作者 | 羅佗平（北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院研究員）
(資料圖片僅供參考)
60年前，Gurdon課題組發(fā)現(xiàn)細胞分化過程是可逆的[1]，為細胞重編程奠定了理論基礎(chǔ)。
15年前，Yamanaka課題組首次報道通過表達四種轉(zhuǎn)錄因子（生物大分子）可以將體細胞重編程為“誘導(dǎo)多潛能干細胞”(iPS)[2]。
9年前，北京大學(xué)鄧宏魁課題組首次報道了通過小分子組合誘導(dǎo)小鼠體細胞重編程為多潛能干細胞的方法，這種化學(xué)重編程的效率可達到0.2%[3]。經(jīng)過長期的堅持和努力，鄧宏魁課題組于2022年報道，通過分步策略誘導(dǎo)，可以將人成體細胞重編程為多潛能性干細胞，將細胞重編程的應(yīng)用推向了新的發(fā)展階段[4]。
與此同時，化學(xué)重編程在誘導(dǎo)細胞命運轉(zhuǎn)分化研究也取得令人矚目的進展。鄧宏魁課題組：證明小分子可以將成年小鼠大腦中的星形膠質(zhì)細胞重編程為神經(jīng)元，為開發(fā)神經(jīng)元替代療法提供了潛在的手段[5]；通過將人多潛能干細胞定向分化為肝細胞，構(gòu)建了一種生物人工肝裝置[6]；建立了一種從人CiPSCs高效分化產(chǎn)生胰島細胞的方法，并且證明使用這些胰島細胞能緩解非人靈長類動物的糖尿病癥狀[7]。
CiPSCs在細胞治療、藥物篩選、疾病模型方面具有巨大的應(yīng)用潛力，同時也是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最為關(guān)鍵的“種子細胞”。作為細胞命運的重要調(diào)節(jié)劑，天然產(chǎn)物小分子及其衍生物在鄧宏魁的研究工作中發(fā)揮了重要作用。
針對相關(guān)研究領(lǐng)域的亮點及發(fā)展前景，《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）采訪了鄧宏魁教授。
NSR：據(jù)我們了解，您博士和博士后工作期間主要做病毒學(xué)和免疫學(xué)相關(guān)研究。那您加入北京大學(xué)開展獨立研究之后，為什么很快將研究方向轉(zhuǎn)變到再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域呢？
鄧宏魁：在完成博士后的工作后，我見證了干細胞和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的兩個重大突破。第一個突破是1997年多利羊的誕生，那是人類使用體細胞核移植的技術(shù)首次克隆了哺乳動物，它證明成熟分化狀態(tài)的細胞可以被逆轉(zhuǎn)回原始發(fā)育狀態(tài)，同時上述原始發(fā)育狀態(tài)細胞還具有產(chǎn)生一個新個體的能力。這項激動人心的工作表明，在不久的將來，人類細胞也可能通過細胞重編程進行調(diào)控，這將加深我們對人類細胞命運調(diào)控的理解，并有可能開發(fā)新的基于細胞的治療方法。另一個突破是1998年人胚胎干細胞系的建立。根據(jù)我們對小鼠胚胎干細胞的研究了解，胚胎干細胞具有多能性，它能分化成體內(nèi)任意已知的細胞類型。我當時認為，如何將人胚胎干細胞轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌愋偷墓δ苄约毎且粋€有趣的問題，如果能解決這個問題，它將為我們研究人類生物學(xué)以及開發(fā)細胞療法掀起一場革命。上述兩個開創(chuàng)性的研究也標志著再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展到了新的階段。
