BioArt - NBE | 曹楠團隊實現體細胞向心血管祖細胞化學重編程和規模化擴增－鑽石舞台

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人心臟不具有成體幹細胞已成為學術界共識。胚胎發育中出現的心血管祖細胞（cardiovascular progenitor cells, CPCs）是體內唯一公認的具有心肌分化能力的幹細胞，具有廣闊的心臟再生應用前景。與終末分化的心血管細胞相比，CPCs理論上具有自我更新和增殖能力，因而具備在體外被大量擴增至足夠數量，進而進行移植治療的可能性。另外，CPCs還具備血管平滑肌細胞和血管內皮細胞分化潛能。因此在移植至梗死心臟後，CPCs不僅可補充受損的心肌細胞，還可以通過分化為毛細血管改善梗死區血液循環，促進內源和外源心肌細胞存活。多項研究證明，移植CPCs可以明顯提升心梗動物心功能，並展現出比單純心肌細胞移植更顯著持久的效果。因此，CPCs作為目前最有希望的心臟替代療法供體細胞之一，展現出了廣闊的臨床應用前景。然而，CPCs僅在胚胎發育過程中存在，如何從成年人獲取和擴增CPCs細胞成為亟待解決的關鍵問題。

2022年3月31日，中山大學中山醫學院曹楠教授團隊在Nature Biomedical Engineering期刊上發表了題為Reprogramming of fibroblasts into expandable cardiovascular progenitor cells via small molecules in xeno-free conditions的論文。該研究首次使用小分子化合物組合將小鼠和人成纖維細胞重編程為CPCs（化學誘導的心血管祖細胞，chemically induced CPCs, ciCPCs）並實現其規模化擴增和心臟修復應用，從而創建了從病人自體細胞製備和擴增CPCs，進而用於心臟修復的新策略。

在該研究中，作者基於課題組前期研究中建立的篩選策略（Science 2016），對95種重編程小分子以及205種調節細胞信號轉導及表觀遺傳修飾的化合物進行了系統篩選和組合，發現了一組6個小分子化合物組合（6C）可以激活成纖維細胞，使其在心臟發育信號誘導下直接轉化為ciCPCs。進一步機制研究發現：6C可以協同促進成纖維細胞增殖和上皮轉化（mesenchymal-to-epithelial transition, MET），並促使心臟發育關鍵基因位點（Gata4、Isl1、Nkx2-5等）染色質結構開放，進而提升細胞對心臟發育信號響應性，誘導成纖維細胞向CPCs快速高效重編程。

與此同時，研究團隊基於團隊前期工作中建立的CPCs體外培養體系（Cell Research 2013;Cell Stem Cell 2016）進一步優化了培養條件，去除了牛血清白蛋白和人工基底膜基質（matrigel）等動物源及化學組成不明晰組分，並通過高通量藥物篩選發現了促進ciCPCs長期自我更新和增殖的小分子化合物。基於以上進展，研究團隊建立了一套臨床級CPCs培養方案，可實現小鼠和人ciCPCs在化學成分明晰、無異源添加物（xeno-free）條件下長達數月的連續傳代培養，擴增倍數可達1014倍以上。經過長期體外擴增的ciCPCs依然保持了在體外和體內高效快速分化為心肌細胞、血管平滑肌細胞及內皮細胞等多種成熟心血管細胞的能力，並且不具有成瘤性。將ciCPCs移植至梗死心臟後，其可同時促進瘢痕區心肌重建和血管化，進而顯著促進梗死心臟修復和心功能恢復。

該研究首次實現了CPCs的化學重編程和規模化擴增。重編程獲得的CPCs不僅具有成體幹細胞不具備的明確心肌分化潛能，且可同時促進疤痕區血管化，進而為心臟細胞治療提供了新的獨特種子細胞來源。同時，團隊開發的CPCs臨床級擴增技術使建立CPCs細胞庫，並對其進行嚴格質控、長期保存、及快速擴增應用成為了可能，提升了CPCs的臨床應用前景。

副研究員王嘉博士及顧珊珊博士為論文的共同第一作者。曹楠教授為論文的通訊作者。該研究得到上海交通大學基礎醫學院張明亮教授大力支持和協助。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00865-7

曹楠課題組長期從事細胞命運調控及心臟再生修復研究，近期通訊作者（含共同）研究工作發表在Nat Biomed Eng.(2022)、Nat Commun.(2022)、Cell Rep.(2022)、Adv Sci.(2021)、Circ Res.(2020) 等期刊。課題組在基於幹細胞模型的心血管疾病藥物篩選以及內源心臟再生方向取得了多項原創性發現，擬招收若干相關背景博士後推進課題進展。同時亦歡迎有興趣的同學報考碩士和博士研究生。

製版人：十一

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