研究背景

多能干细胞在再生医学中具有重要意义，但由于其肿瘤生成潜力（如畸胎瘤形成），限制了其临床应用。研究旨在开发一种基因和化学试剂无依赖的创新方法，通过超声诱导纤维母细胞重编程为超多能细胞（extramultipotent cells, xpotent cells），以解决现有方法的效率和安全性问题。

多能细胞具有与所有干细胞相似的基本特征，但与多能细胞相比，自我更新和分化能力有限。在这里，我们开发了一种超有效、不含基因和化学物质的方法，通过超声引导的环境过渡渗透引导细胞重编程（Entr）机制，产生比有限细胞类型更具分化潜能的额外多能（xpotent）细胞。在超声刺激下，人真皮成纤维细胞（HDFs）在6天后产生了大量由Entr介导的x/Entr球体。x/Entr的出现首先是通过在HDFs中引入人类胚胎干细胞（ESC）环境来启动快速的细胞重编程，包括激活应激相关激酶信号通路、随后的染色质重塑，以及通过超声诱导的空化引起的瞬时膜损伤表达多能相关基因。然后，多能标志物通过细胞间的直接连接被转运到相邻的HDF中，从而生成x能集群。x/Entr细胞的特征介于多能性和多能性之间，即具有三个生殖层标记的多能性、多系分化潜能和不形成畸胎瘤。这种物理刺激介导的重编程策略成本低廉、简单快捷、产量可观且安全，因此可为临床应用提供一种新范例。

实验方案

1. 细胞制备与处理

• 使用来源于成人皮肤的人类真皮成纤维细胞（HDF）。

• 在超声刺激（20 kHz, 5 W/cm²）和胚胎干细胞（ESC）培养基的协同作用下生成xpotent细胞球。

2. 分子及表型分析

• 通过PCR、免疫荧光和流式细胞术，检测标志基因和蛋白（如Oct4, Sox2, Nanog等）。

• 使用显微镜和多组学技术分析细胞的形态学、增殖及分化能力。

3. 体内/体外分化实验

• 在诱导培养条件下进行三胚层（神经、心肌、肝细胞等）定向分化。

• 在免疫缺陷小鼠中植入x/Entr细胞，检测其分化潜力及肿瘤形成风险。

研究方法

1. 超声诱导生成x/Entr细胞:

• 超声刺激导致细胞膜暂时性损伤，引发外部因子的非选择性摄取，启动细胞快速重编程。

• 在超声刺激后6天内形成高表达多能标志物（如Oct4、Nanog）的细胞球。

2. 表观遗传重塑及信号通路激活:

• 超声刺激激活了p38/MAPK信号通路，显著提升染色质重塑相关因子（如DNMT、HAT、HDM）的活性。

• x/Entr细胞呈现开放染色质结构，类似于胚胎干细胞的表观遗传状态。

3. 分化能力:

• x/Entr细胞能分化为神经元、心肌细胞和肝细胞等多种细胞类型。

• 体外分化实验表明三胚层标志基因均显著表达。

• 体内研究未观察到肿瘤形成风险。

结论与展望

1. 安全、高效的重编程方法

• 该方法无需基因或化学处理，避免了传统重编程方法中的癌变风险。

• x/Entr细胞兼具多能性和安全性，适合细胞治疗研究。

2. 应用潜力

• 为临床再生医学和药物筛选提供了新的细胞来源。

• 后续研究需优化此方法的临床转化流程，并探索其他细胞类型的适用性。

设备应用

使用 JuLI™ FL 仪器以每 5 分钟一帧的速度对 UCUMS 和 UCUM-A 进行 50 小时的活细胞显微成像，以间隔 10 分钟的速度对 mUCUM-S 进行 3 天的活细胞显微成像。

使用 JuLI™ Stage 仪器以间隔 10 分钟的速率监测 QD605s 流入 x/Entr 细胞或单个 x/Entr 细胞的情况，持续 18 小时。