在我到北京大學(xué)建立自己的實驗室后，我們團隊開始探索如何培養(yǎng)人多潛能干細胞，我們是最早將人多潛能干細胞轉(zhuǎn)化成胰腺和肝細胞譜系的團隊之一，這些分化獲得的細胞正在被應(yīng)用于細胞治療和大動物模型的測試中。另一方面，我們對發(fā)展新的重編程策略很感興趣，我們也第一次證實了完全使用化學(xué)小分子就能將成熟體細胞重編程為多潛能干細胞。目前化學(xué)重編程的方法已廣為人知，同時全世界不同的研究團隊正在對其進行更加深入的研究。
NSR：在博士后研究中，您發(fā)現(xiàn)CCR5受體是HIV感染細胞的主要輔助受體，這為開發(fā)抑制 HIV-1進入細胞的小分子藥物（例如 Maraviroc）奠定了基礎(chǔ)。您的課題組最近與合作者一起報道了首例由CCR5編輯的干細胞治療 HIV 患者的病例。您如何看待 iPSCs在治療艾滋病中的潛力？
鄧宏魁：如何治療由HIV病毒感染導(dǎo)致的艾滋病，是一個長期巨大的挑戰(zhàn)。1996年，在Dan Littman實驗室工作期間，我和同事一起發(fā)現(xiàn)了CCR5是HIV感染人體的主要輔助受體。在這項發(fā)現(xiàn)之后，CCR5成為開發(fā)抗HIV病毒的靶點。“柏林患者”是驗證CCR5作為HIV輔助受體的最好例子之一，這位患者移植的造血干細胞存在自然發(fā)生的CCR5突變，該突變阻止了HIV對免疫細胞的感染，使得HIV病毒無法在病人體內(nèi)被檢測到。因此，我們認為可以通過基因編輯來創(chuàng)建CCR5缺失的造血干細胞，從而治療HIV感染。
經(jīng)過在大量動物模型中的嘗試后，我們開發(fā)了一種臨床治療手段，用與人類白細胞抗原匹配的CCR5缺失的造血干細胞治療一名被診斷患有白血病和HIV感染的患者。我們發(fā)現(xiàn)攜帶敲除CCR5的造血干細胞在移植后至少存在了19個月，說明CRISPR編輯的造血干細胞具有長期植入性和安全性，所以我們認為這種策略有希望在未來治愈HIV。然而，結(jié)合其他關(guān)于造血干細胞/基因編輯療法的研究表明，造血干細胞的編輯效率仍然非常低，這也導(dǎo)致所需的功能性免疫和血細胞的生產(chǎn)效率較低。上述問題可以通過更容易進行基因編輯的iPSC解決。例如，我們可以構(gòu)建CCR5缺失的iPSC細胞系，并將這些細胞轉(zhuǎn)化成造血干細胞以供移植使用。基因編輯的iPSC有巨大應(yīng)用前景，然而iPSC和基因編輯聯(lián)合療法仍處于開發(fā)階段，因此對該療法的安全性和有效性尚未有確定的結(jié)論之前，不應(yīng)該將其直接應(yīng)用于臨床治療中。
再生醫(yī)學(xué)
NSR：過去20年中，再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵進展有哪些？
鄧宏魁：過去20年中的幾個重要突破顯著推動了再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展。首先，在重編程研究中，除了50年代建立的體細胞核移植技術(shù)外，還有兩種主要的重編程技術(shù)。2006年，Shiya Yamanaka團隊開發(fā)了一種基于轉(zhuǎn)錄因子的重編程策略。該策略推動了對細胞命運轉(zhuǎn)變調(diào)控的研究，包括從體細胞產(chǎn)生多潛能干細胞（hiPSC）和跨發(fā)育譜系的轉(zhuǎn)分化研究。2013年，我們團隊開發(fā)了一種化學(xué)重編程策略，通過小分子而非卵母細胞或轉(zhuǎn)錄因子等生物手段來實現(xiàn)細胞命運調(diào)控。這些新技術(shù)代表研究細胞生物學(xué)的基礎(chǔ)方法的進步，為開發(fā)基于細胞的再生療法奠定了基礎(chǔ)。
