九位干细胞生物学家分享最新进展——终极梦想，使研究走向临床,惠及人类的健康
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撰文｜Zeng Lab
翻译｜周月 王行睿 编辑：李家福
声明｜本文仅作为公益科普，拒绝商业用途的转载，亦不构成任何建议。
前言 /
2023年2月14日，Nature Cell Biology杂志在线发表Viewpoint文章Progress and challenges in stem cell biology.
九位干细胞生物学家在文中分享了各自领域中的最新进展和挑战。九位科学家中，有的从事胚胎干细胞研究，有的从事成体干细胞研究；有的研究天然干细胞，有的研究诱导多能干细胞(iPSC)。他们用浅显的语言将iPSC、肌肉、心肌、神经、肺、造血、表皮、胰岛及胚胎干细胞领域内的前沿进展娓娓道来。
每个领域都处于不同的发展阶段，面临各自的问题，也有共同的挑战。当下，单细胞、多组学等新兴技术快速发展，使科学家们能够在更精细的分辨率下研究、理解、改造干细胞。而几乎所有的干细胞生物学家的终极梦想，就是使干细胞研究走向临床，使干细胞疗法惠及人类的健康。在日益发展的工具的帮助和科研工作者坚持不懈地探索下，人们对干细胞的理解会愈加深刻，新的疗法也会不断涌现。
他山之石，可以攻玉。不管你正在从事哪个领域的研究，相信都可以从这道美味的“学术拼盘”中品尝出一些独到的风味。
自从干细胞首次被发现以来，研究人员已经在不同的器官中发现了不同的干细胞群，它们具有不同的功能，具备自我更新和分化为不同细胞类型的独特能力。这些能力使干细胞成为一种极具潜力的治疗工具，并使干细胞生物学成为一个快速发展的领域。在此，干细胞生物学家们对其领域中最引人注目的研究进展和当前面临的挑战发表了自己的看法。
Effie Apostolou
诱导多能性——细胞重编程领域的颠覆性发现
通过转录因子或化学鸡尾酒（小分子混合物）诱导细胞多能性是一个开创性发现，这一发现改变了多个生物医学领域，并有助于我们理解发育、衰老、再生和癌症等生物学过程。在过去的15年里，许多围绕重编程机制、轨迹和转化限制的迫切问题已经得到了解决：
高通量功能筛选确定了重新编程的关键调节因子和障碍；多组学分析帮助我们构建出体细胞丢失其身份特征而获得多能性时所经历的转录、表观遗传、拓扑学、蛋白质组和代谢变化的4D路线图；平行研究发现了在此过程中可能引入的有害、持久的畸变。此外，单细胞技术还捕捉到了细胞重编程过程中有趣的中间状态和耐药状态，这让人联想到早期胚胎命运发生、衰老、再生或肿瘤发生等生理过程。
尽管领域内已经取得了这些进展，但仍然存在较大挑战，且不断出现新的问题：重编程过程中多层级的分子链式反应中的因果关系是什么，什么因子位于调控网络的顶部？如果我们知道起点和终点，我们如何才能可重复地和确定地重新编程细胞身份，以便从易于获取的组织中高效安全地生成任何一种可用于治疗的细胞类型？我们如何避免或合理利用诱导多能干细胞的表观遗传改变？我们能否在捕获并在体外扩增具有生物医学意义的瞬时的中间态细胞？
未来的研究将通过先进的工程方法，在规定的时间窗口内进行急性和可逆的干预，这将有助于解释各种重编程调节因子的功能联系，并微调最终细胞状态。同时，单细胞研究也在同步进行，以图绘制早期胚胎、组织或合成结构中细胞状态的连续谱系，这将更明确地确定重编程中间状态能在多大程度上再现生理或病理变化。
结合不断改进的计算方法和建模，这些工作将能够准确预测关键条件和“化学鸡尾酒”成分，以实现精确、可重复和无差错的细胞命运工程，最终，这些技术可以用于生成用于疾病建模和药物筛选的复杂组织和类器官，且有利于理解和改善衰老和癌症的特征。
Helen Blau
