2021年5月21日，生命科學學院鄧宏魁研究組在Nature Communications雜誌上發表了題為“Chemically Defined and Xeno-free Culture Condition for Human Extended Pluripotent Stem Cells”的研究論文，在體外建立了成分明確、無異源成分的人潜能擴展多能幹細胞（EPS細胞）的培養體系，並利用該體系建立了將體細胞誘導為無異源人EPS細胞的重程式設計誘導方法。
如何建立高品質的多能幹細胞一直是幹細胞研究的覈心問題。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徵的多能幹細胞，同時具有胚內和胚外組織的發育潜能（Yang et al.，2017）。自建立以來，EPS細胞得到了廣泛的應用。鄧宏魁研究組利用EPS細胞建立了快速製備基因修飾動物模型的科技（Li et al.，2019a），並利用人EPS細胞高效製備功能性肝細胞（EPS-Heps）（Wang et al.，2020），與傳統人多能幹細胞製備的肝細胞相比，EPS-Heps在轉錄譜上更類似於人原代肝細胞。該研究結果突出了EPS細胞產生功能性細胞的應用潜力，可以為體外製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，製備了人猴嵌合體胚胎，並成功使胚胎存活時間達到20天，這是現時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。但是，人EPS細胞的培養依賴於飼養層細胞，制約了EPS細胞的進一步轉化應用。
為了解决這一問題，鄧宏魁研究組通過對飼養層分泌的細胞因數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，圖1）。無飼養層、無異源體系培養的人EPS細胞能够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科技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，為製備人EPS細胞提供了新的方法。
圖1：成分確定的、無異源的人EPS細胞培養體系的建立
鄧宏魁研究組進一步系統研究了無異源培養的人EPS細胞的胚外發育潜能，將其注射到早期小鼠胚胎後，能够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幹細胞培養基中，能够轉化成滋養層幹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於更開放的狀態（圖2）。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潜能。
圖2:xeno-freehEPS細胞的胚外發育潜能
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細胞系奠定了科技基礎，未來將進一步推進EPS科技向臨床的轉化應用。
北京大學生命科學學院鄧宏魁教授、北京大學幹細胞研究中心徐君研究員和白雲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資訊學分析提供了重要支持，劉蓓博士，博士研究生陳詩，徐亞星博士，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畫、國家自然科學基金、北京市科委的資助。
參考文獻
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