鄧宏魁團隊利用化學小分子誘導人成體細胞轉變為多潛能幹細胞

糖尿病便祕腸炎管理 發佈 2022-05-23T14:08:32.128608+00:00

2022年4月13日,北京大學鄧宏魁研究團隊在Nature上發表了題為 Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells 的研究論文,首次在國際上報導了使用化學小分子誘導人成體細胞轉變為多潛能幹細胞這一突破性研究成果。


多潛能幹細胞具有無限增殖的特性和分化成生物體所有功能細胞類型的能力,這些神奇的特質,使其在細胞治療、藥物篩選和疾病模型等領域具有廣泛的應用價值,是再生醫學領域最為關鍵的「種子細胞」。在哺乳動物自然發育過程中,多潛能幹細胞只短暫存在於胚胎發育的早期階段,隨後便會分化為構成生物體的各種類型的成體細胞,喪失其「種子細胞」的特性。如何逆轉這一自然發育過程,使高度分化的成體細胞重新獲得類似胚胎發育早期的多潛能狀態,一直是幹細胞與再生醫學領域最重要的科學問題之一。


上世紀60年代,英國科學家John Gurdon在爪蟾中開發了細胞核移植技術,1997年Ian Wilmut團隊利用該技術製備了克隆羊多莉,證明了哺乳動物高度分化的體細胞可以被逆轉為早期胚胎的初始狀態,並獲得了發育為整個動物個體的能力。2006年,日本科學家Shinya Yamanaka報導了使用轉基因的方式可以將小鼠成體細胞重編程為多潛能幹細胞,被稱為誘導多潛能幹細胞(induced pluripotent stem cell,iPS細胞)。細胞核移植和導入外源基因的方法,證明了哺乳動物體細胞可以通過重編程逆轉為胚胎發育早期狀態,重新獲得「多潛能性」。這兩項技術於2012年榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。iPS技術的建立,打破了傳統胚胎幹細胞的倫理限制,為構建病人自體特異性幹細胞系提供了全新的方法,大大加速了幹細胞臨床應用的進程。近年來,已開展了針對帕金森、糖尿病和癌症等多種重點疾病的細胞治療臨床試驗。目前細胞治療的技術體系都是國外發展起來的,中國能否擁有原創的底層技術?


長期以來,鄧宏魁團隊一直致力於開發調控細胞命運的新方法和建立製備幹細胞的底層技術。2013年,鄧宏魁團隊在Science雜誌發表了一項原創性的研究成果,即不依賴細胞內源物質,僅使用外源性化學小分子就可以逆轉細胞命運,將 體 細 胞 重 編 程 為 多 潛 能 干 細 胞(chemically induced pluripotent stem cells, CiPS細胞)。相比傳統方法,化學小分子操作簡便靈活,時空調控性強、作用可逆,可以對細胞重編程過程進行精確操控。另外小分子誘導體細胞重編程技術作為非整合方法,規避了傳統轉基因操作引發的安全問題,有望成為更安全的臨床治療手段。之後,鄧宏魁團隊又相繼在CellCell Stem Cell等雜誌發表文章,詳細闡明了化學重編程獨特的分子機理,並進一步對小鼠化學重編程體系進行了大幅優化。隨後,包括謝欣、姚紅傑、裴端卿、劉林、祝賽勇等多個研究組利用相同或類似的小分子化合物組合,重複和優化了化學重編程技術。化學重編程誘導多潛能幹細胞的研究開闢了一條全新的體細胞重編程途徑,不僅有助於更好地理解細胞命運決定和轉變機制,而且為未來再生醫學治療重大疾病帶來新的可能。


2022年4月13日,北京大學鄧宏魁研究團隊在Nature上發表了題為 Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells 的研究論文,首次在國際上報導了使用化學小分子誘導人成體細胞轉變為多潛能幹細胞這一突破性研究成果。運用化學小分子重編程細胞命運(化學重編程),是繼「細胞核移植」和「轉錄因子表達」之後的新一代的,由我國自主研發的人多潛能幹細胞製備技術,為我國幹細胞和再生醫學的發展解決了底層技術上的「瓶頸」問題。



