鄧宏魁團隊建立人潛能擴展多能干細胞(EPS細胞)的培養體系

如何建立高質量的多能干細胞一直是干細胞研究的核心問題。EPS細胞是2017年鄧宏魁研究組建立的一類具有全能性功能特征的多能干細胞,同時具有胚內和胚外組織的發育潛能(Yang et al., 2017)。自建立以來,EPS細胞得到了廣泛的應用。北京大學醫學部干細胞中心鄧宏魁及徐君和白云研究組利用EPS細胞建立了快速制備基因修飾動物模型的技術(Li et al., 2019a),并利用人EPS細胞高效制備功能性肝細胞(EPS-Heps)(Wang et al., 2020),與傳統人多能干細胞制備的肝細胞相比,EPS-Heps在轉錄譜上更類似于人原代肝細胞。該研究結果突出了EPS細胞產生功能性細胞的應用潛力,可以為體外制備功能細胞提供更好的來源。國際其他研究組也在EPS細胞的研究和應用中取得了一系列重要進展,利用 EPS細胞在體外構建功能性的早期胚胎結構(Li et al., 2019b; Sozen et al., 2019);將人EPS細胞注射到食蟹猴早期囊胚中,制備了人猴嵌合體胚胎,并成功使胚胎存活時間達到20天,這是目前猴子胚胎體外培養能達到的最長時長(Tan et al., 2021)。這些研究都表明EPS細胞具有廣泛的應用前景和優勢。

2021年5月21日,鄧宏魁及徐君和白云研究組在Nature Communications雜志上發表了題為“Chemically Defined and Xeno-free Culture Condition for Human Extended Pluripotent Stem Cells”的研究論文,該研究表明在體外建立了成分明確、無異源成分的人潛能擴展多能干細胞(EPS細胞)的培養體系,并利用該體系建立了將體細胞誘導為無異源人EPS細胞的重編程誘導方法。

人EPS細胞的培養依賴于飼養層細胞,制約了EPS細胞的進一步轉化應用。為了解決這一問題,鄧宏魁及徐君和白云研究組通過對飼養層分泌的細胞因子和胞外基質等進行研究,建立了成分確定的,無異源的培養體系(xeno-free EPS culture condition)。無飼養層、無異源體系培養的人EPS細胞能夠在體外長期穩定地培養60代以上,且能維持人EPS細胞的基本性質。轉錄組分析表明,無異源人EPS細胞具有和飼養層細胞培養的人EPS細胞相似的整體表達譜,與EPS特性相關的早期胚胎富集的基因模塊在無異源培養的人EPS細胞同樣富集。而且,利用該培養體系與重編程技術結合能高效建立人體細胞來源的無異源成分的人EPS細胞系,為制備人EPS細胞提供了新的方法。

鄧宏魁及徐君和白云研究組進一步系統研究了無異源培養的人EPS細胞的胚外發育潛能,將其注射到早期小鼠胚胎后,能夠穩定地嵌合到小鼠胚胎期E6.5天的胚內和胚外組織。進一步的實驗發現,無異源的人EPS細胞若培養在滋養層干細胞培養基中,能夠轉化成滋養層干細胞類似性質的細胞;ATAC-seq測序結果發現在無異源的人EPS細胞中,與胚外發育相關的基因位點處于更開放的狀態。這些結果都證明無異源培養的人EPS細胞具備胚外組織的發育潛能。

該培養體系排除了飼養層細胞不確定成分的影響,提高了人EPS細胞培養的穩定性,為推動人EPS細胞在分化,疾病模型和發育生物學的廣泛應用提供了條件。無異源成分的人EPS細胞培養體系為建立符合臨床應用標準的人EPS細胞系奠定了技術基礎,未來將進一步推進EPS技術向臨床的轉化應用。

北京大學醫學部干細胞研究中心鄧宏魁教授、徐君研究員和白云教授為該論文的共同通訊作者,北京大學生命科學學院李程研究員為該論文的生物信息學分析提供了重要支持,北京大學生命科學學院劉蓓博士,北京大學基礎醫學院博士研究生陳詩,北京大學生命科學學院徐亞星博士和博士研究生呂鈺麟為該論文的共同第一作者。本工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科委的資助。


原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-23320-8


(基礎醫學院)


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