尿在生物学中的妙用

尿液是一个令人难以置信的复杂的生物流体。尿液的物理性状，如尿量、颜色、透明度、气味、pH和比重等，以及尿液的化学成分，都能提供有关一个人的健康与否、他们所吃的什么、他们正在服用什么药和环境中什么样污染物的关键信息。用于医疗目的的尿液分析可追溯到超过3000年前。

根据之前的的一项研究，科学家门在人类尿液中检测到3000多种化学物质或“代谢产物”。此外，根据一些其他的研究，尿液中某些气体分子的少许痕迹可以告诉我们体内是否发生异常状况，测量这些挥发性标记物可能是一个无创诊断疾病的新方法。

尿液中还存在一些从动物（包括人类）组织（主要是肾脏）中脱落的细胞，可以提取出这些细胞，将它们重编程为诱导性多能干细胞（iPS细胞）。鉴于iPS细胞能够分化为体内几乎任何一种类型的细胞，因此可将所产生的iPS细胞分化为不同研究所需的细胞。相比于经常使用的皮肤细胞和血细胞，在将它们重编程为iPS细胞之前，需要利用侵入性的方法从动物体内获取皮肤组织和血液。这种侵入性方法不仅令实验对象产生疼痛感，而且还会提高感染上HIV、HBV和HCV等病原体的风险。相比而言，收集实验对象的尿液更加简单，根本无需采用侵入性方法，而且成本更低。

更加重要的是，在一项新的研究中，研究人员发现早产儿的尿液甚至含有肾脏干细胞，而无需经过iPS细胞的中间阶段，这样，只需直接从尿液中分离出肾脏干细胞，就可在体外进行增殖，就有可能用于再生医学，治疗肾脏相关疾病。

而在另一项研究中，研究人员阐述了其直接将尿液中的干细胞转化成为膀胱样细胞，比如平滑肌和泌尿道上皮细胞系等。而且尿液衍生的细胞同样也可以形成骨骼、软骨、骨骼肌等组织；细胞的多潜能性揭示了其可以用于多种疗法之中。

接下来，小编盘点一下过去几年利用源自尿液的细胞开展的研究，供大家阅读。尤其难能可贵的是，我国科学家裴端卿与潘光锦研究团队在这方面大放异彩，值得大家学习。

1. Nat Methods：将尿液中细胞重编程为神经元细胞的技术

用干细胞来修复子宫、肝脏等器官已经有了成功的案例，但用来修复神经组织却显得很难，因为自体神经干细胞的提取很困难。中科院的裴端卿与潘光锦研究团队建立了一种高效、快速获取神经干细胞的办法。这种办法可以在使用添加小分子的培养基条件下将尿液细胞直接重编程为神经干细胞，然后在体外扩增并进一步分化产生具有生理功能的各种类型神经元和胶质细胞。

为何尿液中能提取出神经干细胞？据介绍，由于尿液中有肾脏脱落的表皮细胞，经过处理就可以变成神经干细胞，只需要三周就可以培育出来。

来自中国中科院广州生物医学与健康研究所、大连医科大学、中国科学技术大学、香港理工大学、香港大学和澳门大学的研究人员开发出一种技术将在尿液中发现的细胞重编程为神经祖细胞(neural progenitor cell)，其中神经祖细胞能够分化为神经元。在这项研究中，研究人员描述了他们如何能够将在尿液中发现的肾上皮细胞重编程为神经祖细胞，而且这些神经祖细胞适合用于神经疾病研究。相关研究结果12月9日在线刊登在Nature Methods期刊上。

在这项新的研究中，研究人员发现他们能够将从肾内壁上自然脱落下来而进入尿液中的细胞重编程为多能性干细胞。在这种情况下，他们收集来自三个分别为37岁、25岁和10岁的人的尿液样品，并将在尿液中发现的肾上皮细胞重编程为神经祖细胞。一旦成功实现，这些神经祖细胞然后在培养皿中培养从而产生成熟的神经元和神经胶质细胞。通过对产生的神经元进行测试，研究人员发现它们能够产生电脉冲，这就意味着它们能够像正常的神经元那样发挥作用。接下来，研究人员将这些神经元移植到试验用小鼠的大脑中，并且发现它们能够存活高达至少一个月的时间。他们报道，迄今为止，他们还不清楚这些神经元是否可能持续更长的时间，或者这些神经元是否最终被整合进神经网络之中以便作为这种系统中正常的一部分。

除了发现尿液中的细胞能够被用来产生神经祖细胞，研究人员也创新性地开发出一种重编程这些细胞的新方法。他们不将病毒注射到这些细胞之中，相反使用细菌DNA片段。他们报道，他们的过程只需更少的时间，而且这些重编程细胞更不可能产生肿瘤。这个新过程的另一个明显的益处是利用尿液样品而不是采集血液或进行活组织检查就能够产生多能性细胞，即这种过程是一种更少侵入性的方法。研究人员说，他们的过程能够被用来再生祖细胞以便进行与特异性疾病相关联的研究。（Nature Methods， doi：10.1038/nmeth.2283）

