科学家用物理手段逆转细胞状态，能用于大规模细胞培养，推动发展器官移植替代疗法

近日，德国柏林自由大学及 Helmholtz-Zentrum Hereon 研究中心的一支研究团队，从大自然中汲取灵感，通过模仿早期胚胎的几何形状，创立了一种能将多能干细胞逆转至年轻 (原始) 态的逆龄新方法。

（来源：Nature Materials）

这是一种纯粹的模拟大自然的物理的逆龄法，只需要把细胞像种子一样，种植在它的摇篮 (niche) 里，不需要转基因，也不需要任何生长因子，不仅安全而且有效和简便。

因此本次成果是干细胞生物学及生物材料领域的重大进展，为多能干细胞逆龄的应用开辟了新途径，将能用于生物制造、药物筛选、免疫疗法、类器官生成和个性化医疗等领域。

在应用前景上：

其一，可用于多能干细胞的疾病模型构建。

通过建立更加准确的体外疾病模型，能够用于研究罕见疾病或遗传病的病理机制。

其二，可用于发展基于年轻态多能干细胞的免疫疗法。

未来，课题组可能会利用本次技术来逆转和优化免疫细胞，以用于治疗癌症或其他免疫疾病。

通过针对基序底物进行物理调控，干细胞可以被更加精确地定向分化成为特定免疫细胞，从而在增强其疗效的同时减少副作用的产生。

其三，可用于生物制造与大规模细胞培养。

由于本次研究采用的是物理方法，相比现有的依赖化学工程或基因工程的方法，本次方法更加稳健且易于扩展。

故有望用于细胞的大规模培养，从而以较低的成本实现大规模高质量的细胞生产，推动药物生产和生物材料的发展。

其四，可用于药物筛选。

即通过提供高效的细胞培养平台，以用于新药开发和毒性测试。研究人员表示，本次提出的基序设计技术能够大幅提升体外药物筛选的效率和精度。

通过模拟囊胚的物理环境，可以在更加接近真实生理状态的细胞模型上，测试新药的效果和毒性，从而提高药物筛选的成功率，减少临床试验的失败风险。

其五，可用于类器官生成。

在细胞培养底物技术的帮助之下，可以生成类似人体器官的结构，以用于药物筛选和疾病研究。

未来，随着相关技术的发展，本次成果将有希望生成更复杂、功能更接近真实器官的类器官。

这不仅有助于研究单一器官的发育，还能用于多器官相互作用的研究，帮助探索癌症、神经退行性疾病等复杂疾病的病理机制。

此外，这种类器官模型还能用于开发个性化治疗方案，从而提高治疗的精准性。

其六，可用于个性化医疗和再生医学。

即根据患者需求来生成特定的细胞类型，从而用于再生医学。通过逆转干细胞回到原始态，理论上可以在实验室生成任何类型的细胞。

课题组表示，未来几年内本次技术或将被用于患者的神经细胞和心肌细胞等特异性细胞的生成，从而能够用于受损组织的再生，甚至有望推动器官移植替代疗法的发展。

“这对于因病或因故导致的组织器官损伤患者而言，具有巨大的临床价值。”研究人员表示。

（来源：Nature Materials）

模仿自然界中的几何形态

据该课题组介绍，多能干细胞（PSC，pluripotent stem cells）既具有自我更新的能力，也具备分化成所有类型三胚层细胞的潜力。

故在再生医学、组织工程、药物筛选和疾病模型构建等领域，具有巨大的应用价值。

然而，现有技术很难以有效、稳定的方式，将这些细胞逆转到原始态，以至于限制了多能干细胞的应用范围。

具体来说：在胚胎的发育过程中，多能干细胞会经历原始态和始发态这两个不同发育阶段。

原始态的多能干细胞，具有更强的增殖能力和更广泛的分化潜力，尤其在胚胎外谱系这一方向上表现极佳。

然而，在通过小分子化合物手段或遗传改造手段，来将始发态干细胞逆转成为原始态干细胞时，不仅复杂、昂贵，而且存在安全问题。

详细来说，当前将多能干细胞逆转到原始态的技术，主要依赖于化学诱导或基因操作。

这些方法确实有效，但是往往涉及到繁琐的步骤、高昂的成本、以及潜在的安全隐患。

此外，这些方法一般很难被扩展到大规模应用之中，限制了其在生医领域的应用。

而原始态多能干细胞的重要性在于：在细胞治疗、疾病模型和类器官生成中，它能更好地模拟早期胚胎的发育特征，非常适合用于研究早期发育过程及相关疾病。

然而，如何稳定、有效地产生这些细胞，已经成为一个悬而未决的长期难题。

在自然胚胎的发育过程中，胚胎外胚层和滋养外胚层之间的物理界面、以及形态学线索，在多能干细胞状态的维持中发挥着关键作用。

因此，科学家们开始思考：能否通过模仿自然界中的几何形态，设计出一种基于物理手段的方法来逆转细胞状态，从而避免传统方法的弊端？

（来源：Nature Materials）

基于此，该团队将本次研究的核心目标定为：开发一种能够模仿胚胎早期几何形态的囊胚基序底物（BMS，blastocyst motif substrate），通过纯物理手段来诱导多能干细胞恢复到原始态。

