2022年4月13日，北京大學生命科學學院、北大-清華生命聯合中心鄧宏魁研究團隊在國際學術期刊Nature雜志在線發表了題為“Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells”的研究論文，首次在國際上報道了使用化學小分子誘導人成體細胞轉變為多潛能干細胞這一突破性研究成果。運用化學小分子重編程細胞命運（化學重編程），是繼“細胞核移植”和“轉錄因子誘導”之后新一代的，由我國自主研發的人多潛能干細胞制備技術，為我國干細胞和再生醫學的發展解決了底層技術上的“瓶頸”問題。

多潛能干細胞具有無限增殖的特性和分化成生物體所有功能細胞類型的能力，這些神奇的特質使其在細胞治療、藥物篩選和疾病模型等領域具有廣泛的應用價值，是再生醫學領域最為關鍵的“種子細胞”。在哺乳動物自然發育過程中，多潛能干細胞只短暫存在于胚胎發育的早期階段，隨后便會分化為構成生物體的各種類型的成體細胞，喪失其“種子細胞”的特性。如何逆轉這一自然發育過程，使高度分化的成體細胞重新獲得類似胚胎發育早期的多潛能狀態，一直是干細胞與再生醫學領域最重要的科學問題之一。

上世紀60年代，英國科學家John Gurdon在爪蟾中開發了細胞核移植技術，1997年Ian Wilmut團隊利用該技術制備了克隆羊多莉，證明了哺乳動物高度分化的體細胞也可以被逆轉為早期胚胎的初始狀態，并獲得了發育為整個動物個體的能力。2006年，日本科學家Shinya Yamanaka報道了使用轉基因的方式可以將小鼠成體細胞重編程為多潛能干細胞，稱為誘導多潛能干細胞（induced pluripotent stem cell，iPS細胞）。細胞核移植和導入外源基因的方法，證明了哺乳動物體細胞可以通過重編程逆轉為胚胎發育早期狀態，重新獲得“多潛能性”。這兩項技術于2012年榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。iPS技術的建立，打破了傳統胚胎干細胞的倫理限制，為構建病人自體特異性干細胞系提供了全新的方法，大大加速了干細胞臨床應用的進程。近年來，已開展了針對帕金森、糖尿病和癌癥等多種重點疾病的細胞治療臨床試驗。然而，目前細胞治療的技術體系都是國外發展起來的，中國能否擁有原創的底層技術？

長期以來，鄧宏魁團隊一直致力于開發調控細胞命運的新方法和建立制備干細胞的底層技術。2013年，鄧宏魁團隊在Science雜志發表了一項原創性的研究成果，即不依賴卵母細胞和轉錄因子等細胞內源物質，僅使用外源性化學小分子就可以逆轉細胞命運，將小鼠體細胞重編程為多潛能干細胞（chemically induced pluripotent stem cells, CiPS細胞）。相比傳統方法，化學小分子操作簡便靈活，時空調控性強、作用可逆，可以對細胞重編程過程進行精確操控。另外小分子誘導體細胞重編程技術作為非整合方法，規避了傳統轉基因操作引發的安全問題，有望成為更安全的臨床治療手段。之后，鄧宏魁團隊又相繼在Cell和Cell Stem Cell等雜志發表文章，詳細闡明了化學重編程獨特的分子機理，并進一步對小鼠化學重編程體系進行了大幅優化。隨后，包括謝欣、姚紅杰、裴端卿、劉林、祝賽勇等多個研究組利用相同或類似的化學小分子組合，重復和優化了小鼠化學重編程技術?；瘜W重編程誘導多潛能干細胞的研究開辟了一條全新的體細胞重編程途徑，不僅有助于更好地理解細胞命運決定和轉變機制，而且為未來再生醫學治療重大疾病帶來新的可能。

本次研究中，鄧宏魁團隊首次報道了使用化學重編程的方法，成功實現了使用化學小分子將人成體細胞誘導為多潛能干細胞(人CiPS細胞)。這一技術的建立開辟了人多潛能干細胞制備的全新途徑，使其向臨床應用，邁進了關鍵一步。

