「人源樣本來自於自願捐獻遺體的捐贈者，每次得到的新數據都伴隨著一個生命的離開，因此對所有的遺體捐贈者及家屬表達我們的敬意與感謝。」朱晗說。
朱晗本科和博士分別畢業於上海交大和港科大，目前他在美國加州大學聖地亞哥分校做博士後。
藉助這些捐贈者的數據，他對體外培養的胰島 B 細胞和真正的胰島 B 細胞發育過程，使用單細胞組學技術進行了比較分析。
結果表明，在真正的人類胚胎發育過程中，存在一種短暫分泌血清素的胰島 B 細胞，這種細胞與在體外培養過程中出現的「副產品」細胞非常相似。
然而，這種細胞會逐漸失去血清素，轉變為常見的胰島 B 細胞。相比之下，在體外培養中的血清素分泌細胞雖然逐漸減少，但不會完全消失。
可以肯定的是，單細胞組學數據和基因網絡調控分析能對其他研究提供數據支持。而「短暫分泌血清素的胰島 B 細胞」也被審稿人認為是一項重要而且令人振奮的發現。
體外培養的人類胰島 B 細胞可以被用於治療一型糖尿病，目前已經進入臨床試驗階段。但是，這些細胞在體外培養過程中還處於未完全成熟的狀態，無法完全滿足臨床需求。因此，本次研究旨在控制體外培養的 B 細胞分化方向並誘導其實現功能成熟。
但是，毫無疑問的是本次成果為大規模生產穩定的功能成熟人類胰島 B 細胞提供了理論基礎。此外，該團隊正著手於利用胰島 B 細胞進行體外藥物篩選，以期得到可用於治療二型糖尿病的藥物。
人工培育的胰島 B 細胞依然不夠成熟
隨著生活方式和飲食結構的改變，糖尿病在中國的發病率不斷上升。據統計目前國內糖尿病患者數量已經超過 1 億人，這嚴重危害了國民健康。
糖尿病是一種常見的代謝性疾病，其發病機制複雜，主要由於胰島 B 細胞缺失（常見於一型糖尿病）或功能缺陷（常見於二型糖尿病）導致胰島素分泌不足，進而導致血糖升高並引發嚴重的併發症。
近年來，學界通過定向誘導幹細胞發育的方法，在實驗室成功培育了人類胰島 B 細胞。
最近，也有其他課題組在一項臨床試驗中，將這種體外誘導的 B 細胞植入一型糖尿病患者體內，以期達到幫助患者控制血糖水平的目的。
對於致病機理更加複雜的二型糖尿病，體外培養的 B 細胞也可作為重要的病理模型，在疾病研究和藥物篩選的工作中發揮重要作用。
但是，由於這項技術尚處於研究階段，仍然存在一些問題和挑戰。比如，定向分化過程中存在一種分泌血清素的細胞，其在早期研究中被認為是分化過程的副產物，因此需要在最終產品中將其去除。
另外，體外培養的胰島 B 細胞並未完全成熟，與真正的 B 細胞相比仍存在差距，特別是在胰島素的分泌水平上。對於細胞治療工程來說，這些問題可能會影響其有效性和安全性。
而產生這些問題的部分原因在於，此前人們並未完全了解人類胰島 B 細胞的發育和成熟過程，特別是在這一過程中的基因表達調控尚未被全面揭示。基於此，朱晗開展了本次研究。
力爭促成 B 細胞的體外成熟
他表示：「樣本的收集是研究難點之一，起初我們手裡的數據主要來源於體外培養的胰島 B 細胞，而課題的關鍵在於得到人源樣本並進行比較。」
收集工作的順利完成，也得益於朱晗的導師瑪珂·桑德（Maike Sander）教授、同校的凱爾·高爾頓（Kyle Gaulton）教授、以及美國凡德比特大學阿爾文 C.鮑爾斯（Alvin C. Powers）教授課題組和英國倫敦國王學院弗朗西斯卡·斯帕格諾利（Francesca Spagnoli）教授課題組提供的協助。
得到數據之後，朱晗等人開始對數據進行清理、整合，藉此得到初步的結果。由於單細胞組數據的分散性特點，以及來自不同捐贈者數據之間較大的差異性，初試數據整理難度較大，並需要反覆嘗試不同的歸一化手段。在這一階段，主要由朱晗和王高偉博士合作完成。
得到進一步的結果之後，他們通過比較體外 B 細胞培養和正常人體 B 細胞發育過程，發現了以下兩個現象：
其一，在正常 B 細胞的發育過程中，也會產生一種分泌血清素的 B 細胞，但這種細胞只會短暫地出現在胚胎發育時期。同時在該細胞中，轉錄因子 CDX2 可以調控血清素的合成。