第二點，過去10年，多潛能干細胞的定向分化對疾病模型、藥物發(fā)現(xiàn)及細胞治療方面有重要意義。通過定向分化，我們已經(jīng)能生產(chǎn)大量高純度功能性細胞用于開發(fā)細胞替代療法，并構(gòu)建復(fù)雜的類器官系統(tǒng)來研究人類發(fā)育和疾病。
第三點，干細胞研究與基因編輯工具的結(jié)合。通過基因編輯技術(shù)，我們能編輯干細胞并使其呈現(xiàn)特定的功能或表型。正如我之前提到過的，我們對CCR5修飾的造血干細胞移植的“概念驗證研究”就是一個很好的例子。事實上，這種技術(shù)結(jié)合為我們研究細胞行為和開發(fā)基于細胞的新療法提供了更多思路。
NSR：在您看來，干細胞應(yīng)用過程中還有哪些尚未解決的問題？
鄧宏魁：關(guān)于干細胞的臨床應(yīng)用，我認為最重要的問題是有效性和安全性，這也是干細胞移植面臨的重大挑戰(zhàn)。從多能性干細胞中獲得功能成熟的、與體內(nèi)相似的對應(yīng)細胞仍非易事。然而這是iPS來源的細胞應(yīng)用的基礎(chǔ)。
除細胞功能問題之外，另一個難點是如何消除由多潛能干細胞的基因完整性和致癌潛力引起的安全問題。最近，基于轉(zhuǎn)錄因子方法來源的hiPSC細胞進行的大規(guī)模全基因組分析表明，高比例的hiPSC細胞具有癌癥驅(qū)動基因相關(guān)突變。我們知道，對于化學(xué)重編程體系，由于化學(xué)小分子不與基因組整合，并且重編程的過程高度可控，從而可以用更靈活和更精準的方式調(diào)節(jié)細胞命運而無需進行基因操縱。因此，有希望通過小分子調(diào)控獲得最安全的多潛能干細胞和其他細胞譜系，從而推動再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
此外，借助生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，我們設(shè)計了一種通過外部裝置為病人提供治療方案的生物人工系統(tǒng)。與傳統(tǒng)方法相比，該法不需要將細胞置入病人體內(nèi)，而是通過干細胞衍生的肝細胞制備一種類似透析的裝置，該裝置能清除血液毒素治療肝臟疾病。上述生物人工肝裝置能緩解肝功能衰竭，并延長肝移植前的肝工作時間。這種將iPSC衍生物與病人物理分離的外置裝備能解決部分安全問題，因為可以通過移除外置裝置來解決使用過程中可能出現(xiàn)的意外情況。
NSR：您認為未來在多能干細胞尤其是CiPSC細胞的臨床應(yīng)用中，還有哪些關(guān)鍵問題需要突破？
鄧宏魁：除了之前提到的獲得功能性分化的細胞和消除安全隱患問題之外，建立能大規(guī)模生產(chǎn)終端細胞產(chǎn)品的平臺也很重要。此外，以GMP水平制備現(xiàn)貨型的細胞產(chǎn)品，用于多潛能干細胞的臨床應(yīng)用也更具吸引力和經(jīng)濟效益。CiPSC在細胞生產(chǎn)制造方面有內(nèi)在優(yōu)勢，當前的問題是我們?nèi)绾螌⑦@些優(yōu)勢落地。比如，與其它誘導(dǎo)體系不同，生產(chǎn)CiPSC不需要研究者有豐富的重編程經(jīng)驗，也不需要檢測外源遺傳元件，這大大節(jié)省了臨床應(yīng)用的時間。為此，我們還需要通過建立更高效、更優(yōu)化的重編程系統(tǒng)，從而加速臨床級CiPSC細胞的生產(chǎn)。這就要求我們進一步研究人類化學(xué)重編程背后的機制，同時也能為發(fā)明更高效的化學(xué)重編程系統(tǒng)提供新的靶點。