圖1：新一代誘導多潛能干細胞技術

作為高等動物，人類成體細胞特性和穩態調控的復雜性遠非小鼠成體細胞可比，在表觀遺傳層面上存在重重障礙，嚴重限制了在人類成體細胞中激發細胞可塑性的可能。自2013年以來，盡管眾多國際團隊在小鼠化學重編程工作的啟發下進行大量嘗試，卻一直未能解決人類成體細胞的化學重編程問題。這使得領域內普遍認為：人類成體細胞的表觀遺傳限制是極其嚴格的，很可能無法通過化學重編程激發人類成體細胞獲得多潛能性。鄧宏魁團隊經過長期地堅持和不懈努力，突破了這一瓶頸。這一突破的關鍵步驟受低等動物再生過程啟發。蠑螈等低等動物在受到外界損傷后其體細胞會自發的改變本身的特性，進而通過去分化獲得一定的可塑性，借助這一可塑的中間狀態實現肢體的再生。沿著這一思路，研究團隊進行了大量化學小分子的篩選和組合，最終發現高度分化的人成體細胞在特定的化學小分子組合的作

用下，同樣可以發生類似去分化的現象，獲得具有一定可塑性的中間狀態。在此基礎上，研究團隊最終實現了人CiPS細胞的成功誘導。

圖2: 人體細胞化學重編程誘導人CiPS細胞

與傳統的技術體系相比，CiPS細胞誘導技術具有更加安全和簡單、易于標準化、易于調控等不可替代的優勢，突破了iPS技術面臨的限制，具有廣闊的臨床應用前景。1）安全性方面，之前在小鼠CiPS細胞中已經證明，其攜帶的遺傳突變顯著少于傳統 iPS 細胞，產生的嵌合體小鼠在長達 6個月的觀察期內不產生腫瘤且全部健康存活。同時，人CiPS細胞分化來源的胰島細胞移植入小鼠和非人靈長類動物模型體內，經過長期觀察未發現腫瘤形成；2）在個體化制備方面，研究團隊目前已在不同年齡個體來源的體細胞類型上都可實現穩定誘導人CiPS細胞；3）在細胞標準化制備方面，化學小分子具有操作簡單，時空調控性強，作用可逆，合成儲存方便，易于標準化生產等一系列特點，使得人CiPS細胞在標準化和規?；a方面有著不可替代的優勢。要特別指出的是，人CiPS細胞能高效制備胰島細胞，且安全有效地改善了糖尿病猴的血糖控制，凸顯了人CiPS細胞作為“種子細胞”治療重大疾病在安全性和有效性上的巨大優勢。這一研究的主要結果于今年二月發表在醫學雜志Nature Medicine上。

圖3：人CiPS技術在生物醫學領域具有廣闊的潛在應用前景

在此基礎上，研究團隊還描繪了化學重編程誘導人CiPS細胞的分子路徑，揭示了化學重編程與傳統轉錄因子重編程不同的分子機制和獨特的調控機理。研究發現人CiPS的誘導以分階段精確調控的方式發生，在早期階段產生了特殊的中間狀態。通過和低等動物再生去分化過程中細胞性質的詳細比較，研究團隊確認了人CiPS細胞誘導的早期階段激活了與低等動物斷肢再生早期類似的基因表達特征。更重要的是，研究團隊還發現了調控這一類再生狀態的關鍵信號通路，證明抑制過度的炎癥反應，對于化學重編程誘導人體細胞重新獲得類再生中間態至關重要。這一再生中間態為研究人體細胞重新激活再生基因提供了全新的思路，并且提示將來有僅通過化學小分子組合重新激活人體細胞可塑性和再生潛能的可能性，有望推動化學重編程在組織器官再生方向的應用，為再生醫學研究提供新的可能途徑。

圖4:化學重編程激活再生相關網絡的分子機制

綜上所述，化學重編程技術體系的建立不僅在多潛能干細胞臨床應用領域具有巨大的意義和價值，同時為細胞命運調控及再生生物學理論研究方面提供了全新的視角和平臺?；瘜W重編程可以精確調控細胞命運，有望成為高效制備各種功能細胞類型的通用技術，為治療重大疾病開辟了新的途徑。

關鍵詞： 細胞命運 再生醫學 低等動物