pH决定细胞命运！澳门大学陈国凯团队揭示培养环境酸碱度对中胚层分化的决定性影响 | Cell Press对话科学家

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2024年8月22日，澳门大学健康科学学院陈国凯教授团队在在Cell Press细胞出版社旗下期刊Stem Cell Reports在线发表了题为“Medium acidosis drives cardiac differentiation during mesendoderm cell fate specification from human pluripotent stem cells”的研究论文。该文章以人多能干细胞为模型，揭示了培养环境的酸碱度可通过调节新陈代谢与信号传导对干细胞分化产生重要影响。仅酸性pH值本身就足以诱导细胞向心肌分化，同时抑制其他细胞类型的产生。更引人注目的是，即使在WNT抑制剂（经典的心肌诱导信号）存在的情况下，碱性环境也会阻碍心肌分化。本研究为干细胞定向分化提供了新思路。

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心肌细胞是心血管疾病细胞疗法的必需材料，干细胞定向分化则是生成心肌细胞的重要途径。信号通路的外源调节剂是研究人员在多能干细胞（hPSC）分化中使用的主要工具。例如，目前诱导心肌分化的主要方法是通过激活WNT通路使hPSC分化为中内胚层祖细胞，随后以WNT抑制剂引导祖细胞向心肌分化。相比之下，人们对hPSC本身对细胞命运的贡献知之甚少。

在本报告中，研究团队发现hPSC可通过代谢活动主动调节自身的微环境，从而在细胞分化中发挥积极作用。hPSC的糖酵解水平较高，通过糖酵解可生成大量乳酸，导致培养环境的酸化。按照常见的每天换液一次的细胞培养操作，细胞培养基的pH值会在7.3~6.6之间波动。那么环境的酸碱度对细胞命运是否会产生影响？为回答这个问题，研究团队采用盐酸、乳酸和碳酸氢钠对细胞分化培养基的pH值进行了调节，并观察到了非常有趣的现象。在无外源调节剂的情况下，中内胚层祖细胞本应自发分化为多种细胞种类（含部分心肌细胞）；如果通过额外添加盐酸或乳酸使培养基始终维持在酸性pH（6.4~6.6），细胞会失去其多样性，绝大部分向心肌方向分化。相反地，如果添加碳酸氢钠将pH维持在中性至碱性范围（7.0~7.6），则会抑制心肌细胞的生成，只产生其它类型的细胞。更令人惊讶的是，即使采用WNT抑制剂（经典的心肌诱导信号），碱性培养环境也会抑制心肌的生成，说明pH对细胞命运的影响可覆盖信号通路调节剂的效果。

图1. 培养基酸碱度对中内胚层祖细胞自发分化的影响。

图2. 培养基酸碱度对中内胚层祖细胞在WNT抑制剂诱导下分化的影响。

视频：由盐酸诱导分化生成的跳动的心肌细胞。

进一步的研究表明，pH对细胞命运的影响是通过改变新陈代谢而实现的。酸性环境抑制糖酵解，而糖酵解的水平降低导致细胞向心肌分化；相应地，碱性环境提高糖酵解水平，从而抑制心肌细胞的生成。因此，使用糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖（2-Deoxy-D-glucose, 2-DG）可达到类似酸性pH的结果，无需外源调节剂即可诱导心肌分化；另一方面，当WNT抑制剂主导的心肌分化被碱性环境所抑制，使用2-DG也可解除抑制，挽救心肌分化。

图3. 2-脱氧-D-葡萄糖可独立诱导心肌分化，也可挽救碱性条件下WNT抑制剂诱导的心肌分化。

除了影响糖酵解水平，本研究也表明环境酸碱度的调节可以影响多条信号通路，包括WNT通路和AMPK通路。酸性环境可激活AMPK通路、抑制WNT通路，这两者均对心肌分化有促进作用。如果在碱性条件下通过AMPK激活剂激活此通路，则可挽救心肌分化。

图4. 酸碱度影响WNT与AMPK通路。

这项研究揭示了酸碱度的变化通过新陈代谢与信号传导通路对细胞命运产生的重要影响，不仅有助于深入了解细胞命运决定的机理，也为细胞生产与细胞疗法提供了重要的技术手段。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请陈国凯教授代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

本研究的特色和创新之处？

陈国凯教授：

使用外源的信号通路调节剂诱导细胞分化是定向分化的主流手段。本研究则表明，细胞微环境对细胞命运有重要的影响，细胞自身分泌的代谢物（乳酸）可以影响细胞命运；酸、碱、代谢的调节，均可作为细胞定向分化的重要工具。

此外，传统的WNT抑制剂方法对细胞状态与培养密度要求较高，当条件不完美时，分化效率会显著下降。为提高心肌分化的效率与稳定性，酸性pH也可与WNT抑制剂结合使用，进一步优化心肌细胞的生产。

CellPress：

本研究的结果与人类正常的胚胎发育有何关联？

陈国凯教授：

在体内胚胎发育过程中，从受精卵到囊胚的早期发育过程发生在输卵管和子宫中，而卵泡液和子宫液的pH值呈碱性（人类高达7.7，猴子为7.8，兔子和猪为7.9），并且在排卵和怀孕早期会升高。这表明胚胎早期发育发生在碱性环境，与常用的体外细胞培养条件（刚换液为中性，很快变为酸性）相当不同。我们的结果表明，碱性环境有利于细胞类型的多样化，因而早期胚胎发育的体内环境呈碱性可支持多种细胞的发育。这项研究的一个有趣发现是，碱性条件下的心脏发育不仅需要WNT通路抑制，还需要来自其他通路的信号，例如AMPK激活，以及可能的其他必要信号。这表明从体外细胞培养研究中获得的知识可能需要在细胞微环境的背景下重新检验，以免忽略对分化重要的关键因素。

CellPress：

本研究未来的研究方向是什么？

陈国凯教授：

本研究目前主要聚焦在酸碱度与糖酵解水平对心肌分化的影响。作为调节细胞命运的手段，酸碱度与代谢调节简单易行，成本低廉，当可应用于不同类型的分化平台，检测pH对其它细胞类型分化的影响，相信可帮助优化更多的细胞生产流程。

作者介绍

陈国凯 

教授

陈国凯，澳门大学健康科学学院教授，珠海澳大科技研究院院长。干细胞领域专家，Essential 8细胞培养系统的发明者。陈教授的团队致力于开发新一代多能干细胞培养条件，拓展皮肤和心肌细胞分化手段，以期最终开发细胞治疗所需材料。其研究成果被干细胞领域广泛应用，之前的多项发明已成功投入商业生产。

刘蔚蔚 

博士

刘蔚蔚，博士，澳门大学健康科学学院高级导师，生物成像与干细胞中心实验室运营经理。长期致力于干细胞技术开发，研究干细胞微环境和代谢因子对干细胞培养与细胞命运决定的影响。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Stem Cell Reports上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Medium acidosis drives cardiac differentiation during mesendoderm cell fate specification from human pluripotent stem cells

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213671124002212

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2024.07.012

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