日前，来自北京大学生命科学学院、基础医学院和北京大学-清华生命联合中心的邓洪奎研究团队在国际学术期刊《自然》在线发表了题为《人类体细胞化学重编程为多能干细胞》的研究论文。在国际上首次报道了利用化学小分子诱导人类成体细胞转化为多能干细胞的突破性研究成果。
化学小分子重编程细胞命运(化学重编程)是继“核移植”和“转录因子诱导”之后，我国自主研发的新一代人类多能干细胞制备技术，解决了我国干细胞和再生医学发展的底层技术“瓶颈”问题。未来有望用于治疗糖尿病、严重肝病、恶性肿瘤等重大疾病。
为什么细胞分化会逆转？
多能干细胞具有无限增殖的特性，具有分化为生物体所有功能细胞类型的能力。这些神奇的特性使它们被广泛应用于细胞治疗、药物筛选、疾病模型等领域，是再生医学中最关键的“种子细胞”。在哺乳动物的自然发育过程中，多能干细胞只在胚胎发育的早期短暂存在，之后会分化成构成生物体的各类成体细胞，失去“种子细胞”的特性。
如何逆转这种自然发育过程，使高度分化的成体细胞重新获得类似早期胚胎发育的多潜能状态，一直是干细胞和再生医学领域最重要的科学问题之一。
20世纪60年代，英国科学家约翰·戈登在非洲爪蟾身上开发了核移植技术。1997年，伊恩·维尔穆特团队利用这一技术制备了克隆羊多莉，证明了高度分化的哺乳动物体细胞也可以逆转到早期胚胎的初始状态，并获得了发育成完整动物个体的能力。2006年，日本科学家山中伸弥报道，小鼠成体细胞可以通过转基因方法重新编程为多能干细胞(iPS细胞)。核移植和导入外源基因的方法证明，哺乳动物体细胞可以重编程到胚胎发育早期，重新获得“多能性”。这两项技术获得了2012年诺贝尔生理学或医学奖。iPS技术的建立打破了传统胚胎干细胞的伦理限制，为构建患者特异性干细胞系提供了全新的方法，大大加快了干细胞的临床应用。近年来开展了帕金森病、糖尿病、癌症的细胞治疗临床试验。但是，目前细胞治疗的技术体系都是国外开发的。中国能有原创的底层技术吗？
长期以来，邓洪奎团队一直致力于开发调控细胞命运的新方法，建立制备干细胞的底层技术。2013年，邓洪奎团队在《科学》杂志上发表了一项原创性研究成果，即在不依赖卵母细胞和转录因子等内源性物质的情况下，仅利用外源性化学小分子就可以逆转细胞命运，将小鼠体细胞重编程为多能干细胞(CIPS细胞)。与传统方法相比，化学小分子操作简单灵活，具有很强的时间空调控和可逆作用，可以精确控制细胞重编程过程。此外，小分子诱导体细胞重编程技术作为一种非整合方法，避免了传统转基因操作带来的安全性问题，有望成为更安全的临床治疗手段。之后，邓洪奎团队陆续在《细胞》和《细胞干细胞》发表文章，详细解释了化学重编程的独特分子机制，进一步优化了小鼠化学重编程体系。随后，包括、姚、裴端卿、和朱赛勇在内的几个研究小组利用相同或相似的化学小分子组合，重复并优化了小鼠化学重编程技术。化学重编程诱导多能干细胞的研究开辟了体细胞重编程的新途径，不仅有助于更好地理解细胞命运决定和转化的机制，也为未来再生医学治疗重大疾病带来了新的可能。
制备多能干细胞的新方法
在这项研究中，邓洪奎团队首次报道了化学重编程的方法，利用化学小分子成功实现了将人类成体细胞诱导为多能干细胞(人类CiPS细胞)。
该技术的建立为人类多能干细胞的制备开辟了新的途径，并使其向临床应用迈出了关键的一步。
新一代诱导多能干细胞技术
作为高等动物，人类成体细胞的特性和稳态调节的复杂程度远不如小鼠成体细胞，在表观遗传学层面存在诸多障碍，严重限制了人类成体细胞激发细胞可塑性的可能性。自2013年以来，虽然许多国际团队在小鼠化学重编程的启发下进行了许多尝试，但一直无法解决人类成体细胞化学重编程的问题。这使得该领域普遍接受的观点是，人类成体细胞的表观遗传限制极其严格，很可能无法通过化学重编程刺激人类成体细胞获得多能性。邓洪奎团队通过长期的坚持和不懈的努力，突破了这一瓶颈。这一突破的关键步骤受到了低等动物再生过程的启发。蝾螈等低等动物的体细胞在受到外界损伤后，会自发改变自身的特性，然后通过去分化获得一定的可塑性，借助这种可塑性的中间状态，四肢得以再生。沿着这个思路，研究团队筛选并组合了大量的化学小分子，最终发现高度分化的人类成体细胞在特定的化学小分子组合作用下，也可以发生类似的去分化，获得具有一定可塑性的中间状态。在此基础上，研究团队最终实现了人类CiPS细胞的成功诱导。