2. Cell Regeneration：广州生物院成功利用人尿液诱导多能干细胞获得再生牙齿

近日，中科院广州生物医药与健康研究院裴端卿博士领导的研究团队通过人鼠组织重组的培养体系证实了人尿液多能干细胞可被用于构建再生牙齿。这是科学家首次利用人诱导多能干细胞获得成型的再生器官。该研究成果于7月30日在线发表在学术期刊Cell Regeneration上。

由于牙源性上皮细胞在成体中已无法获得，裴端卿研究团队通过诱导尿液细胞来源的多能干细胞分化为上皮样的膜状结构，取代再生牙齿的构建必须得上皮组织。该诱导多能干细胞衍生的上皮组织接受小鼠牙胚间充质的成牙信号，共同启动了再生牙齿的发生发育，并在移植到免疫缺陷鼠体内3周后形成了牙样结构。这些牙样结构具有人牙齿的正常结构，其中成釉细胞和牙釉质是由尿液诱导多能干细胞衍生的上皮组织发育而来的。此外，这些牙样结构与正常人牙有相似的理化性质，包括相似的硬度、弹性模量和一致的化学组成成分。

虽然该牙齿再生方法中还存在一些问题，如小鼠细胞的参与、30％的成牙率以及釉质硬度较低等，但未来可以通过人源间充质细胞的取代和培养体系的优化解决克服这些不足。该研究成果将为今后实现再生牙齿临床个性化治疗奠定重要基础。（Cell Regeneration， doi：10.1186/2045-9769-2-3）

3. Stem Cells：科学家发现来自尿液的干细胞或具有强大的治疗潜能

是否将来用干细胞治疗疾病就好比取病人尿液那么简单？近日，刊登在国际杂志STEM CELLS上的一篇研究报告中，来自Wake Forest Baptist医学研究中心的研究者通过研究揭示，尿液中的干细胞可以被直接重编程为多种类型的细胞。

Yuanyuan Zhang博士表示，这些干细胞可以通过非侵入性低廉的方式从病人的尿液样本中获得，而无需进行手术过程。

文中研究者阐述了其直接将尿液中的干细胞转化成为膀胱样细胞，比如平滑肌和泌尿道上皮细胞系等。但是尿液衍生的细胞同样也可以形成骨骼、软骨、骨骼肌等组织；细胞的多潜能性揭示了其可以用于多种疗法之中。

Zhang博士说道，这些干细胞可以被无限用于泌尿系统相关的疾病，比如肾脏疾病等，同样也可以应用于其它领域，同样也可以用于工程化取代膀胱及其它泌尿器官。

这项研究中，研究者从5至72岁的17个健康个体中取得了尿液样本，通过对尿液处理从中分理出细胞，下一步研究者将对细胞转化成为多种类型细胞的能力进行详细的检测和评估。

细胞可以分化成为三种组织层：内胚层、外胚层和中胚层，其也是成为真正干细胞的标志，研究者将可以分化为平滑肌和膀胱上皮细胞的细胞置于由猪肠组建的支架上，当将其植入小鼠机体一个月时，细胞就可以形成多层组织（类似于组织样结构）。

由尿液产生的干细胞具有间质细胞的标志，后者是来自于结缔组织的成体干细胞；同样这些干细胞也具有外膜细胞特性。那么这些干细胞到底来自哪里？研究者表示，这些细胞源于上泌尿道，包括肾脏；对于接受男性捐赠者捐赠且进行肾脏移植的女性参与者，研究者发现这些患者体内的尿液干细胞中含有Y染色体，这也就揭示了肾脏或许是这些干细胞的来源。

最后研究者Zhang表示，鉴别出了这些干细胞的来源将帮助我们更好地理解泌尿系统中间充质细胞多潜能性及其应用价值。（Stem Cells， doi：10.1002/stem.1424）

4. JASN：尿液中肾管状细胞是iPS细胞理想来源

从中国科学院广州生物医药与健康研究院了解到，该院科研专家研究发现，人体尿液中的肾管状细胞是诱导多能干细胞的理想来源之一，因为它的提取方法比其他办法更简单，且质量高。

此研究成果是由中国科学院广州生物医药与健康研究院的外籍科学家Miguel Esteban博士领导的21名研究人员，花了8个多月时间研究完成。他们最终找到了利用尿液中的肾管状细胞成功将其诱导为多能干细胞的方法。Miguel Esteban表示，这种技术操作重现性好，所产生的诱导多能干细胞表现出很好分化能力。这篇名为《尿液，诱导多能干细胞的理想来源之一》的文章于6月3日在《美国肾脏学会期刊》（Journal of the American Society of Nephrology）上在线发表。