促进肌肉再生和增强肌肉力量的多种策略
身体的行动能力对于人们的生活质量至关重要。患有肌肉减少症的老年人或患有遗传性肌肉萎缩症的患者会因肌肉力量的丧失而变得虚弱，然而目前对此尚没有获批的治疗手段。COVID-19大流行使大量患者的膈肌在呼吸机支持下萎缩，彰显了增强肌肉能力的迫切需求。虽然我们不断深入对于干细胞再生功能的了解，但巨大的的知识鸿沟和挑战仍然存在。
首先，肌肉干细胞(MuSCs) 是一个异质群体，会随着时间的推移和对疾病或衰老的反应而分化，因此针对肌肉干细胞的功能亚群的研究是一个尚未解决的挑战。其次，了解微环境和肌肉干细胞龛（niche）在肌肉干细胞行为中的作用至关重要。最近的研究发现，肌肉干细胞不仅响应生物化学信号，也响应生物机械信号，即微环境物质的弹性。这提示我们，僵硬的纤维化肌肉（肌肉萎缩症或衰老的特征）中干细胞的再生功能是受损的。
开发可以根据需要变硬或软化的水凝胶，同时保持干细胞的活力状态，可以帮助我们寻找干细胞机械转导及干细胞随年龄增长变化和克服这种变化的新的分子和信号机制。第三，通过单细胞和单核RNA测序技术，我们获得了干细胞微环境中的复杂细胞类型的基因表达模式的信息。然而，这些技术需要破坏组织，因此不能提供有关细胞间相互作用的空间信息，然而细胞互作对于维持干细胞静息状态、诱导干细胞激活和再生又至关重要。因此，现在非常需要发展空间蛋白质组学和多重成像模式，以保存再生、疾病以及衰老过程中的细胞位置和细胞间相互作用的动态信息。
最后，炎症对于伤口愈合起着有益的作用，然而慢性炎症（比如在老化的肌肉中）则是有害的。因此寻找恢复肌肉形态和功能的方法仍然是一项重大挑战。前列腺素降解酶15-PGDH（一种免疫调节剂），作为肌肉老化的关键决定因素这一发现，是朝着这一方向迈出的重要一步。值得注意的是，在年轻的成年小鼠肌肉中过表达15-PGDH一个月后，会诱发萎缩和虚弱，而在老年小鼠肌肉中抑制15-PGDH则会使肌肉质量、力量和运动表现增加15%。解决这些挑战将为寻找新的、有效的用于再生和恢复肌肉活力的干细胞靶向治疗剂铺平道路。
Kenneth Chien
心脏祖细胞重建心肌
用健康的肌肉重建患病的人类心脏是再生医学的一大理想。尽管最初尝试用非心脏细胞进行的治疗方案并没有成果，不过小鼠研究显示，通过基因转化直接进行重编程，有可能在原位创建新的心肌细胞样细胞。一类新发现的成体Claudin-6+心外膜祖细胞可以转化为肌肉，有助于脊椎动物受损心脏的再生。研究表明，紧密连接蛋白在形成蜂窝状的再生结构中起着关键作用。尽管成年人类心外膜缺乏这群特定的祖细胞，但揭示它们的再生分子通路可以确定新的信号分子，从而将非人类心外膜细胞转换到祖细胞状态来恢复其成肌潜力。
到目前为止，最先进的干细胞疗法是利用人类胚胎干（ES）细胞生成心肌细胞或人类心室祖细胞（HVPs），以移植到心脏损伤后的大型动物中。目前，这项技术的可扩展性、有效性、心室肌肉移植的明确证据、无畸胎瘤的形成和组织整合等问题都已基本解决，使这两种ES细胞衍生的细胞在大型制药公司的合作下走向临床。
然而，这项技术仍然存在一些其他的问题，比如安全性（心律失常）、耐久性（排斥反应）和临床上可行的体内递送系统的开发。在心脏发生领域二十多年的耕耘，使我们发现了HVPs，HVPs可以向损伤部位迁移，通过排斥成纤维细胞来防止纤维化，并增殖形成大型人类心室肌肉移植物，以改善衰竭猪心脏的功能。还有很多的工作正在进行中，不过之前的结果证明了HVPs的治疗潜力，其主要副作用最小，预计将在两年内进行首次人体研究。阻止免疫排斥反应的研究也方兴未艾，其策略包括使用最佳的药物方案、低免疫原性的胚胎干细胞系、新的耐受策略和新型体内递送导管。有了这些进展，HVPs最终可能为没有其他选择的接近晚期的心力衰竭患者提供新的希望。