同时，课题组将核心目标细分为三个下属目标：

首先，要探索一种基于非化学工程和非基因工程的细胞逆转方法，通过模仿胚胎的形态学结构来引导细胞恢复到原始态，借此避免传统方法的复杂性和安全隐患。

其次，要验证基序底物对于干细胞逆转的有效性，以便揭示物理线索在细胞行为调控中的作用，尤其是揭示如何通过几何形状的调控来激活相关的细胞信号通路。

再次，要评估干细胞逆转之后的发育能力，特别是评估逆转之后的细胞在胚状体、畸胎瘤和生成类器官中的表现，以便验证其在再生医学中的潜力。

通过物理线索实现细胞逆转

基于囊胚的几何特征，该团队设计了一种新型细胞培养底物，并利用物理手段来模拟囊胚的几何形状，从而促使干细胞恢复到原始态。

然后，他们针对囊胚的外胚层与滋养外胚层之间的几何形状进行深入分析，借此识别了曲率范围等关键几何参数，并将其转化为设计要求。

接着，他们开发出具有上述特征的底物结构，确保能够有效地模拟囊胚的几何环境。

在材料选择上，课题组选择使用聚苯乙烯，原因在于它非常适合用于制造微观结构的材料，能够保证底物的稳定性和功能性。

同时，他们利用放电加工方法，来在金属模具上形成微观结构，并通过注塑工艺将这些结构转移到底物上，借此形成具有预定几何特征的基序底物。

完成细胞培养底物的设计之后，该团队开始在上面培养小鼠和人类的多能干细胞，这时既需要观察它们能否恢复到原始态，也需要记录细胞行为的变化。

而后，课题组开始使用显微镜技术和时间分辨技术，针对细胞行为进行实时观察。

结合计算机图像分析技术，针对基序底物对于干细胞原始态逆转的效果加以评估。

具体来说，他们分析了不同基序结构对干细胞逆转效果的影响，也评估了物理线索在细胞逆转中的作用。

（来源：Nature Materials）

总的来说，该团队发现了三个新现象：

其一，发现通过物理线索能够实现细胞逆转。

既所设计的囊胚基序底物能够有效模仿胚胎外胚层和滋养外胚层之间的几何形状。通过调控细胞的物理环境，能够实现多能干细胞向原始态的逆转。

其二，发现特定的信号通路能够被激活。

既囊胚基序的几何形状能够增强细胞间的 E-cadherin/RAC1 信号传导，并能激活机械敏感性核转导子 YAP。

而这些信号通路能在细胞逆转和多能性基因的表达中发挥关键作用。通过这一发现，该团队也揭示了细胞行为和物理环境之间的复杂相互作用。

其三，发现细胞发育潜力能够显著增强。

即逆转之后的多能干细胞，不仅在体外显示出更强的增殖能力和定向分化能力，甚至在移除基序底物之后仍能保持发育能力，这说明本次逆转方法具有较好的稳定性和可持续性。

日前，相关论文以《模拟囊胚几何形状的基质将多能干细胞逆转回幼稚状态》（Substrates mimicking the blastocyst geometry revert pluripotent stem cell to naivety）为题发在 Nature Materials（IF 37.2）。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

许逊博士是第一作者，德国 Helmholtz-Zentrum Hereon 研究中心的安德烈亚斯·伦德林（Andreas Lendlein）教授和马楠教授担任共同通讯作者。

图 | 马楠（来源：资料图）

下一步，课题组计划提高本次技术在人体诱导多能干细胞的效果。

基于早期胚胎发育过程中信号传导途径的差异，他们已经发现本次技术在人体诱导多能干细胞上也能表现出显著效果。

但为了推动本次技术的进一步应用，仍需深入了解其机制，以及迭代出新的版本。

因此：

在机制探索上，课题组将深入研究人类多能干细胞的逆转机制，并将通过优化底物设计，以便获得更佳效果。

在技术扩展上，该团队将把细胞培养底物技术用于更多的细胞类型和研究领域。

在商业化应用上，课题组则将与科研机构、医疗机构和制药公司，推动本次技术在疾病研究、药物研发和临床治疗中的应用。

参考资料：

1.Xu, X., Wang, W., Liu, Y.et al. Substrates mimicking the blastocyst geometry revert pluripotent stem cell to naivety. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01971-4

运营/排版：何晨龙

01/

02/

03/

04/

05/