但宾夕法尼亚州立大学生物医学工程和生物学副教授连小军“兰斯”连表示，可能还会出现另一种个性化的选择。 Lian 和他的团队首次在实验室中仅使用小分子将人类干细胞转化为能够产生胰岛素的 β 细胞，从而使该过程更加高效和经济。

干细胞可以通过其环境中的信号变成其他细胞类型，一些成熟细胞可以恢复为干细胞——诱导多能性。 研究人员发现，他们的方法适用于人类胚胎和诱导多能干细胞，这两种细胞均来自联邦批准的干细胞系。 Lian 表示，他们的方法的有效性可以减少或消除未来工作中对人类胚胎干细胞的需求。他们今天（26 月 XNUMX 日）在 干细胞报告。

“糖尿病在美国和世界各地都是一种严重的疾病，”Lian 说。 “患者自身的免疫细胞会杀死他们产生胰岛素和调节血糖水平的能力。 我们认为干细胞有可能解决这个问题，让人们再次适当地调节他们的胰岛素和葡萄糖水平。”

干细胞可以通过环境条件或实验室干扰变成任何细胞类型。 Lian 说，诀窍在于找出使干细胞成为所需细胞类型的功能版本的精确条件。

“如果我们能够将干细胞转化为胰腺β细胞并将它们转移回患者体内，就有可能治愈糖尿病，”Lian 说。 “这是一个很难的问题。 20 多年来，科学家们一直在努力寻找解决方案。 我们的实验室意识到我们必须采取不同的方法。”

根据 Lian 的说法，在之前的尝试中，研究人员使用生长因子或蛋白质组将干细胞操纵成各种细胞类型。 然而，生长因子昂贵且不稳定，导致制造过程成本高昂且效率低下。

“2012 年，我们的团队发现了一种全新的分子介质，可以将干细胞分化为中胚层或内胚层阶段，这是细胞成熟过程中的发育点，”Lian 说，并指出该过程使用了有机小分子，而不是比更大的生长因子。 “这些小分子比生长因子便宜得多，也更稳定，我们仍然可以模拟生长因子将干细胞分化到中间阶段的作用。”

这些小分子包含一种称为 CHIR99021 (CHIR) 的化合物，并激活称为 Wnt 的信号通路，该信号通路将细胞引导至中间类型之一。 当 Wnt 完全激活时，细胞变成中胚层，最终变成成熟的心脏细胞。 但较小剂量的 CHIR 仅部分激活 Wnt 通路，导致内胚层细胞可以被诱导成成熟的胰腺β细胞或肝细胞。

“没有人发现这一点，因为你必须精确而仔细地优化 CHIR 浓度，”第一作者、Lian 实验室的生物医学工程博士生 Yuqian Jiang 说。 “我们知道 CHIR 对干细胞分化很重要，但其他人可能只测试了这种化学物质的一种脱靶浓度，并认为它根本不起作用。 我们测试了所有可能的浓度，并找到了将干细胞分化为内胚层细胞的精确浓度。”

研究人员给细胞注射了浓度越来越高的 CHIR。 他们发现最低剂量不足以转化细胞，而较高剂量则完全杀死细胞。 在第二和第三低剂量下，高达 87% 的干细胞变成了内胚层细胞，这些细胞可以进一步被引导成为胰腺 β 细胞。

“β细胞分化大约需要一个月的时间，加上之前研究在不同步骤建立的不同化学混合物，”江说。 “但以前的协议使用生长因子将干细胞推进到内胚层细胞。 我们的方案消除了这种需求，节省了成本，同时仍能制造大量细胞。”

研究人员还用葡萄糖测试了开发的胰腺β细胞。 Lian 说，这些细胞根据环境中存在的葡萄糖产生胰岛素，证明了它们的功能。 为了防止患者的身体杀死这些细胞——这是 1 型糖尿病患者的最初问题——研究人员计划在移植之前用生物材料聚合物封装工程改造的干细胞衍生的 β 细胞。 根据 Lian 的说法，这将保护细胞，同时仍允许它们感知环境并产生适当水平的胰岛素。

“我们的方法使我们能够以不同的剂量使用相同的低成本化学物质来产生不同的中间细胞类型，其中一种可以变成胰腺β细胞，”Lian 说。 “我们现在正在努力优化这种方法并将其转移到临床试验中，但我们已经完成了显着降低成本的艰苦工作。 细胞疗法很神奇，但不是每个人都能负担得起。 我们的目标是让每个需要它的人都能使用它。”

Lian 还隶属于哈克生命科学研究所。

“当我第一次听到兰斯谈论他想要做什么时，我对他的大胆感到惊讶，”哈克生命科学研究所所长安德鲁·里德说。 “他的工作集中体现了旨在彻底改变游戏规则的科学。 我真的很高兴他实现了这个重要的里程碑。”

其他贡献者包括 Lian 的实验室成员陈传信，他于 2018 年毕业，现在在中国的 Bioland 实验室工作，以及生物医学工程系和哈克生命科学研究所的博士后学者 Lauren N. Randolph。 张欣和叶松涛，埃伯利理学院化学系； 普渡大学戴维森化学工程学院的鲍小平也做出了贡献。

美国国立卫生研究院的国家生物医学成像和生物工程研究所、美国国家科学基金会和宾夕法尼亚州立大学支持这项工作。

故事来源：

材料 提供 宾夕法尼亚州立大学. 原文由 Ashley J. WennersHerron 撰写。 注意：内容可能样式和长度进行编辑。

期刊参考:

1. 姜玉倩、陈传新、劳伦·N·伦道夫、叶松涛、张欣、鲍小平、连小军。 通过小分子从人多能干细胞中产生胰腺祖细胞. 干细胞报告，2021; DOI： 10.1016 / j.stemcr.2021.07.021