Madeline A. Lancaster
下一代人类神经干细胞模型
神经干细胞领域在过去十年取得了长足的进步。该领域最初通过体外培养神经干细胞来生成神经元和胶质细胞，现在已经发展成一个多样化的领域，越来越复杂的工具使人们不仅可以塑造单个细胞，还可以在培养皿中模拟整个3D神经组织，即神经类器官。这种类器官不仅模拟了发育中的大脑的细胞组成，而且还模拟了局部组织结构，最近的研究中甚至还证明了类器官中神经元的形态发生运动。
类器官和神经系统的其他体外模型正变得越来越复杂，例如通过使用所谓的集合体(assembloids)来组合不同的区域并检查它们的整合。神经类器官还可以实现广泛的神经元成熟，甚至达到出生后大脑的特征。
然而，随着这些模型复杂性的增加，挑战也随之而来。随着大小和成熟度的增加，供血不足将成为一大问题。尽管体内移植和内皮细胞整合取得了可喜的结果，但血管发生如何促进更进一步的的组织发育仍有待研究。这一挑战可能不仅是神经类器官领域的障碍，而且是整个类器官领域最困难的障碍之一，因此十分需要创造性的方法。
大脑类器官已经为人类神经生物学的基础研究铺平了道路，并为疾病发病机制提供了新的理解。未来将需要解释的问题有：人类大脑为什么是独一无二的？如何预防和治疗各种神经系统疾病？类器官可能是解决这些问题的关键，但它们不能是唯一的工具，重要的是将它们作为补充方法与更成熟的方法一起使用。结合体外和体内方法将是揭示神经生物学基本过程和回答古老问题的关键，例如遗传学如何影响连接性，神经元网络如何计算以及信息如何在大脑中存储。大脑仍然是一个未知的领域，需要强大的技术与创造性思维相结合来解开它的奥秘。
Purushothama
Rao Tata
单细胞分辨率下肺表型与功能研究
肺组织在生理状态下处于相对静息状态，但在受伤后能够迅速响应来再生丢失的细胞。早期动物模型的谱系示踪研究认为，这种再生主要由不同区域的“专门性“和兼性的干细胞或祖细胞驱动，包括气道中的基底细胞和分泌细胞以及肺泡中的II型肺泡壁细胞。这些研究还揭示了一些不同的细胞群体具有显著的可塑性，可促进严重损伤后的再生。
最近，多个研究小组使用单细胞组学方法详细记录了肺细胞及其相关的分子特征。在人肺中，一些突破性的工作鉴定了离散区域中以前未知和未描述的细胞类型。这些细胞群体通常异质性很高，并且包含了在呼吸系统疾病患者的肺中常见的过渡态细胞。重要的是，这些细胞类型在小鼠中没有发现，而小鼠是肺研究中最常用的动物模型。因此，我们迫切需要开发新的实验工具，以测试它们在生理条件下的功能和在再生和疾病中作用。
为了解决这个问题，包括我们自己在内的几个研究小组正在努力开发基因工程白釉和猪作为新的动物模型。同样，我们也优化了分析工具，例如基于克隆扩增的基因变异（单核苷酸多态性或线粒体异质性）来推断人类肺的细胞谱系。在体外器官原型培养方面，例如来源于人诱导多能干细胞、胎儿原代祖细胞或成人肺部祖细胞的器官的培养，仍存在许多挑战。这些挑战包括获得或保留成熟细胞类型并以正确的比例模拟正常的体内肺组织。为了克服这一挑战，肺干细胞生物学家们和生物工程师们正在进行合作，以生成新的支架来重新组装和模拟在原位肺组织微环境中发现的细胞间相互作用。
总的来说，这些新方法有望鉴定调节生理和与病理条件下人类肺细胞状态的遗传学信号通路，建立可扩展的疾病模型，最终开发基于细胞的治疗方案来治疗退行性肺部疾病。
Eirini Trompouki
血液干细胞的时间之旅
造血干细胞和祖细胞（HSPC）因其广泛的自我更新和多向分化能力，对于维持终身造血至关重要。胚胎期的内皮-造血转化（EHT）产生了HSPC，HSPCs获取自我更新和多向分化能力的奥秘就存在于这个神秘的过程中。而在时间的另一头，也就是衰老后， HSPCs会发生改变，导致造血功能缺陷。HSPC生物学中最关键的问题与生命中这些关键的时间节点有关。