本次研究中,鄧宏魁團隊首次報導了使用化學重編程的方法,成功實現了使用化學小分子將人成體細胞誘導為多潛能幹細胞 (人CiPS細胞)。這一技術的建立開闢了人多潛能幹細胞製備的全新途徑,使其向臨床應用,邁進了一大步。


圖1:新一代誘導多潛能幹細胞技術


作為高等動物,人類成體細胞特性和穩態調控的複雜性遠非小鼠成體細胞可比,在表觀遺傳層面上存在重重障礙,嚴重限制了在人類成體細胞中激發細胞可塑性的可能。自2013年以來,儘管眾多國際團隊在小鼠化學重編程工作的啟發下進行大量嘗試,卻一直未能解決人類成體細胞的化學重編程問題。這使得領域內普遍認為:人類成體細胞的表觀遺傳限制是極其嚴格的,很可能無法通過化學重編程激發人類成體細胞獲得多潛能性。鄧宏魁團隊經過長期地堅持和不懈努力,突破了這一瓶頸。這一突破的關鍵步驟受低等動物再生過程啟發。蠑螈等低等動物在受到外界損傷後其體細胞會自發的改變本身的特性,進而通過去分化獲得一定的可塑性,藉助這一可塑的中間狀態從而實現肢體的再生。沿著這一思路,研究團隊進行了大量化學小分子的篩選和組合,最終發現高度分化的人成體細胞在特定的化學小分子組合的作用下,同樣可以發生類似去分化的現象,獲得具有一定可塑性的中間狀態。在此基礎上,研究團隊最終實現了人CiPS細胞的成功誘導。


與傳統的技術體系相比,CiPS細胞誘導技術具有更加安全和簡單、易於標準化、易於調控等不可替代的優勢,突破了iPS技術面臨的限制,具有廣闊的臨床應用前景。1)安全性方面,之前在小鼠CiPS細胞中已經證明,其攜帶的遺傳突變顯著少於傳統 iPS 細胞,產生的嵌合體小鼠在長達 6個月的觀察期內不產生腫瘤且全部健康存活。同時,人CiPS細胞分化來源的胰島細胞移植入小鼠和非人靈長類動物模型體內,經過長期觀察未發現腫瘤形成;2)在個體化製備方面,研究團隊目前已在不同年齡個體來源的體細胞類型上都可實現穩定誘導人CiPS細胞;3)在細胞標準化製備方面,化學小分子具有操作簡單,時空調控性強,作用可逆,合成儲存方便,易於標準化生產等一系列特點,使得人CiPS細胞在標準化和規模化生產方面有著不可替代的優勢。要特別指出的是,近期鄧宏魁團隊在Nature Medicine雜誌報導了人CiPS細胞來源的胰島細胞治療糖尿病的安全性及有效性的相關研究(Nat Med | 鄧宏魁/彭小忠/沈中陽合作揭示人多能幹細胞分化的胰島細胞可緩解非人靈長類的糖尿病)。移植後的糖尿病小鼠及猴模型均可以有效改善其血糖控制。這一結果凸顯了人CiPS細胞作為「種子細胞」治療重大疾病在安全性和有效性上的巨大優勢。


圖2:人CiPSCs技術在生物醫學領域具備廣闊的應用前景


在此基礎上,研究團隊還描繪了化學重編程誘導人CiPS細胞的分子路徑,揭示了化學重編程與傳統轉錄因子重編程不同的分子機制和獨特的調控機理。研究發現人CiPS的誘導以分階段精確調控的方式發生,在早期階段產生了特殊的中間狀態。通過和低等動物再生去分化過程中細胞性質的詳細比較,研究團隊確認了人CiPS誘導的早期階段激活了與低等動物斷肢再生早期類似的基因表達特徵。更重要的是,研究團隊還發現了調控這一類再生狀態的關鍵信號通路,證明抑制過度的炎症反應,對於化學重編程誘導人體細胞重新獲得類再生中間態至關重要。這一再生中間態為研究人體細胞重新激活再生基因提供了全新的思路,並且提示將來有僅通過化學小分子組合重新激活人體細胞可塑性和再生潛能的可能性,有望推動化學重編程在組織器官再生方向的應用,為再生醫學研究提供新的可能途徑。


