小分子诱导成纤维细胞转分化为肝脏实质细胞的研究

Liver disease including liver cirrhosis and liver function failure is a huge threat to our people’s health. So far the only effective treatment is liver transplantation which was limited by the availability of the donor livers. Hepatocyte transplantation is a promising treatment for liver cirrhosis and has been proven to be effective in rat liver cirrhosis models. Among the sources of the hepatocytes, the direct transdifferentiation from other cell types is more straightforward than induced pluripotent stem cells and can be applied in vivo directly. However, the efficiency is still low and the use of transgene has potential risk of gene mutation. To overcome such problems, this project is going to systematically test the effects of chemicals and cytokines on the transdifferentiation of fibroblast into hepatic cells, and screen for the chemicals that could improve the transdifferentiation efficiency and gradually replace the transgene till no transgene was used at all. This research will provide a new strategy for safe and simple source of hepatocytes. As the target of the chemicals are known, this research will also facilitate our understanding of hepatic reprogramming.

在我国，肝硬化、肝衰竭等肝脏疾病是严重威胁人民健康和生命安全的重大疾病之一。目前，肝脏移植是一种有效治疗手段，但因受限于供体来源问题而难以广泛开展。肝脏实质细胞移植已在大鼠模型中成功治疗肝硬化，为解决这一问题提供了新的可能。作为肝脏实质细胞的来源，通过转分化获得肝脏实质细胞的方法较之诱导多潜能干细胞分化的方法更为直接，并且具有体内直接应用的前景。然而，目前已报道的转分化效率还很低，转基因的手段也存在诱发基因突变的风险。针对这一问题，本课题将在成纤维细胞向肝脏细胞转分化的诱导体系中，系统地测试经典信号通路和表观遗传调控因子对转分化效率的影响，发现提高转分化效率的小分子或蛋白因子，并逐步取代外源转基因的依赖，最终实现小分子诱导的转分化体系。该研究将为肝脏细胞来源问题提供更为简单和更为安全的新策略，并有助于通过小分子的已知靶点从新的角度理解重编程过程的分子机制和肝脏细胞命运决定的分子机理。

化学重编程是一种很有前景的方法用于获得有功能的细胞类型，为器官/组织的修复和再生提供了一个实用和有前途的细胞来源。然而，重编程小分子组合的开发缺乏有效的工具，这限制了化学重编程方法在更多功能细胞类型上的应用。在本课题中，我们首先揭示了化学重编程初期的一个具有多谱系待发潜能的CaMP (Chemically-induced multi-lineage priming)阶段。很多分化发育相关的转录因子，如Sox17、Ascl1、Mef2c和Nkx6-1，在CaMP阶段被广泛激活表达，并拥有更开放的表观遗传状态，提示发展成多种谱系的潜能。其中，肝细胞富集表达的转录因子，如Gata4、Foxa2和Hnf1b，在CaMP阶段已经被激活。因此，通过进一步优化肝细胞培养基，进一步激活肝脏重编程的关键转录因子，如Hnf4a，我们实现了从成纤维细胞到功能性肝细胞样细胞（CiHep细胞）的直接化学重编程。CiHep细胞具有体外的药物代谢能力，以及Fah-/-Rag2-/-Il2rg-/-（FRG）小鼠体内肝脏再植能力。此外，在CCl4和DDC诱导的慢性肝损伤模型中，我们找到一组小分子化合物可以原位诱导肝脏成纤维细胞成为肝实质细胞，且明显改善了肝脏纤维化，恢复了部分肝功能。总的来说，我们的研究结果揭示了化学诱导直接重编程的原理，并提供了一种不经过多能性，而通过CaMP阶段化学诱导获得功能细胞类型的一般方法。这为小分子诱导重编程方法在体内、体外诱导功能细胞类型应用于再生医疗提供了全新的策略。