化學(xué)小分子策略
NSR：作為一個生物學(xué)家，您特別關(guān)注并堅持使用小分子而不是轉(zhuǎn)錄因子或細胞因子等生物分子來研究細胞命運的調(diào)控，這是為什么呢？
鄧宏魁：化學(xué)反應(yīng)是包括發(fā)育和重編程在內(nèi)的幾乎所有生物事件的本質(zhì)。在體內(nèi)，細胞接受環(huán)境中的外部信號，從而引導(dǎo)改變它們的細胞命運、身份和功能。此外，在低等動物中，外部刺激能引發(fā)細胞去分化從而實現(xiàn)受傷后再生。上述所有現(xiàn)象表明外部刺激對細胞而言是一種更自然的重編程機制。然而，在人類的細胞中，通過外部刺激誘導(dǎo)細胞重編程一直非常具有挑戰(zhàn)，因為此時外部刺激無法重啟細胞可塑性，也無法調(diào)控細胞命運。這是因為在進化過程中，細胞內(nèi)產(chǎn)生了穩(wěn)固的表觀遺傳狀態(tài)，這使得人體細胞可塑性降低，從而能保護細胞發(fā)揮特定功能。一旦我們攻克了上述難題，基于外部刺激的細胞重編程或許能對人類細胞命運進行有效調(diào)控，這也將為發(fā)展高度可控和靈活的重編程治療策略奠定基礎(chǔ)。
小分子有許多優(yōu)點，它們不與基因組整合，可控性強，容易進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、可標準化且易得，所以通過小分子提供外部刺激的化學(xué)重編程是調(diào)控細胞命運的可行策略。更重要的是，為了有效地調(diào)控細胞命運，需要協(xié)同調(diào)節(jié)多種信號和靶點。傳統(tǒng)基于轉(zhuǎn)錄因子的重編程策略在協(xié)同調(diào)節(jié)的靈活度和作用時間方面都受到限制，而小分子協(xié)同作用在時間和空間上具有更高的靈活度，也能更簡單地進行細胞命運調(diào)控。因此，從高度可控性和易于標準化流程的角度來說，化學(xué)重編程是理想的開發(fā)治療性重編程策略。
NSR：在CiPSCs研究過程中，最激動人心的時刻是什么？
鄧宏魁：2013年，我們的概念驗證研究表明，使用小分子處理即可將小鼠體細胞誘導(dǎo)到多潛能狀態(tài)。當首次完全確認小鼠細胞重編程的結(jié)果時，我們意識到這將是一個偉大的時刻，這將開啟細胞重編程研究的新篇章。我們第一次可以在不使用關(guān)鍵生物材料（如卵母細胞和轉(zhuǎn)錄因子）的情況下對細胞進行重編程，這為細胞重編程提供了全新的途徑。將成熟體細胞簡單地暴露于含有四種小分子的化學(xué)雞尾酒中，就能使其轉(zhuǎn)變成多潛能干細胞。在那一刻，我們認為調(diào)控細胞進行基礎(chǔ)研究和開發(fā)新的基于細胞的干預(yù)措施將發(fā)展到一個新的階段。
另一個令人印象深刻的發(fā)現(xiàn)是我們在化學(xué)重編程過程中發(fā)現(xiàn)人體細胞中激活的再生基因網(wǎng)絡(luò)。在蠑螈等低等動物中，細胞具有強大的再生潛力，可在組織損傷后激活再生相關(guān)基因。相比之下，人類的再生潛力由于進化影響受到其特殊細胞身份和功能的高度限制。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)在人類體細胞轉(zhuǎn)化為hCiPS細胞的過程中，產(chǎn)生了類似于芽基狀態(tài)的細胞，而芽基細胞是一種在蠑螈肢體再生中瞬時形成的祖細胞。上述結(jié)果表明，化學(xué)重編程體系不僅是能產(chǎn)生多潛能干細胞全新平臺，也有希望用于調(diào)節(jié)人類組織器官的再生。隨著將小分子轉(zhuǎn)化為藥物范式的建立，這種化學(xué)方法也將應(yīng)用于開發(fā)人類再生的藥理學(xué)策略。
