杜克大学的生物医学工程师发现了成人肌肉免疫系统中自我修复肌肉组织的关键组成部分。预期在小鼠中的发现将在未来的细胞治疗应用中，在研究退行性肌肉疾病和提高工程组织移植物的存活率方面发挥重要作用。
研究结果于10月1日在线发表在《自然生物医学工程》杂志上。
2014年，杜克大学生物医学工程教授Nenad Bursac领导的团队首次引入了世界上第一个自我修复和实验室培养的骨骼肌。它能有效收缩，迅速整合到小鼠体内，并在实验室和动物身上显示出自我修复的能力。
这个里程碑是从两天大的老鼠身上提取肌肉样本，取出细胞，然后将它们“种植”到一个完美定制的实验室环境中，以帮助它们生长。除了三维支架和大量营养物质，这种环境还支持肌肉干细胞(称为卫星细胞)的生态位形成，这些细胞在受伤时被激活，并有助于再生过程。
然而，对于人类细胞的潜在应用，肌肉样本主要来自成人供体，而不是新生儿。许多退行性肌肉疾病直到成年后才会出现，而在实验室中生长肌肉以测试这些患者的药物反应将受益于使用患者自身的成体细胞。
只有一个问题——实验室生产的成人肌肉组织没有新生组织那样的再生潜力。
“我花了一年时间探索从成年大鼠样本中设计肌肉组织的方法，这种组织在受伤后可以自我修复，”前杜克大学布尔萨克实验室博士生马克伊哈斯(Mark Iuhas)说，他领导了最初的研究和新的研究。
Juhas说：“添加各种已知有助于肌肉修复的药物和生长因子效果甚微，所以我开始考虑添加一组能够对损伤做出反应并刺激肌肉再生的支持细胞。“这就是我想出来的巨噬细胞，也就是肌肉在我们体内自我修复所需要的免疫细胞。”
巨噬细胞是人体免疫系统中的一种白细胞。从希腊直译为“大食者”，巨噬细胞吞噬和消化细胞碎片、病原体和任何他们认为不应该悬挂的东西，同时分泌支持组织存活和修复的因子。
肌肉受伤后，一种巨噬细胞出现在现场，清除残留物，增加炎症，刺激免疫系统的其他部分。他们招募的细胞之一是第二种巨噬细胞，称为M2，它可以减少炎症并促进组织修复。尽管这些抗炎巨噬细胞以前已经用于肌肉治疗，但它们从未整合到体外生长复杂肌肉组织的平台中。
Juhas花了几个月的时间研究如何将巨噬细胞整合到系统中。但是一旦他这么做了，结果就大不一样了。这种新的肌肉组织不仅在实验室中表现更好，而且在移植到活体小鼠体内时也表现更好。
“当我们用毒素破坏成人衍生的工程肌肉时，我们看不到功能恢复，肌肉纤维也无法恢复，”杜克再生下一个项目的联合主任布尔萨克说。“但在我们给肌肉添加巨噬细胞后，我们有了一个惊人的时刻。肌肉在15天内恢复，几乎和受伤前一样收缩。这真是太神奇了。”
似乎成功主要来自巨噬细胞，其功能是保护受损肌肉细胞免受凋亡程序性细胞死亡。虽然新生肌肉细胞天生抗拒扔毛巾的冲动，但成年肌肉细胞需要巨噬细胞帮助其完成最初的损伤而不致细胞死亡。然后，这些存活下来的肌肉纤维为肌肉干细胞提供了一个“支架”，使其锁定以执行再生功能。
Bursac认为，这一发现可能为潜在的再生疗法带来新的研究方向。根据一个流行的理论，胎儿和新生儿组织在愈合方面比成人组织好得多，至少部分是因为类似于M2巨噬细胞的组织最初被提供给宿主巨噬细胞。随着个体年龄的增长，这种原始的巨噬细胞供应被来自骨髓和血液的再生较少而炎症较多的巨噬细胞所取代。
Bursac说：“我们相信，我们的工程肌肉系统中的巨噬细胞可能更像人类体内自然存在的肌肉巨噬细胞。“我们目前正在努力查明情况是否真的如此。人们可以想象在像我们这样的系统中‘训练’巨噬细胞成为更好的治疗师，或者通过基因改造来增强它们，然后将它们植入患者受损的部位。”
当然，这项工作还在未来几年。虽然这项研究也表明，人体巨噬细胞支持实验室培养的大鼠肌肉愈合，而且Bursac团队的独立工作培养了含有巨噬细胞的复杂人体肌肉，但目前还没有很好的实验室或动物系统来测试再生能力。这种方法可能用于人类。
“下一步是建立一个平台，在工程人体组织中测试这些结果，”布尔萨克说。“沿着同样的路线，我们希望更好地了解工程肌肉中巨噬细胞对其植入后血管化和神经支配的潜在影响。我们希望我们用免疫系统细胞补充实验室培养肌肉的方法将被证明是未来再生治疗中增加其他实验室培养组织存活和功能的通用策略。”
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