利用化學(xué)重編程技術(shù)誘導(dǎo)人體細(xì)胞去分化并制備可大規(guī)模擴(kuò)增的人胚胎肢芽樣細(xì)胞

2024年10月22日，北京大學(xué)鄧宏魁和關(guān)景洋課題組合作在Cell Stem Cell雜志在線發(fā)表題為Generation of Human Expandable Limb-Bud-like Progenitors via Chemically Induced Dedifferentiation 的研究論文。該研究進(jìn)一步證明了化學(xué)重編程技術(shù)可誘導(dǎo)人體細(xì)胞去分化(Chemically induced dedifferentiation)，并成功制備可大規(guī)模擴(kuò)增的胚胎肢芽樣前體細(xì)胞。這一創(chuàng)新成果利用化學(xué)小分子精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的特點(diǎn)，模擬低等動物的再生規(guī)律，為制備具有再生潛能和大規(guī)模擴(kuò)增能力的人前體細(xì)胞開辟了新途徑。

鄧宏魁團(tuán)隊多年來一直致力于化學(xué)重編程調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的研究。2013年在國際上**報道僅使用化學(xué)小分子逆轉(zhuǎn)細(xì)胞發(fā)育時鐘，將小鼠體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞。這一原創(chuàng)性成果開辟了一條全新的體細(xì)胞重編程的路徑（Science，2013；Cell, 2015; Cell Stem Cell, 2018）。2022年該團(tuán)隊又**實現(xiàn)了利用化學(xué)小分子誘導(dǎo)人體細(xì)胞成為多能干細(xì)胞的技術(shù)體系，為人多能干細(xì)胞的制備提供了全新的途徑，是干細(xì)胞領(lǐng)域底層技術(shù)的重要突破（Nature，2022）。在此基礎(chǔ)上，2023年建立了更加快速、高效、滿足臨床應(yīng)用需求的人體細(xì)胞化學(xué)重編程體系（Cell Stem Cell，2023）。以糖尿病治療為切入點(diǎn)，鄧宏魁團(tuán)隊證明了化學(xué)重編程誘導(dǎo)的人多能干細(xì)胞可以高效分化為胰島細(xì)胞，并顯著改善糖尿病猴的血糖控制 (Nature Medicine, 2022; Nature Metabolism, 2023)。更令人振奮的是,該團(tuán)隊近期**報道了利用化學(xué)重編程誘導(dǎo)多能干細(xì)胞制備的胰島細(xì)胞移植, 患者初步實現(xiàn)了1型糖尿病的臨床功能性治愈 ( Cell, 2024)。這一系列的研究成果，證明了化學(xué)重編程技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域治療重大疾病方面的巨大潛力和重要應(yīng)用價值。目前，該團(tuán)隊還成功將化學(xué)重編程誘導(dǎo)的人多能干細(xì)胞分化為肝臟細(xì)胞，iTNK細(xì)胞等功能細(xì)胞，展現(xiàn)了人化學(xué)重編程的廣泛應(yīng)用前景（Cell Proliferation, 2024; Cell Reports Methods, 2024）。

鄧宏魁團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)重編程技術(shù)與傳統(tǒng)重編程技術(shù)存在本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因重編程技術(shù)依賴于細(xì)胞內(nèi)源的轉(zhuǎn)錄因子過表達(dá)，直接驅(qū)動細(xì)胞性質(zhì)轉(zhuǎn)變，難以實現(xiàn)細(xì)胞命運(yùn)的精準(zhǔn)調(diào)控。而化學(xué)重編程技術(shù)則利用化學(xué)小分子模擬外界信號刺激，類似自然發(fā)育中的細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控原理，以更加靈活可控的方式，促進(jìn)細(xì)胞命運(yùn)分階段有序的調(diào)控。2015年的研究中，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)化學(xué)重編程誘導(dǎo)小鼠多能干細(xì)胞過程中會經(jīng)歷獨(dú)特的中間階段 (Cell，2015)。之后，通過單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)又構(gòu)建了小鼠化學(xué)重編程體系的完整分子路徑（Cell Stem Cell，2018），揭示了化學(xué)重編程體系完全不同于轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的重編程的獨(dú)特原理和路徑。

該團(tuán)隊在2022年的研究中發(fā)現(xiàn)，人化學(xué)重編程的早期階段會產(chǎn)生一種獨(dú)特的高可塑性的中間態(tài)細(xì)胞，其染色質(zhì)可及性增強(qiáng)，早期胚胎發(fā)育基因激活等特點(diǎn)。有趣的是，通過和低等動物再生去分化過程中的細(xì)胞性質(zhì)比較，發(fā)現(xiàn)該階段激活了與蠑螈斷肢再生早期類似的基因表達(dá)特征（Nature，2022）。隨后，該團(tuán)隊通過表觀組學(xué)的系統(tǒng)解析，又發(fā)現(xiàn)類再生可塑性狀態(tài)的建立過程與生物體發(fā)育成熟過程中再生能力喪失的逆向過程極為相似（Cell Reports，2023）。這一系列的發(fā)現(xiàn)提示通過化學(xué)重編程技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞的命運(yùn)，有望實現(xiàn)人體細(xì)胞逆向發(fā)育，將其誘導(dǎo)回前體細(xì)胞狀態(tài)，從而重啟人體細(xì)胞的再生潛能。