NSR：從首次在小鼠上實現(xiàn)CiPSC誘導(dǎo)到在人類體細胞上實現(xiàn)CiPSC誘導(dǎo)，您課題組大概經(jīng)過了9年的探索時間，在這個過程中遇到的關(guān)鍵性困難有哪些？您的團隊是如何克服這些困難的？
鄧宏魁：一直以來，通過化學(xué)重編程在人類體細胞中獲得多能干細胞就是整個領(lǐng)域中的研究難點。我們和其他研究化學(xué)重編程的同事們認為，人類體細胞具有保守的表觀基因組，并且由于進化降低了其細胞可塑性，因此它們對能推動表觀基因組重編程的小分子刺激具有較強的抵抗力。為了解決上述問題，我們深入研究了大量自然界中的重編程系統(tǒng)，其中低等動物的去分化過程給了我們很大的啟發(fā)。比如在蠑螈中，受損的體細胞能對外部信號做出反應(yīng)，使得細胞去分化并啟動可塑態(tài)。在這種可塑態(tài)下，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)相對開放且可及性較高，這對誘導(dǎo)新的細胞命運來說至關(guān)重要?；谏鲜黾僭O(shè)，我們在重編程早期成功的誘導(dǎo)了再生基因計劃中的中間可塑態(tài)，這也是后續(xù)誘導(dǎo)CiPSCs的關(guān)鍵步驟。
天然產(chǎn)物分子的作用
NSR：鑒于小分子有多種不同的來源，您是如何在重編程過程中尋找和選擇小分子的？
鄧宏魁：就化學(xué)重編程而言，基于表型和功能的篩選能識別在特定生物過程中發(fā)揮作用的小分子。雖然高通量篩選是鑒定強效化合物的重要方法，但我們不能沒有重點地盲目篩選。在每一輪的篩選試驗后，我們都會進行機理研究，以便我們制定下一輪的篩選計劃。比如，我們持續(xù)檢測關(guān)鍵的信號通路、細胞增殖和死亡通路以及表觀遺傳因子的變化，同時結(jié)合過去文獻中的關(guān)鍵線索，這為我們選擇合適的小分子庫提供了線索。除此之外，由于小分子在重編程中經(jīng)常調(diào)節(jié)多個靶點，我們還通過拆分或重組不同的小分子組合來研究單個小分子的作用，這是尋找促進不同重編程階段的小分子的重要策略。
NSR：天然產(chǎn)物，也就是源自植物、細菌、真菌、昆蟲、高等動物等各種天然來源的化合物，在促進CiPSC的產(chǎn)生或其他重編程過程中有什么作用？
鄧宏魁：我們發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)物在化學(xué)重編程過程中非常重要。比如，Oct4是多能性基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的核心轉(zhuǎn)錄因子，其激活是誘導(dǎo)CiPSC最重要的一步。然而，由于OCT4在體細胞內(nèi)受到嚴格的抑制，激活內(nèi)源性O(shè)CT4的表達非常困難。我們發(fā)現(xiàn)腺苷酸環(huán)化酶的激動劑——毛喉素（一種由植物鞘蕊花產(chǎn)生的拉丹二萜），對細胞內(nèi)源性O(shè)CT4激活至關(guān)重要。此外，單獨使用毛喉素能在KLF4和SOX2的組合下代替OCT4和c-MYC誘導(dǎo)iPSC產(chǎn)生，這個天然產(chǎn)物是我們目前用于細胞重編程中最有效的小分子之一，發(fā)揮了不可替代的作用。
NSR：與制藥公司發(fā)明的類藥小分子相比，天然產(chǎn)物的獨特性是什么？
