北大邓宏魁团队直接从早期胚胎中捕获全能干细胞，可在体外长期稳定传代，同圈点评：极具产业化应用价值

一个月内，北京大学邓宏魁教授团队再发干细胞化学重编程重要进展。

日前，北京大学邓宏魁等研究团队在 Cell Research 上发表通过化学方式诱导小鼠二细胞胚胎分化成新型全能干细胞的最新论文。在研究中，他们通过小分子化学物构建了一种可以培养新型全能干细胞的环境，这种培养条件能够在体外支持小鼠二细胞胚胎以及扩展型多能干细胞（EPS 细胞）直接分化成全能干细胞系。

（来源：Cell Research）

研究人员把研究中小分子化合物分化出的这种新型全能干细胞称之为全能潜能干细胞（totipotent potential stem cells, TPS 细胞）。据北京大学官方通稿介绍，这种全能干细胞能够在体外长期稳定培养，在分子特征和发育潜能上也与小鼠二细胞胚胎高度相似。研究人员进一步发现 TPS 还可以在体外被诱导分化成类似于体内囊胚的类囊胚结构，而非单纯的细胞团。

这种方式为在体外完全捕获全能干细胞提供一种新思路，同时也为在不同物种中维持全能干细胞稳态提供了可行的方式。

本次研究由北京大学生命科学学院、生命联合中心邓宏魁教授，北京大学医学部基础医学院徐君博士以及北京大学生命科学学院李程博士共同完成。

▲图 | 从左到右分别是李程、邓宏魁和徐君（来源：北京大学官网）

“该研究从小鼠 2 细胞胚胎中直接获得了全能性干细胞，而且采取化学小分子的组合在体外稳定了这种瞬时的细胞状态。这可以让这种具有强大功能的细胞稳定存在，同时也可以帮助学界更精准地分析胚胎发育的机理。” 国内干细胞疗法新锐睿健医药创始人魏君博士告诉生辉。

“本研究为体外研究细胞全能性调控的分子机制提供了新的模型。TPS 细胞可以高效的形成类囊胚结构，该结构中的滋养层细胞更类似于着床前囊胚中的滋养外胚层细胞，因此 TPS 细胞也是研究早期胚胎发育更合适的模型。” 士泽生物创始人李翔博士说。

据悉，在人体细胞上，邓宏魁团队也采取了没有限制的手段，通过化合物将皮肤细胞等成体细胞高效的逆分化，这种化学重编程实际上实现了人工体外获得全能干细胞。

直接获取全能干细胞难度犹在

长久以来，在干细胞领域内存在这样一个科学问题，即是否可以从早期胚胎中捕获全能干细胞。

全能干细胞的获取大体可以分为直接获取和工程转化两种方式。截止目前，在多种模式动物中还没有通过直接获取方式成功捕获全能干细胞的数据报道，其中的一个很大难点就在于早期胚胎中虽然存在这种全能干细胞，但是这种细胞往往瞬时存在，难以在体外维持稳态。国际上最接近的方法也是通过胚胎干细胞逆分化获得全能干细胞，而不是采用直接获取的方式。

李翔告诉生辉，获取全能干细胞的关键要点一方面在于如何诱导出和早期全能胚胎相似的全能干细胞；另一方面在于如何在体外维持全能干细胞。目前最主要的难点是如何在体外维持全能干细胞的自我更新。

以小鼠为例，只有受精卵及 2 细胞胚胎具有全能性，随后发育的囊胚细胞发育潜能受限，无法同时发育胚内和胚外组织。此前，科研人员也发现小鼠多能干细胞群中存在少量二细胞样细胞，这些细胞也具有 2 细胞胚胎的部分分子特征，但是仍然和体内的 2 细胞胚胎存在差异，且无法在体外稳定传代。

2017 年，邓宏魁团队利用一个新的小分子化合物组合 LCDM，在人和小鼠中构建了一种扩展型多能干细胞（EPS 细胞）。这种细胞具有胚胎内和胚胎外的发育潜能，同时也可以被诱导分化类囊胚。然而，EPS 细胞同样与 2 细胞胚胎存在差异，胚外分化存在一定局限性。

（来源：Cell）

多年来，从早期胚胎或者多能干细胞中直接获取全能干细胞还存在一定的挑战。

从早期胚胎中直接捕获全能干细胞，可在体外长期稳定传代

邓宏魁实验室长期专注于细胞命运的重编程研究，多年来采用包括化学小分子诱导和调控细胞命运为代表性的方法学，取得了一系列关键突破。值得一提的是，半个多月前，该团队首次在国际上报道使用化学小分子诱导人成体细胞转变为多潜能干细胞的案例。

为了解决上述问题，他们同样采用化学方式构建分化全能干细胞的培养条件。在研究中，该团队使用高通量筛选方法确定了一组小分子化合物组合即 CPEC 组合（CD1530，VPA，EPZ004777 和 CHIR 99021）可以在体外直接从 2 细胞胚胎中构建全能干细胞，同时也能将 EPS 诱导分化为全能干细胞（TPS 细胞）。