如今，自从诱导多能干细胞技术出现后，世界各地的研究者都在对这项技术进行研究开发，它不仅具有胚胎干细胞的多能性，而且不涉及人类伦理问题，对再生医学来说，有着不可估量的潜在价值。目前，人体的许多细胞组织都能够被成功诱导成为多能干细胞，比如皮肤的成纤维细胞、角质细胞、神经干细胞、羊水细胞、血液细胞等等，但是哪种组织细胞来源最好，目前尚无定论。

对此，Miguel Esteban解释称，有时候在有某些皮肤病或者血友病、艾滋病等血液疾病病人身上，未必能从他们的皮肤成纤维细胞或者血液细胞中提取出诱导干细胞，因为他们的这些细胞可能不健康。

因而，他们开始寻找其他方法获取，为病人们减轻不必要的痛苦。他们随机挑选了13名年龄为20至30岁的不同肤色的人群，从他们的尿液中分离出来源于肾的管状细胞的尿细胞，用肾上皮细胞培养基培养之后，再用逆转录病毒感染的方法将四种外源因子导入到这13名供者的尿细胞中，16至25天内，出现胚胎干细胞样的克隆，再将这些克隆挑出来继续培养，最终获得稳定的诱导多能干细胞。

为了鉴定这些尿细胞来源的多能干细胞是否具有良好的分化能力，Miguel Esteban将尿细胞向三胚层定向分化，分别为外胚层的神经元细胞，中胚层的心肌细胞，和内胚层的肝细胞。经实验鉴定，这些分化的心肌细胞具有动作电位和钙流，证明其具有生理功能。（Journal of the American Society of Nephrology， doi：10.1681/ASN.2011010106）

5. JASN：肾脏干细胞新来源—早产儿尿液

根据一项新的研究，从早产儿尿液中非侵入式收集的肾脏祖细胞（kidney progenitor cells，也译作肾脏前体细胞）可能导致人们在针对肾病和肾损伤病人的再生性肾脏修复方面取得突破。相关研究结果于2016年3月3日在线发表在Journal of the American Society of Nephrology期刊上，论文标题为“Urine of Preterm Neonates as a Novel Source of Kidney Progenitor Cells”。

就人类而言，在怀孕大约34周后，肾脏发育就完成了，在此之后，肾细胞因自然老化、疾病或创伤而丢失。科学家们一直在寻找方法再生肾细胞，比如诱导其他类型的细胞表现出肾脏中这些细胞的过滤性质。

为了解决这个问题，来自比利时天主教鲁汶大学的Elena Levtchenko博士、Fanny Oliveira Arcolino理科硕士及其同事们研究了健康成年人尿液中是否存在干细胞或肾脏祖细胞，然而，他们发现在肾脏成熟后，这些未分化的细胞非常罕见。“因此，我们认为早产婴儿的尿液可能是一种更好的替代选择，这是因为他们的肾脏仍然处于发育之中”， Levtchenko解释道，“我们收集了出生一天后的早产新生儿的尿液，结果发现在50%的情形下，尿液样品含有肾脏祖细胞。”这些祖细胞能够分化为成熟的肾细胞，而且也具有阻止细胞死亡的防御机制。

早产新生儿肾脏祖细胞可能代表着一种强大的工具用于受损肾脏的细胞治疗和再生。早产婴儿出生后，立即获得从其尿液中收集到的肾脏祖细胞，并利用它们作为一种治疗手段有可能挽救这些新生儿的生命。（Journal of the American Society of Nephrology， doi：10.1681/ASN.2015060664）

6. Sci Rep：日本利用鼠尿液中的细胞成功克隆老鼠可望应用于濒危动物繁殖

日本山梨大学研究团队利用取自老鼠尿液内细胞，成功克隆老鼠，这项技术能避免伤害捐赠者，可望应用在濒临绝种动物的繁殖上。

据日本放送协会（NHK）报道，山梨大学生命环境学部生命工学科的若山照彦教授领导的团队，成功获得这项研究成果。研究团队把从老鼠尿液采取的细胞移植入卵子内，培育出克隆鼠，这是全球首次成功之举。若山照彦表示，“对这项世界首创的研究成果感到很高兴，此技术具有大幅扩展可克隆条件的可能性。”

报道称，研究团队利用此技术成功培育出3只雌、1只雄共4只克隆鼠，其中1只雌鼠在出生后2周死亡，其他3只克隆鼠都长到成年，并经过交配生下幼鼠，证实具有正常生育能力。此技术与从血液中采取细胞等方法不同，不会对捐赠者的身体造成伤害，今后可望应用于繁殖濒临绝种物物等。

由于捕捉和压制住野生动物有可能造成动物死亡，因而不伤害动物身体的采取细胞技术有其必要，这次的研究是在更接近自然状态下采取少量尿液并成功培育出克隆鼠，可望应用于濒临绝种动物的繁殖上。

这项研究成果刊登在最新一期英国《科学报告》（Scientific Reports）期刊。发表者是山梨大学生命与环境科学部研究团队。

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