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科研进展
 

Science | 邓宏魁研究组与合作者报道
功能成熟细胞在体外长期维持的新方法
 
2019年4月26日,北京大学邓宏魁研究组、解放军总医院卢实春研究组以及复旦大学袁正宏研究组合作在《科学》(Science)杂志发表了题为《原代人肝脏细胞在体外的长期功能性维持》(Long-term functional maintenance of primary human hepatocytes in vitro)的研究论文,首次证明利用化学小分子调控细胞信号通路,实现了功能细胞在体外的长期维持,这为大量制备功能成熟细胞及其应用提供了可能。
如何诱导获得功能成熟的细胞并在体外保持其功能性是再生医学的关键瓶颈。邓宏魁研究组与卢实春研究组长期合作,致力于在体外获得大量的功能性细胞。在个体发育过程中,多种发育信号的精确调控,分化产生功能各异的细胞并长期稳定地维持其生理功能。然而,这些功能细胞一旦离开体内微环境便会迅速去分化并失去功能。此外, 由于缺乏适当的培养条件与微环境,体外源于干细胞诱导分化所获得的功能细胞,很难真正成熟并长期维持其功能,是再生医学研究和应用中长期面临的挑战。在过去的几十年里,人们尝试了改变培养材料,共培养以及三维培养等很多方法,但始终未能建立一个简单高效,稳定的功能细胞体外培养体系。为解决这一问题,邓宏魁研究组以体外培养过程中快速失去功能的人原代肝细胞为研究对象,筛选到5种化学小分子的组合(5 compounds,5C)并利用它们在体外成功实现了肝细胞功能的长期维持。在长达一个月以上的培养过程中,5C组合抑制了肝细胞的去分化,细胞整体基因表达谱与体内的肝细胞高度相似,并长期维持了白蛋白分泌、尿素合成、药物代谢等肝细胞的功能。
肝细胞在体外药物代谢及药物研发方面具有重要的实用价值,然而长期以来功能维持条件的缺失极大限制了肝细胞的应用。在邓宏魁研究组新建立的5C培养体系中,体外培养的肝细胞能合成与体内水平相似的药物代谢酶,并具有长期维持药物代谢能力,极大拓展了其在药物代谢、药物相互作用和药物毒性方面的应用。与此同时,邓宏魁研究组与袁正宏研究组合作,基于5C培养条件,成功建立了乙型肝炎病毒感染模型:持续高水平表达乙肝表面抗原、e抗原、合成乙肝病毒DNA等感染指标,尤其是能够长期稳定产生乙肝病毒复制必需的cccDNA。这一模型的建立,对于乙肝病毒的深入研究与药物研发具有重要意义。我国约有1.2亿人携带乙肝病毒,目前仍然没有有效的治愈方法。因为乙肝病毒侵入肝细胞后,形成了一种很难被清除的病毒复制模板cccDNA,目前还没有针对这个病毒复制关键靶点的药物。相形之下,丙型肝炎病毒的发现虽然晚于乙肝病毒,但基于有效的体外病毒感染模型,已成功筛选并获得治愈丙肝的药物。5C培养条件下的肝细胞支持乙肝病毒的高效感染,并能够长期产生cccDNA,可作为理想的药物筛选模型,为治愈乙型肝炎带来希望。

[图注]:人原代肝细胞在5个化学小分子的协同作用下,能够在体外长期维持功能。这些长期维持功能的人肝细胞在药物研发方面有广泛的应用价值;另一方面,它们可以支持乙肝病毒(HBV)完整的病毒复制周期,包括持续的产生共价闭合环状DNAcccDNA),这为抗乙肝病毒药物提供了一个理想的高通量筛选模型。

相比于传统遗传学方法,化学小分子能够实现对多个信号通路靶点的精细调控。在过去几年,邓宏魁研究组在化学小分子调控细胞命运方面取得了一系列突破性进展:诱导体细胞重编程为多潜能干细胞(CiPS细胞);诱导皮肤成纤维细胞为功能神经元细胞(CiN);建立了具备全能性功能特征的多潜能干细胞(EPS细胞)。在本研究中,邓宏魁研究组利用化学小分子实现了体外肝细胞功能的长期维持。这些工作表明了化学小分子在精细调控细胞命运和功能上的优越性,这一方法也为其他类型细胞体外功能的长期维持提供了新的途径。
北京大学邓宏魁,解放军总医院卢实春以及复旦大学袁正宏为该论文的共同通讯作者,向晨罡博士、杜媛媛博士以及孟高帆博士为该论文的共同第一作者。本工作获得了生命科学联合中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金等基金的大力支持。
 
 




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