圖3. 化學重編程激活再生相關網絡的分子機制


近年來,鄧宏魁團隊已經將化學重編程的策略拓展到了調控細胞命運的不同方面應用上。該團隊利用化學小分子實現了不同體細胞類型間的轉變,直接將皮膚細胞重編程為功能神經元Cell Stem Cell, 2015;Cell Stem Cell, 2017);建立了具有全能性功能特徵的EPS細胞Cell,2017);解決了肝臟細胞功能體外難以長期維持的難題(專家點評Science | 小分子,大作為:鄧宏魁/盧實春/袁正宏合作團隊突破人肝細胞體外長期培養瓶頸)Science, 2019),構建了具有再生能力的新型類器官模型(Cell Research | 鄧宏魁/徐君/李程合作建立具備再生能力的新型類器官培養方法)Cell Research, 2021),實現了體內原位化學重編程Cell Discovery, 2021)。這一系列工作體現了化學小分子調控細胞命運的普適性。


綜述所述,化學重編程技術體系的建立不僅在多潛能幹細胞臨床應用領域具有巨大的意義和價值,同時為細胞命運調控及再生生物學理論研究方面提供了全新的視角和平台。化學重編程可以精確調控細胞命運,有望成為高效製備各種功能細胞類型的通用技術,為治療重大疾病開闢了新的途徑。


北京大學鄧宏魁教授領導了此項研究。鄧宏魁教授,中國人民解放軍總醫院盧實春教授和北京大學王金琳博士是這一研究成果的共同通訊作者。北京大學關景洋王冠王金琳張正元傅瑤成林孟高帆呂鈺麟為該研究成果的主要作者。北京大學李程教授為該研究的生物信息分析提供了重要指導。


原文連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04593-5


專家點評


高紹榮(同濟大學生命科學學院)


鄧宏魁教授實驗室在多能幹細胞、體細胞重編程、轉分化以及幹細胞定向分化等領域做出了系列重要工作,特別是在2013年他帶領的研究團隊通過小分子化合物篩選建立了可以完全替代傳統的轉錄因子從而將小鼠體細胞誘導成為多能幹細胞的化學誘導重編程的方法,並在隨後的多項工作中進一步優化了化學重編程的小分子組合,並發現了化學誘導重編程過程中經歷一個類似於早期胚胎發育中XEN細胞的過程。化學重編程相比傳統的轉錄因子重編程具有很多優點,例如操作方便,不需要包裝病毒轉染細胞,可能對細胞基因組的完整性更有利。但是近10年來,人體細胞化學重編程一直沒有實現。


在剛剛發表的Nature文章中,鄧宏魁教授實驗室利用相似的化合物篩選方法,證明人的體細胞(包括胚胎來源和成體來源)也可以通過化學重編程的方法重編程為類似於胚胎幹細胞樣的多潛能幹細胞,在這項工作中,研究人員通過多年的嘗試,最終發現人的體細胞可以經十餘種小分子化合物的組合誘導經歷近2個月時間(中間分為4個誘導階段)誘導成為人化學誘導多潛能幹細胞,特別值得注意的是,研究人員通過單細胞RNA測序以及染色質可及性分析,發現第二個誘導階段對於最終人體細胞誘導成功至關重要,經過小分子化合物誘導細胞可以到達一個中間狀態,細胞具有了很好的命運可塑性,其中JNK細胞通路的抑制對於細胞獲得可塑性非常重要,這一發現與之前裴端卿教授發現的小鼠體細胞重編程中c-JUN的重要作用非常類似。研究人員也發現在接下來的第三個誘導階段,人體細胞重編程也會經歷一個類似於小鼠體細胞化學重編程的XEN細胞階段,最終實現重要多能性轉錄因子的激活和多能性狀態的維持。


這項工作對於人體細胞重編程意義重大,為我們提供了一種不同於轉錄因子誘導重編程的方法,可能在未來幹細胞臨床應用中更為有利。當然,現在誘導過程還比較複雜漫長,在將來的工作中進一步優化小分子化合物組合和縮短誘導時間將是研究重點。

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