最近，科学家们通过空间和单细胞转录组学的方法研究人类HSPC的发育，揭示了在造血干细胞（HSCs）发生后建立起的转录组特征和随后不断演化的细胞表面标记，并发现在造血内皮阶段，造血细胞的异质性就已经开始建立了。通过单细胞转录组学还发现了一群对维甲酸敏感且能产生造血内皮细胞的祖细胞，此外，我们以及其他研究团队确定了DNA和RNA感受器在EHT中的重要性，研究发现转座元件和R-loop触发了天然免疫，诱导无菌炎症，从而增强EHT。另一种调节方式在于HSPCs与其他细胞（例如巨噬细胞或T细胞）之间的相互作用，这些细胞被认为在发育和成年期间执行HSPCs的质量控制。
尽管取得了这些进展，我们仍然无法很好地在体外重现EHT过程并生产出大量HSPCs以进行移植和基因治疗。因此，我认为近期血液学中最重要的课题之一将是在体外生成和维持优质且大量的HSPCs。
另一方面，HSPCs的衰老也特别值得研究，因为世界人口正在不断老龄化。关于老化，最近颇受关注的一个有趣衰老特征是克隆性造血增生，这与血液疾病（和其他疾病）有关。许多团队已经证明，炎症、化疗和放射疗法会促使克隆突变。一个颇有吸引力的猜想是，生命中经历的一些压力时刻可能被HSPC“记忆”，并通过克隆性造血促进衰老。最近的研究表明，表观遗传记忆不仅是免疫细胞的特征，而且也是造血干细胞的特征。然而，是否生命中每一种的压力都能在我们基因组上留下“记忆”并最终参与到错综复杂的衰老机制中，还有待进一步的研究。
Fiona M. Watt
通过数据整合理解表皮干细胞
尽管哺乳动物皮肤包含许多不同的细胞类型，但表皮中的干细胞是被研究的最清楚的，表皮即构成皮肤表面的多层上皮组织。自体表皮培养是最早涉及体外扩增干细胞并得到临床验证的细胞疗法之一，这项技术可追溯到20世纪80年代早期。多年来，该方法得到不断改进，将细胞治疗和基因治疗相结合以治疗皮肤疱疹疾病的疗效已有明确的证据。
在人类表皮培养技术发展的同时，小鼠也成为干细胞研究的关键模型之一，因为已有可用的工具来靶向小鼠不同的表皮层，并且在小鼠中可以复制人类遗传缺陷。随着健康和患病人类皮肤的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据库的发展，干细胞研究人员有必要使用这些资源来验证他们的实验模型并设计新的实验，尤其是仔细要考量小鼠模型在在多大程度上能模拟健康和患病人类皮肤。
目前面临的一个令人为之兴奋的挑战是数据整合，有许多不同的维度可以实现整合，其中之一是时空维度，即根据时间和在皮肤内的分布来关联细胞类型和状态的变化能力。我对通过光学相干断层扫描捕获的宏观皮肤特征与通过空间转录组学获得的特征相互关联的可能性特别感兴趣。另一个例子是整合来自转录组学、蛋白质组学、脂质组学和糖类组学的表皮数据集，以获得对干细胞状态更全面的理解。在我们关注单细胞RNA测序的同时，我们有可能忽略了DNA生成RNA然后生成蛋白质的中心法则，并忘记了蛋白质修饰和转化的重要性。我相信，通过整合表皮干细胞对不同细胞外刺激（无论是物理刺激还是化学刺激）的反应，我们将获得对干细胞功能的新见解，并找到在不同组织间保守的细胞状态转换的开关。
Yi Arial Zeng
胰岛再生的探索之旅
胰岛是胰腺中的内分泌部分，它包含生产激素的细胞。其中β细胞可以生产并分泌能降低血糖的胰岛素。功能性β细胞数量不足与I型和晚期II型糖尿病密切相关。每十一个人中就有一个罹患糖尿病，因此，我们迫切需要了解成体的胰岛细胞数量如何维持，以及胰岛β细胞如何再生，以指导研发糖尿病的新疗法。