然后，研究人员进一步分析了 CPEC 组合制备的 TPS 细胞是否可以在体外稳定传代并保持全能特性。他们发现分化得到的 TPS 细胞能够在体外长期稳定传代，研究也提示至少经过 5 次传代，TPS 细胞才能获得稳定的全能特征。

▲图 | 鉴定在体外诱导全能干细胞的化学混合物（来源：Cell Research）

研究人员又从转录组、表观遗传特征、嵌合能力等方面进一步评估了 TPS 细胞的分子特征和分化发育潜能。研究指出，TPS 细胞在转录组水平与 2 细胞胚胎高度相似，具备 2 细胞胚胎表观修饰特征，以及单个 TPS 细胞具备同时向胚内和胚外分化发育的潜力。

TPS 细胞的全能性如何？魏君告诉生辉，评估全能性一般都会考察细胞向各胚层以及囊胚外滋养层的分化潜力，尤其是植入体内后要能形成新的个体，这应该是评估全能性的金标准。

紧接着，他们评估了在 CPEC 条件下制备的 TPS 细胞的全能性，证明了通过调控早期胚胎发育的信号通路，可以诱导 TPS 细胞分化成类囊胚结构。

“研究中的这种方式可以直接在体外进一步形成囊胚或者类囊胚的结构，包括了胚胎本身和胚胎外滋养层，这比胚胎本身更为复杂。也就是说，TPS 细胞比单纯的干细胞更先进，也从侧面反映出 TPS 细胞的分化能力更强。更重要的一点是，TPS 细胞可以分化成一种结构，而不是单纯的细胞团。” 魏君说。

不过，将 TPS 分化成的类囊胚结构植入体内后，虽然可以诱导蜕膜化反应，但是仍无法像正常囊胚那样发育成个体，这也表明诱导类囊胚的方案仍需优化。

蜕膜化：

指子宫内膜基质细胞 (ESC) 向蜕膜细胞的分化，是胚胎成功植入和胎盘形成的关键步骤。

最后，研究人员探索了 CPEC 培养条件对 TPS 细胞全能性的调节机制。研究揭示，抑制 HDAC1/2 和 DOT1L 的活性以及特异性激活 RARγ 信号通路，对 TPS 细胞的诱导和稳态维持具有重要作用。

“具有极大产业应用价值”

论文指出，这项研究证明了从早期胚胎中提取全能干细胞的可行性，通过化学方式诱导分化的 TPS 细胞或为体外研究全能性调节机制以及早期植入前的胚胎发生提供了有力的工具。同时也可能为从包括人在内的哺乳动物中捕获全能干细胞提供了一种新途径。

目前，利用化学方式诱导的 TPS 细胞是在小鼠上成功实现，这一方式是否也可应用于人体细胞？

魏君认为，这一方式有潜力应用于人体细胞中。她指出，小鼠和人有类似的地方，但是在一些发育细节上有所不同，比如是 2 细胞期还是 8 细胞期。理论上讲，类似的方法可以在人细胞上使用，但是细节上可能有不同，比如具体使用的小分子有差异。

（来源：msj）

“这种方式可以为产业应用提供更多的重要信息，比如细胞稳态的维持。从目前来看，直接产业化也具有很大的价值，我第一时间就想到可用于保持频危物种。” 魏君对这种捕获全能干细胞的方式信心满满。

魏君告诉生辉，无论是从体细胞脱分化形成多能干细胞，还是从多能干细胞进一步脱分化转化为全能干细胞，瞬时状态细胞的捕获和稳态的维持都是研究的重点和难点。在人体生长发育的过程中，有很多瞬时存在的细胞类型，能够把这类细胞的状态稳定维持下来并进行分析具有重大的意义。这对了解人类自己的生命过程会有极大的贡献，同时也能够为很多疾病的治疗提供一些新的思路。

“要弄清楚发育的系统问题，首先要明确发育过程中出现的细胞的种类，然后针对不同种类细胞的特征优化特定细胞的维持方法，这是一个系统的工作。由于部分细胞仅瞬时存在，如果工作的第一步能够明确发育过程中细胞的种类，后续也就能以推进和分析了。” 魏君说。

李翔也认为该研究具有一定的产业应用潜力，不过他强调该研究真正应用于产业还需要进一步优化。“首先，在体外无限、快速的增殖能力是实现规模化生产的重要考量因素，目前体外获得全能干细胞的增殖能力可能还需要进一步优化。此外，化学小分子诱导的全能干细胞的均质性可以进一步鉴定，如何获得高纯度、可自我更新的全能干细胞可能是下一步的优化方向。”

参考资料：

• https://www.nature.com/articles/s41422-022-00668-0
• https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(17)30183-6
• http://bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/16133.html