眾所周知，懷孕期間的母親吸煙是流產(chǎn)，低出生體重和早產(chǎn)的危險因素。斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員現(xiàn)在開發(fā)了一種人類胚胎干細(xì)胞(hESC)模型，以證明在電子煙液體和戒煙輔助工具中發(fā)現(xiàn)的尼古丁如何對發(fā)育中的胚胎中的不同細(xì)胞類型產(chǎn)生不利影響。

作者由Stanford心血管研究所所長Joseph C. Wu博士和Simon H. Stertzer在斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)和放射學(xué)系授課，他們的模型可以提供新的見解。尼古丁對發(fā)育中胎兒體內(nèi)個體器官和細(xì)胞的影響，也可用于優(yōu)化藥物和環(huán)境毒性篩查。

“在煙草，電子香煙和尼古丁口香糖等產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的尼古丁可能會對懷孕期間發(fā)育中胚胎的不同器官產(chǎn)生廣泛的有害影響，”吳說。“這些結(jié)果尤為重要，因為它們?yōu)榻逃?，特別是年輕女性，在懷孕或考慮養(yǎng)家糊口時遠(yuǎn)離吸煙提供了科學(xué)依據(jù)。”

吳的團(tuán)隊與斯坦福大學(xué)心血管研究所，干細(xì)胞生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)研究所，心臟病學(xué)研究所以及亞利桑那大學(xué)醫(yī)學(xué)院的同事合作，在一篇名為“ 干細(xì)胞報告 ”的論文中報道了他們的研究結(jié)果。人胚胎干細(xì)胞分化的單細(xì)胞測序描述了尼古丁對胚胎發(fā)育的不利影響。“

作者解釋說，懷孕期間的母親吸煙是已知的出生缺陷風(fēng)險，但也與不良神經(jīng)行為，心血管，呼吸，內(nèi)分泌和代謝結(jié)果密切相關(guān)，這可能持續(xù)到成年期。尼古丁是吸煙的主要化學(xué)成分，是導(dǎo)致這種高風(fēng)險的主要原因。“不幸的是，”他們指出，“含有尼古丁的新煙草產(chǎn)品(如電子煙)的推出和推廣正在扭轉(zhuǎn)最近在減少煙草使用方面取得的進(jìn)展。”

尼古丁在動物 - 主要是嚙齒動物 - 中的不利影響已得到很好的研究，并證明在懷孕期間接觸藥物對胎兒發(fā)育方面有不利影響，包括細(xì)胞損傷，炎癥增加，氧化應(yīng)激和細(xì)胞復(fù)制受損。然而，在人類中進(jìn)行這樣詳細(xì)的調(diào)查是不可行的。“然而，尼古丁對人類胚胎發(fā)育和相關(guān)機(jī)制的影響仍然知之甚少，”研究人員評論道。

為了解決一些局限性，Wu的團(tuán)隊及其合作者使用單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)分析了21天尼古丁暴露對人類胚胎干細(xì)胞衍生的胚狀體產(chǎn)生的12,500個細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組的影響( EBS)。這些是不同類型的多能細(xì)胞的實驗室培養(yǎng)的3D聚集體，其將分化成最終形成器官的多種細(xì)胞類型，包括心臟，腦，肝，血管和肌肉。雖然使用體外分化的胚胎體來模擬早期胚胎發(fā)育并不是新的，但是先前關(guān)于基因表達(dá)的工作已經(jīng)利用了常規(guī)的大量RNA測序，其對于研究個體細(xì)胞類型具有有限的實用性。

基于微滴的scRNA-seq技術(shù)的出現(xiàn)意味著現(xiàn)在可以在異質(zhì)細(xì)胞群中分析單細(xì)胞水平的轉(zhuǎn)錄組。“在這里，我們使用EB的scRNA-seq來表征尼古丁對hESC分化的影響，”作者評論道。“在單細(xì)胞水平上對照和暴露于尼古丁的EB的綜合分析使我們能夠定量評估細(xì)胞類型特異性對尼古丁的反應(yīng)。”