鄧宏魁：與合成化合物相比，天然產(chǎn)物最重要的特性之一是經(jīng)歷了長期的進化和自然選擇。這種獨特性使天然產(chǎn)物有卓越的結(jié)構(gòu)多樣性，因此它們能覆蓋比合成化合物更廣的生物相關(guān)化學(xué)空間。此外，天然產(chǎn)物有更高的立體化學(xué)復(fù)雜性，這增強了其調(diào)節(jié)困難靶點的潛能。據(jù)報道，超過30%的FDA批準的小分子藥物是天然產(chǎn)物及其衍生物。不僅如此，天然產(chǎn)物還有作為轉(zhuǎn)運系統(tǒng)底物的優(yōu)勢，它們能通過選擇性地分布到細胞內(nèi)作用位點來表現(xiàn)特定生物活性。
面向未來
NSR：除已報道的小分子外，還有哪些小分子可能推動CiPSC領(lǐng)域的發(fā)展？
鄧宏魁：通過機理研究，我們已經(jīng)鑒別了很多對細胞重編程有重要調(diào)控作用的靶點，比如轉(zhuǎn)錄因子或能調(diào)控表觀遺傳事件的酶。然而，仍然缺乏能有效調(diào)控這些靶點的小分子。近年來，人工智能系統(tǒng)的發(fā)展，比如能從氨基酸序列中預(yù)測蛋白3D結(jié)構(gòu)的AlphaFold系統(tǒng)等，都為篩選和鑒定重編程所需的小分子提供了更多機會。
NSR：在下一個十年的研究中，您還有其他特別感興趣的領(lǐng)域嗎？
鄧宏魁：衰老研究是我很感興趣的一個領(lǐng)域，衰老相關(guān)問題和開發(fā)針對多種衰老相關(guān)疾病的新療法非常重要。最近，我們和合作團隊共同開發(fā)了一種基于增加溶酶體β-半乳糖苷酶活性選擇性地清除衰老細胞的前藥策略，這為開發(fā)抗衰老干預(yù)措施提供了新思路。此外，我對細胞全能性和全能干細胞的體外衍生相關(guān)研究也感興趣。解決上述兩個問題能幫助我們理解一個基本生物學(xué)問題——生命的起源。如果我們能在體外構(gòu)建全能性干細胞，那將為胚胎發(fā)育提供一個良好的模型，也將為動物克隆提供新的方法。此外，全能性干細胞對全生物體基因組編輯和建立所需細胞譜系來說也是理想實驗材料。最近，我們報道了一種可在體外維持功能穩(wěn)定的全能樣干細胞的方法，這項研究為體外獲得全能性干細胞開啟了一扇新的大門。
NSR：您對當今年輕的研究人員有什么建議嗎？
鄧宏魁：我建議青年研究員關(guān)注他們研究領(lǐng)域中最重要的問題。如果我能和過去的自己對話，我會告訴自己保持積極、堅持和熱情。解決一個棘手的科學(xué)問題有助于保持研究的熱情和動力，但這個過程本身很具挑戰(zhàn)性。對青年研究員來說，堅持和勇氣對克服基礎(chǔ)研究中可能面臨的挑戰(zhàn)是最重要的。我也建議他們通過不斷地建立廣泛的知識體系來為多學(xué)科交叉研究和合作做好準備。而且在研究過程中，學(xué)術(shù)交流非常重要，研究員們需要與其他領(lǐng)域的專家溝通交流，找到潛在的合作機會。同時，這也為他們提供了交流技術(shù)、研究方法、科學(xué)問題以及從不同角度思考和解決問題的機會。我建議青年研究員們養(yǎng)成學(xué)術(shù)交流的習(xí)慣，這樣他們能從其他領(lǐng)域中尋求不同背景專家的意見。
英文原文
A small-molecule approach towards the Fountain of Youth: chemically induced pluripotent stem cells (CiPSCs)
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac181
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標簽： CiPSCs 誘導(dǎo)多潛能干細胞