在自然界中，部分低等動物如蠑螈等，展現(xiàn)出了驚人的再生能力，其四肢、心臟、大腦等重要組織器官在損傷后可實現(xiàn)完美再生修復(fù)。這一神奇的能力主要?dú)w功于其體細(xì)胞具有的重要潛能——去分化（dedifferentiation），即分化的體細(xì)胞可以在損傷等信號刺激下，重新逆轉(zhuǎn)發(fā)育為可快速增殖的類胚胎期的前體細(xì)胞狀態(tài)，從而重新分化為功能細(xì)胞，修復(fù)損傷的組織器官。然而，哺乳動物，尤其是人類，由于其體細(xì)胞的命運(yùn)更加穩(wěn)固，可塑性下降，導(dǎo)致其再生能力非常有限。組織器官損傷后，人體細(xì)胞難以有效啟動去分化程序，從而大大限制了受損組織或器官的再生。因此，如何模擬低等動物，有效誘導(dǎo)人體細(xì)胞的去分化以重新獲得前體細(xì)胞，是干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究的重要科學(xué)問題之一。

在本研究中，鄧宏魁團(tuán)隊證實了在化學(xué)重編程早期階段，化學(xué)小分子可誘導(dǎo)體細(xì)胞去分化為類人胚胎肢芽前體細(xì)胞（human Chemically induced Limb Bud-like Progenitors，簡稱人CiLBP細(xì)胞），并在此基礎(chǔ)上建立了人CiLBP細(xì)胞長期穩(wěn)定擴(kuò)增的條件。通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)人CiLBP細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組與人胚胎肢芽細(xì)胞相似。去分化相關(guān)基因LIN28A、SALL4等在人CiLBP細(xì)胞中高表達(dá)，同時體細(xì)胞相關(guān)基因表達(dá)降低，表明體細(xì)胞相關(guān)特征被擦除并啟動再生相關(guān)基因網(wǎng)絡(luò)。人CiLBP細(xì)胞高表達(dá)MSX1、HOXA9和MEIS2等肢芽發(fā)育相關(guān)基因，與人類胚胎發(fā)育30天左右的肢芽細(xì)胞群狀態(tài)非常類似。

肢芽細(xì)胞作為軟骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的祖細(xì)胞，最終能發(fā)育成四肢。相較于未經(jīng)過化學(xué)重編程處理的親代體細(xì)胞，人CiLBP細(xì)胞的成軟骨和成骨能力顯著提升。在成軟骨條件誘導(dǎo)下，可高表達(dá)軟骨相關(guān)基因，分泌相關(guān)蛋白，并可以形成軟骨結(jié)節(jié)。體內(nèi)移植實驗表明，人CiLBP細(xì)胞能在體內(nèi)自發(fā)分化產(chǎn)生軟骨和骨樣細(xì)胞，并在兔股骨髁缺損模型中促進(jìn)骨損傷修復(fù)。重要的是，起始的人脂肪間質(zhì)細(xì)胞或者人皮膚成纖維細(xì)胞擴(kuò)增能力有限，而誘導(dǎo)獲得的人CiLBP細(xì)胞可以在長達(dá)32次傳代后，仍保留肢芽前體細(xì)胞特性，并保持良好的分化能力。這些特性證明，通過化學(xué)重編程誘導(dǎo)體細(xì)胞去分化獲得的前體樣細(xì)胞，不僅增強(qiáng)了分化能力，還具備大規(guī)模擴(kuò)增的潛能，為其后續(xù)應(yīng)用于骨和軟骨相關(guān)疾病
的治療提供了新的細(xì)胞來源，具有重要的臨床應(yīng)用價值。

綜上所述，鄧宏魁團(tuán)隊在本研究中利用化學(xué)重編程技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)，成功模擬低等動物組織再生中的去分化過程，實現(xiàn)了人體細(xì)胞向前體細(xì)胞的逆轉(zhuǎn)，這一成果具有重要意義。（1）該研究進(jìn)一步證明了化學(xué)重編程技術(shù)不同于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因重編程技術(shù)，可通過分階段有序的調(diào)控細(xì)胞性質(zhì)，實現(xiàn)細(xì)胞命運(yùn)的可控逆轉(zhuǎn)，為實現(xiàn)人體細(xì)胞的去分化提供了全新的途徑；（2）該研究為體外制備可大規(guī)模擴(kuò)增的人前體細(xì)胞提供了新的方法，通過誘導(dǎo)去分化獲得的人前體細(xì)胞具備了更強(qiáng)的分化能力及增殖能力，從而為受損組織和器官的細(xì)胞替代治療提供了更理想的細(xì)胞來源；（3）利用化學(xué)重編程精準(zhǔn)誘導(dǎo)人體細(xì)胞去分化的獨(dú)特優(yōu)勢，有望直接激發(fā)體內(nèi)組織和器官的再生潛能，模擬低等動物在組織和器官完美再生修復(fù)方面的神奇能力，為再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供新的可能性。

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