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人多能干細(xì)胞衍生的β細(xì)胞(hPSC-β細(xì)胞)顯示出恢復(fù)血糖的潛力。然而，hPSC-β細(xì)胞的不成熟功能限制了其應(yīng)用效果。
2024年5月1日，北京大學(xué)鄧宏魁、李程及中國(guó)科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所杜媛媛共同通訊在Cell Stem Cell在線發(fā)表題為“Remodeling ceramide homeostasis promotes functional maturation of human pluripotent stem cell-derived β cells”的研究論文。該研究解析了人多能干細(xì)胞衍生的胰島素分泌細(xì)胞(胰島β細(xì)胞)功能成熟的過(guò)程，闡述了胰島β細(xì)胞功能成熟的調(diào)控模式；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)靶向調(diào)控胰島β細(xì)胞成熟的因子，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)了一個(gè)小分子化合物庫(kù)，經(jīng)過(guò)篩選發(fā)現(xiàn)HDAC抑制劑TH34有效促進(jìn)胰島β細(xì)胞的體外功能成熟。
糖尿病是一種嚴(yán)重威脅人類健康的疾病。對(duì)于胰島素依賴型糖尿病患者，目前常用的外源胰島素注射難以實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖的精確調(diào)控，這導(dǎo)致多種并發(fā)癥的發(fā)生，并嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。臨床胰島移植可以使患者完全擺脫胰島素注射，實(shí)現(xiàn)疾病的治愈。但人原代胰島組織的稀缺導(dǎo)致胰島移植的應(yīng)用受到了極大的限制。
人多能干細(xì)胞具備在體外穩(wěn)定的自我更新能力和向人體各種細(xì)胞分化的潛能，是體外大量制備人體細(xì)胞的理想種子細(xì)胞。然而，人多能干細(xì)胞分化的功能細(xì)胞普遍面臨細(xì)胞功能不成熟、細(xì)胞狀態(tài)類似于胚胎發(fā)育期的問(wèn)題，這種不成熟性限制了人多能干細(xì)胞衍生的功能細(xì)胞的體內(nèi)和體外應(yīng)用。先前的研究表明，在體內(nèi)移植后，未成熟細(xì)胞逐漸獲得成熟細(xì)胞的功能，這種體內(nèi)成熟過(guò)程為研究人類細(xì)胞的功能成熟提供了一種可行的替代方法，可以增強(qiáng)對(duì)晚期發(fā)育的整體理解，并促進(jìn)從hPSCs生成成熟細(xì)胞。因此，如何在體外獲得功能成熟的人體細(xì)胞，是多能干細(xì)胞分化領(lǐng)域面臨的一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題。
hPSCs衍生的胰島可以通過(guò)補(bǔ)充胰腺β細(xì)胞來(lái)恢復(fù)內(nèi)源性胰島素分泌，這是通過(guò)調(diào)節(jié)胰島素輸出來(lái)維持循環(huán)葡萄糖濃度在狹窄生理范圍內(nèi)的必要條件。然而，hPSCs衍生β細(xì)胞(hPSC-β細(xì)胞)的一個(gè)共同困境是其不成熟的功能，表現(xiàn)為基因表達(dá)譜、轉(zhuǎn)錄組熵、細(xì)胞內(nèi)Ca2+振蕩、線粒體呼吸和胰島素分泌能力。移植到嚙齒類動(dòng)物或靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型后，hPSC-β細(xì)胞逐漸成熟并顯示出相當(dāng)大的細(xì)胞功能改善，類似于成人胰島中β細(xì)胞的功能。因此，闡明這一體內(nèi)成熟過(guò)程的機(jī)制將為人類胰腺β細(xì)胞的功能獲得提供有價(jià)值的見(jiàn)解，并有利于體外成熟的hPSC-β細(xì)胞的產(chǎn)生。
機(jī)理模式圖
該研究通過(guò)單細(xì)胞多組學(xué)分析來(lái)破譯hPSC-β細(xì)胞移植后的成熟過(guò)程，并預(yù)測(cè)通過(guò)靶向參與功能成熟的上游調(diào)節(jié)因子來(lái)改善hPSC-β細(xì)胞功能的小分子。通過(guò)在體內(nèi)建立一個(gè)發(fā)育連續(xù)體，研究人員描述了以人造血干細(xì)胞為模型的人β細(xì)胞成熟獲得的景觀，該圖譜顯示了脂質(zhì)代謝，尤其是神經(jīng)酰胺穩(wěn)態(tài)在β細(xì)胞成熟過(guò)程中的重要性。用小分子TH34調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)酰胺濃度可顯著改善hPSC-β細(xì)胞的功能。總之，該研究為人類胰腺β細(xì)胞的成熟提供了見(jiàn)解，并強(qiáng)調(diào)了神經(jīng)酰胺穩(wěn)態(tài)在功能獲得中的重要性。
鄧宏魁團(tuán)隊(duì)在人多能干細(xì)胞向胰島細(xì)胞定向分化方向有多年的研究基礎(chǔ)。2005年，其實(shí)驗(yàn)室建立了全球首個(gè)分步誘導(dǎo)的方法，將小鼠多能干細(xì)胞定向分化為胰島β細(xì)胞(Shi et al., Stem Cells, 2005)。2007年，其實(shí)驗(yàn)室建立了首個(gè)化學(xué)成分明確的人胰島定向分化方案(Jiang et al., Cell Res, 2007)。而后，又不斷優(yōu)化了人多能干細(xì)胞和猴多能干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為胰島β細(xì)胞的方案(Zhang et al., Cell Res, 2009；Jiang et al., Diabetologia, 2011；Liu et al., Cell Res, 2014)。2022年，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了人體細(xì)胞化學(xué)重編程技術(shù)(chemical reprogramming)，僅使用外源化學(xué)小分子就可以將終末分化的體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)至胚胎發(fā)育早期的多能干細(xì)胞，這種化學(xué)重編程獲得的人多能干細(xì)胞稱為人CiPS細(xì)胞(human chemical induced pluripotent stem cells)(Guan et al., Nature, 2022)。利用人CiPS細(xì)胞，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)大幅改進(jìn)了人多能干細(xì)胞向胰島細(xì)胞的分化方案，并將人多能干細(xì)胞分化的胰島細(xì)胞移植入非人靈長(zhǎng)類糖尿病動(dòng)物模型，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了其治療糖尿病的安全性和有效性(Du et al., Nature Medicine, 2022；Liang et al., Nature Metabolism, 2023)，為開展臨床試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
該研究發(fā)現(xiàn)的促進(jìn)胰島β細(xì)胞功能成熟的方案，將幫助領(lǐng)域在體外更有效的制備功能成熟的人多能干細(xì)胞衍生胰島細(xì)胞，為未來(lái)臨床細(xì)胞替代治療糖尿病提供更高質(zhì)量的分化胰島細(xì)胞。
鄧宏魁課題組滑慧娟博士、李程課題組博士研究生王雅琦，鄧宏魁課題技術(shù)員王小豐為本文的共同第一作者。該研究得到了北京大學(xué)湯超教授團(tuán)隊(duì)、天津第一中心醫(yī)院沈中陽(yáng)教授和王樹森教授團(tuán)隊(duì)的大力支持。