其二，體外培養的 B 細胞缺少促進人類胰島 B 細胞成熟的信號通路。課題組推測性激素可以刺激胎兒 B 細胞的增殖，而在體外培養則沒有將性激素納入培養基的配方中。為了驗證這些推測，他們開展了一系列實驗，隨後開始撰寫論文。
日前，相關論文以《使用單細胞多組推斷調節組了解幹細胞衍生胰島細胞命運的獲得》（Understanding cell fate acquisition in stem-cell-derived pancreatic islets using single-cell multiome-inferred regulomes）為題發在 Developmental Cell（IF 13.4）上。
朱晗和王高偉博士（現已入職南京大學）是共同一作，加州大學聖地亞哥分校瑪珂·桑德（Maike Sander）教授擔任通訊作者[1]。
據了解，已有研究表明將未成熟的體外培養的 B 細胞 （SC-β-cell）植入小鼠體內，也會促進該細胞成熟。然而，其體內成熟階段耗時較長且並不穩定。
如果能讓 SC-β-cell 在體外成熟，就有希望縮短細胞治療的見效周期並增加治療的安全性。
同時，假如將 SC-β-cell 作為糖尿病的疾病模型來研究疾病機理的話，成熟的細胞會更有優勢。原因在於，有研究表明不同成熟時期的細胞，對於外界環境刺激的反應也不相同。
通過對比體外培養的 B 細胞和兒童時期的 B 細胞，他們發現這些與 B 細胞成熟相關的信號通路下游並未被激活，因此體外培養的 B 細胞未能完全成熟。
在今後的研究中，他們會嘗試操縱這些與成熟相關的信號通路，以達到促使 B 細胞在體外成熟的目標。
另據悉，他和同事也已經建立了細胞分化過程中基因調控網絡，希望可以通過預測網絡中的關鍵節點，找到精確控制細胞分化方向的方法。
而如何將剩餘的血清素分泌細胞完全轉變為 B 細胞，也將是後續待解決的問題，也是體外 B 細胞培養的關鍵。
「是不是連想家的感覺都忘記了」
朱晗說：「不過我個人的興趣在於研究人類胰島 B 細胞發育過程中的表觀遺傳學調控，特別是一些非編碼 在決定細胞命運時所扮演的角色，這些非編碼區域在調控基因表達方面起著重要作用。」
因此他希望能夠通過基因工程手段操縱這些區域的調控活性，以便精確地控制重要基因的表達，並實現控制細胞分化方向的目標。
據了解，朱晗於 2007 年來到上海交通大學學習生物技術專業，畢業後來到香港科技大學讀博。博士階段，他主要從事肌肉再生領域的研究，並於 2016 年在 Cell Reports 上發表一篇一作論文。2017 年，他繼續在港科大以博士後身份繼續之前的課題。
2018 年，他申請來到加州大學聖地亞哥分校進行第二站博後研究。離開家人，獨自來到異國他鄉並不容易。在美國做博後的大部分時間裡，他都因為簽證、疫情和工作原因沒有辦法回國。最近一次見到父母，還是他們在疫情之前來美國看看望朱晗的時候。
「很多時候做完實驗已經是深夜，但我會忽然想起他們，想打電話回去，卻又不想讓他們知道我工作到半夜。後來有好幾次我都懷疑自己是不是連想家的感覺都忘記了。好在我的妻子在 2020 年來到美國陪我。希望今年無論如何可以回家一趟。」朱晗說。
此外他還表示：「我目前在整理自己將來的研究方向，以便今年開始申請教職。回國任職是我的理想，希望以後可以加入到國內專攻幹細胞和代謝疾病的課題組中。」
參考資料：
1.Zhu, H., Wang, G., Nguyen-Ngoc, K. V., Kim, D., Miller, M., Goss, G., ... & Sander, M. (2023). Understanding cell fate acquisition in stem-cell-derived pancreatic islets using single-cell multiome-inferred regulomes. Developmental Cell, 58(9), 727-743.