛋白质组学成像创建数据驱动的单细胞方法，从而实现个性化干细胞疗法。

然后，研究人员实施了一种快速多重免疫荧光技术，在该技术中，他们使用旨在靶向特定细胞器的抗体。通过荧光抗体，他们跟踪波长和信号来编译许多不同细胞的图像，创建地图。然后，这些地图使研究人员能够看到细胞器接触的空间组织和相似细胞的地理分布，以确定哪种细胞类型最能治疗各种疾病。

“通常，干细胞用于修复有缺陷的细胞或治疗免疫疾病，但我们对这些特定细胞的微观研究表明它们彼此之间有多么不同，”Coskun 说。“这证明，在选择组织来源时，应考虑患者治疗人群和干细胞身份的定制分离及其生物能量细胞器功能。换句话说，在治疗特定疾病时，根据患者的需要从不同位置采集相同类型的细胞可能会更好。”

RNA-RNA 接近问题

在本周发表在Cell Reports Methods上的下一项研究中，研究人员将工具包更进一步，研究了单个细胞中多个相邻 RNA 分子的空间组织，这对细胞功能很重要。研究人员通过结合机器学习和空间转录组学改进了该工具。他们发现，分析基因接近度的变化以对细胞类型进行分类比仅分析基因表达更准确。

“分子之间的物理相互作用创造了生命;因此，这些分子的物理位置和距离起着重要作用，”Coskun 说。“我们在每个细胞的不同地理区域创建了一个亚细胞基因邻域网络的细胞内工具包，以仔细研究这一点。”

实验包括两部分：计算方法的开发和实验室实验。研究人员检查了已发表的数据集和一种根据物理位置对 RNA 分子进行分组的算法。这种“最近邻”算法有助于确定基因分组。在工作台上，研究人员随后用荧光标记 RNA 分子，以便轻松地将它们定位在单个细胞中。然后他们从 RNA 分子的分布中发现了许多特征，例如基因如何可能位于相似的亚细胞位置。

细胞治疗需要许多具有高度相似表型的细胞，如果治疗细胞中存在未知细胞的亚型，研究人员无法预测这些细胞一旦注射到患者体内后的行为。使用这些工具，可以识别更多相同类型的细胞，并且可以分离具有不常见基因程序的不同干细胞亚群。

“我们正在扩展用于分子亚细胞空间组织的工具包——如果你愿意的话，这是一把用于亚细胞空间组学领域的‘瑞士军刀’，”Coskun 说。“我们的目标是测量、量化和模拟每个细胞中具有多种功能的多个独立但又相互关联的分子事件。最终目的是定义一个细胞的功能，可以实现高能量、乐高式模块化基因邻域网络和多样化的细胞决策。”

这项研究由佐治亚理工学院的再生工程和医学以及NSF 细胞制造技术工程研究中心 (CMaT) 资助。