鄧宏魁研究組與合作者報道 功能成熟細胞在體外長期維持的新方法

2019年4月26日，北京大學鄧宏魁研究組、解放軍總醫院盧實春研究組以及復旦大學袁正宏研究組合作在《科學》（Science）雜誌發表了題為《原代人肝臟細胞在體外的長期功能性維持》（Long-term functional maintenance of primary human hepatocytes in vitro）的研究論文，首次證明利用化學小分子調控細胞信號通路，實現了功能細胞在體外的長期維持，這為大量製備功能成熟細胞及其應用提供了可能。

如何誘導獲得功能成熟的細胞並在體外保持其功能性是再生醫學的關鍵瓶頸。鄧宏魁研究組與盧實春研究組長期合作，致力於在體外獲得大量的功能性細胞。在個體發育過程中，多種發育信號的精確調控，分化產生功能各異的細胞並長期穩定地維持其生理功能。然而，這些功能細胞一旦離開體內微環境便會迅速去分化並失去功能。此外, 由於缺乏適當的培養條件與微環境，體外源於幹細胞誘導分化所獲得的功能細胞，很難真正成熟並長期維持其功能，是再生醫學研究和應用中長期面臨的挑戰。在過去的幾十年里，人們嘗試了改變培養材料，共培養以及三維培養等很多方法，但始終未能建立一個簡單高效，穩定的功能細胞體外培養體系。為解決這一問題，鄧宏魁研究組以體外培養過程中快速失去功能的人原代肝細胞為研究對象，篩選到5種化學小分子的組合（5 compounds，5C）並利用它們在體外成功實現了肝細胞功能的長期維持。在長達一個月以上的培養過程中，5C組合抑制了肝細胞的去分化，細胞整體基因表達譜與體內的肝細胞高度相似，並長期維持了白蛋白分泌、尿素合成、藥物代謝等肝細胞的功能。

圖片來源：《Science》

肝細胞在體外藥物代謝及藥物研發方面具有重要的實用價值，然而長期以來功能維持條件的缺失極大限制了肝細胞的應用。在鄧宏魁研究組新建立的5C培養體系中,體外培養的肝細胞能合成與體內水平相似的藥物代謝酶，並具有長期維持藥物代謝能力，極大拓展了其在藥物代謝、藥物相互作用和藥物毒性方面的應用。與此同時，鄧宏魁研究組與袁正宏研究組合作，基於5C培養條件，成功建立了乙型肝炎病毒感染模型：持續高水平表達乙肝表面抗原、e抗原、合成乙肝病毒DNA等感染指標，尤其是能夠長期穩定產生乙肝病毒複製必需的cccDNA。這一模型的建立，對於乙肝病毒的深入研究與藥物研發具有重要意義。我國約有1.2億人攜帶乙肝病毒,目前仍然沒有有效的治癒方法。因為乙肝病毒侵入肝細胞後,形成了一種很難被清除的病毒複製模板cccDNA,目前還沒有針對這個病毒複製關鍵靶點的藥物。相形之下，丙型肝炎病毒的發現雖然晚於乙肝病毒，但基於有效的體外病毒感染模型，已成功篩選並獲得治癒丙肝的藥物。5C培養條件下的肝細胞支持乙肝病毒的高效感染，並能夠長期產生cccDNA，可作為理想的藥物篩選模型,為治癒乙型肝炎帶來希望。

相比於傳統遺傳學方法,化學小分子能夠實現對多個信號通路靶點的精細調控。在過去幾年,鄧宏魁研究組在化學小分子調控細胞命運方面取得了一系列突破性進展：誘導體細胞重編程為多潛能幹細胞(CiPS細胞）；誘導皮膚成纖維細胞為功能神經元細胞(CiN）；建立了具備全能性功能特徵的多潛能幹細胞(EPS細胞)。在本研究中，鄧宏魁研究組利用化學小分子實現了體外肝細胞功能的長期維持。這些工作表明了化學小分子在精細調控細胞命運和功能上的優越性，這一方法也為其他類型細胞體外功能的長期維持提供了新的途徑。

北京大學鄧宏魁，解放軍總醫院盧實春以及復旦大學袁正宏為該論文的共同通訊作者，向晨罡博士、杜媛媛博士以及孟高帆博士為該論文的共同第一作者。本工作獲得了生命科學聯合中心、國家重點研發計劃、國家自然科學基金等基金的大力支持。

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