刺激原位胰岛再生是补充β细胞的一种方法，可以通过两种途径来实现：干细胞来源的β细胞新生和促进现有的β细胞增殖。尽管对于出生后体内是否还存在胰岛干细胞一直存在争议，但最近使用小鼠模型的研究报道了其在成年小鼠中存在，这为研究干细胞在胰岛稳态、再生和衰老过程中的激活机制提供了新的机遇。
值得注意的是，干细胞的“β细胞新生”和β细胞的”自我复制”并不互相冲突：因为增殖的β细胞亚群可能是干细胞的后代，也可能二者是平行存在的增殖途径。考虑到只需要相对少量的胰岛素分泌细胞即可缓解高血糖，体内转分化也是一种可能的途径。已有报道称，胰腺外分泌细胞和导管细胞可以转分化为分泌胰岛素的细胞。总的来说，这些方法旨在提供刺激原位再生的治疗策略。
从供体中移植胰岛是替代丢失或损伤的β细胞的一种公认有效的方法，但由于供体的短缺，科学家们一直在寻找人类β细胞的可再生供应源。一个蓬勃发展的路径是将人类多能干细胞分化为类β细胞，相关的研究已经进入临床试验阶段。然而，由于合适的血糖调节需要胰岛中多种类型细胞的协调配合，人们可能会问，仅移植成熟的β细胞是否是最佳选择？
如果能够在体外产生整个胰岛是否要优于只分化得到β样细胞？小鼠胰岛成体干细胞可以产生包含完整胰岛组织中所有内分泌细胞类型的类器官，并且可以改善小鼠的糖尿病。我们还需要做更多的工作来在人体中鉴定这些胰干祖细胞，并将胰岛类器官的培养体系应用在人的细胞上。相信随着我们对胰岛再生理解的日益成熟，新的胰岛移植治疗的方法会不断涌现。
Magdalena
Zernicka-Goetz
ES细胞的胚胎模型构建
来源于多能上胚层的ES细胞可以携带转基因，并被重新引入到胚胎中以生成嵌合动物，然后通过进一步杂交获得纯种品系。近年来，ES细胞的一个惊人应用是在体外生成胚胎样结构。以下的几种方法推进了我们重现胚胎发育的探索。
一种是将ES细胞在2D培养，成微图案的结构，这种方法帮助我们了解不同的细胞类型是如何建立的以及它们之间如何进行信号传递。第二个模型是将大量ES细胞聚集后，用化学物质和生长因子处理，形成3D结构，产生了许多身体分段化平面，但这一方法无法得到身体区域性的信息，尤其是前脑发育所需的区域。
通过研究一系列的全胚模型，人们认识到胚外信号的重要性。第一个仅由ES细胞构建的模型指出由胚外原始内胚层提供的信号可以由细胞外基质代替，其可以通过极化ES细胞形成玫瑰花结样结构来进行管腔形成。第二个由ES细胞和滋养层干细胞构建的模型告诉我们这种相互作用足以建立羊膜腔和后端胚胎身份，从而诱导中胚层和生殖细胞。通过引入第三种干细胞类型——胚外内胚层细胞，我们实现了前端信号中心和前-后轴的形成。
最近，我们和其他研究人员采取的进一步的方法产生的胚胎模型能够进一步发育，建立了脑和心脏结构并启动了器官形成。这样的全胚样模型为我们了解介导干细胞自组织并定义胚胎组装所需的细胞成分、化学环境和物理环境的生物物理和生物化学因素带来了更深的认识。
尽管取得了这些进展，但挑战仍然存在。细胞命运分化依赖于谱系内和谱系间的化学物质相互作用。细胞命运决定必须要在时空上协调，这需要建立和响应大量的可扩散信号蛋白的梯度。关于这种组合效应，以及如何增加不同细胞组合形成胚胎样结构的效率，我们仍知之甚少。这有待于进一步理解细胞、生物化学和生物物理学网络中的各个组分。体内细胞通讯促进自身结构组织，计算机建模可以利用细胞通讯的能力，预测和指导自组装的结果。通过给发育过程中的循环系统递送合适的营养物质，我们可以更好地培养胚胎模型、模拟母体内的体内环境。这些问题和挑战在体外合成器官的研究中也存在，我确信合成生物学领域中的不同分支之间能够相互交流以促成更多发展。
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