人细胞化学重编程诱导的人CiPS细胞
在分子机制上，研究团队还描述了化学重编程诱导人CiPS细胞的分子通路，揭示了化学重编程与传统转录因子重编程不同的分子机制和独特的调控机制。研究发现，人类CiPS的诱导是以分阶段和精确的方式发生的，在早期阶段会出现一个特殊的中间状态。通过对低等动物再生和去分化过程中细胞性质的详细比较，研究小组证实了人类CiPS细胞诱导激活的早期基因表达特征与低等动物肢体再生早期相似。更重要的是，研究团队还发现了调节这种再生状态的关键信号通路，证明了抑制过度炎症反应对于化学重编程诱导人体细胞重新获得再生中间状态至关重要。这种再生的中间状态为研究人类细胞再生基因的再激活提供了一种全新的思路，并提示未来只有通过化学小分子的组合才有可能重新激活人类细胞的可塑性和再生潜力，有望推动化学重编程在组织器官再生方向的应用，为再生医学研究提供一种新的可能途径。
化学重编程激活再生相关网络的分子机制
在临床转化中，与传统技术体系相比，CiPS细胞诱导技术更安全、更简单、更容易标准化、更便于精准调控。
1)在安全性方面，之前已经在小鼠的CiPS细胞中证明，其携带的基因突变明显少于传统iPS细胞，并且产生的嵌合体小鼠不产生肿瘤，并且在长达6个月的观察期内全部健康存活。同时将人CiPS细胞来源的胰岛细胞移植到小鼠和非人灵长类动物模型中，长期观察未发现肿瘤形成。
2)在个体化制备方面，研究团队已经能够从不同年龄的个体中稳定诱导出体细胞类型的人CiPS细胞；
3)在标准化细胞制备方面，化学小分子具有操作简单、时间空调控性强、作用可逆、合成保存方便、易于标准化生产等一系列特点，使人CiPS细胞在标准化、规模化生产中具有不可替代的优势。
CiPS细胞技术的这些优势突破了传统干细胞制备技术的局限性，具有广阔的临床应用前景。
帮助解决重大疾病问题
同时，邓洪奎团队还积极探索CiPS细胞和化学重编程在医学转化中的潜力，如研究CiPS细胞技术治疗糖尿病的可行性。
目前，团队自主研发了CiPS细胞分化为胰岛组织的高效方案，可在体外获得功能性成熟胰岛细胞(CiPS- islet cells)，并在灵长类动物模型中系统评价了CiPS- islet细胞治疗糖尿病的安全性和有效性。研究小组观察到，在接受CiPS-胰岛细胞移植的糖尿病猴中，C肽(胰岛素分泌标记物)的释放可以对膳食或葡萄糖刺激做出反应。此外，在4只长期随访的糖尿病猴中，临床常用指标HbA1c较移植前峰值下降2%以上，说明血糖得到有效控制。这些结果证明了CiPS-胰岛细胞在糖尿病治疗中的安全性和有效性，凸显了人CiPS细胞作为“种子细胞”在重大疾病治疗中的巨大优势。这项研究的主要结果发表在今年2月的医学杂志《自然医学》上。
另一方面，邓鸿逵团队也对“化学重编程”这一化学生物学概念的普适性做了大量研究，有望在未来帮助解决重大医学问题。该团队通过使用化学小分子，直接将皮肤细胞重编程为功能神经元，实现了不同体细胞类型之间的转化(Cell Stem Cell，2015；；细胞干细胞，2017)；建立了具有全能性功能特征的EPS细胞(Cell，2017)；解决了肝细胞功能难以在体外长期维持的问题(Science，2019)；构建了能够模拟肠损伤并能够再生的新的器官样模型(Cell Research，2021)。实现了原位化学重编程，将小鼠大脑中的胶质细胞转化为神经元(Cell Discovery，2021)。这一系列工作反映了化学小分子调节细胞命运的普遍性和化学重编程技术应对重大医疗需求的潜力。
人体CiPS技术在生物医学领域具有广阔的潜在应用前景。
综上所述，化学重编程技术体系的建立不仅在多能干细胞的临床应用上具有重大意义和价值，也为细胞命运调控和再生生物学的理论研究提供了新的视角和平台。化学重编程可以精确控制细胞的命运，有望成为高效制备各种功能细胞类型的通用技术，为重大疾病的治疗开辟了新的途径。
北京大学生命科学学院和北京大学-清华生命联合中心的邓洪奎教授领导了这项研究。邓鸿逵教授、北京大学王矜霖博士和中国人民解放军总医院鲁世春教授是这项研究的合著者。本研究的主要作者是北京大学管景阳、王关、、张、、程林、孟、。北京大学教授为这项研究的生物信息学分析提供了重要指导。本工作得到了北大-清华生命科学联合中心、国家RD重点项目、国家自然科学基金等的资助。
来源:北京大学生命科学学院