分析的EB細(xì)胞類型包括六個主要祖細(xì)胞：神經(jīng)，肝，基質(zhì)，內(nèi)皮，上皮和肌肉。結(jié)果廣泛顯示，暴露于尼古丁降低了細(xì)胞活力，增加了活性氧(ROS)，并減少了胚狀體的大小，導(dǎo)致異常形成和分化。尼古丁暴露還改變了從hESC分化的各種祖細(xì)胞中的細(xì)胞周期，并且導(dǎo)致細(xì)胞間通訊失調(diào)，這是一種尚未充分研究的副作用。

有趣的是，細(xì)胞類型組成變化的量化表明，尼古丁暴露與上皮細(xì)胞減少5%和肝細(xì)胞增加4%有關(guān)。在每種細(xì)胞類型中受尼古丁影響的基因的相對比例也存在相當(dāng)大的差異，肌肉細(xì)胞表現(xiàn)出最大數(shù)量的差異表達(dá)基因。

scRNA-seq結(jié)果顯示細(xì)胞類型特異性變化的基因表達(dá)涉及金屬毒性和線粒體功能，腦畸形和智力殘疾，肌肉發(fā)育和疾病，肺病和Ca 2+相關(guān)的心律失常，影響收縮性。心肌細(xì)胞。

例如，在神經(jīng)祖細(xì)胞中，尼古丁暴露導(dǎo)致某些基因的上調(diào)或下調(diào)，其已知的異常表達(dá)導(dǎo)致β-淀粉樣蛋白形成和突觸傳遞，腦畸形和智力殘疾的增加。在肌肉細(xì)胞中，響應(yīng)尼古丁暴露的最上調(diào)基因是肌球蛋白伴侶蛋白基因，其參與肌肉發(fā)育和疾病。

在基質(zhì)細(xì)胞中，已知調(diào)節(jié)營養(yǎng)水平和氨基酸乙酰化的兩個基因在尼古丁暴露后下調(diào)，而肝細(xì)胞表現(xiàn)出與脂質(zhì)代謝相關(guān)的基因的下調(diào)。在上皮細(xì)胞中值得注意的是與慢性阻塞性肺病相關(guān)的基因的表達(dá)降低，而在內(nèi)皮細(xì)胞中基因表達(dá)的細(xì)胞類型特異性改變與抑制糖酵解和內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙以及血管生成期間的內(nèi)皮管腔形成相關(guān)。 。

來自各種祖細(xì)胞群的DEG模式表明對源自所有三個胚層的細(xì)胞具有廣泛的影響。“這很重要，因為我們知道吸煙和尼古丁已被證明會增加內(nèi)分泌，生殖，呼吸，心血管和神經(jīng)系統(tǒng)的病理風(fēng)險，這些系統(tǒng)依賴于多種細(xì)胞類型之間錯綜復(fù)雜的動態(tài)相互作用來穩(wěn)態(tài)和功能，”Wu補(bǔ)充說。 。

“我們的研究為評估尼古丁對人類胚胎發(fā)育的潛在影響提供了一個有效的平臺，”該團(tuán)隊得出結(jié)論。“我們的數(shù)據(jù)為產(chǎn)生人類胚胎干細(xì)胞的特定細(xì)胞群產(chǎn)前尼古丁毒性提供了潛在的分子機(jī)制。”

“我們研究的一個主要意義是，我們現(xiàn)在已經(jīng)驗證了一種評估藥物和環(huán)境毒性對人類胚胎發(fā)育影響的新方法，”吳說。他承認(rèn)胚胎體模型的一個限制是它無法概括孕婦的全身生理學(xué)。“例如，運動，壓力，食物或荷爾蒙變化的影響在這個模型中沒有被捕獲，”他說。

研究人員的目的是繼續(xù)研究尼古丁誘導(dǎo)的胎兒出生缺陷的機(jī)制。“我們希望這將導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物，可以幫助醫(yī)生更好地預(yù)防，診斷和治療這些疾病，”吳說。“此外，我們計劃利用我們的hESC衍生的胚胎體模型和單細(xì)胞測序技術(shù)來研究其他有害條件的廣泛影響，如空氣污染對人類胚胎發(fā)育的影響。”