化学重编程技术
一种新型的细胞命运操控方法
概述
在个体发育进程中，细胞可塑性逐渐降低，体细胞身份趋于稳定，这使得体细胞的操控变得困难。然而，部分低等动物的体细胞能通过重编程改变可塑性，实现组织再生。相比之下，哺乳动物中这种适应性重编程较为罕见，这也给细胞命运的操控带来了挑战。细胞重编程技术的突破为哺乳动物细胞命运的调控带来了希望。早期的体细胞核移植（SCNT）技术利用卵母细胞质中未明确的细胞内在因子重置体细胞核，而 Yamanaka 通过强制表达特定基因，成功将小鼠和人类的体细胞转化为多能干细胞，这些技术为再生医学的发展奠定了基础。2013年出现了一种化学重编程方法，通过化学鸡尾酒触发细胞重编程。相比传统的转录因子介导的重编程方法，化学重编程具有以下优势：
- 简单灵活、易于操作、可逆性和可调控性强
- 小分子易于制造和标准化、成本较低
- 免疫原性低，不整合到基因组中，安全性好
- 通过多种信号通路协同作用，全面调控基因表达网络，从而实现更高效的细胞重编程
利用细胞内源性因子或外源性因子诱导体细胞生成多能干细胞的重编程方法
(A) 体细胞核移植（SCNT）于1962年建立，是指将成年体细胞的细胞核移植到去核的卵母细胞（oocytes）中，卵母细胞中含有未定义的内源性重编程因子，这些因子能够使体细胞核发生重编程，从而生成多能干细胞。
(B) 基于山中伸弥因子的重编程技术于2006年建立，是指利用四个特定的细胞转录因子——Oct4（O）、Sox2（S）、Klf4（K）和c-Myc（M）——将体细胞重编程为多能干细胞，即诱导多能干细胞（iPSCs）。这四个OSKM山中伸弥因子可以通过慢病毒或仙台病毒载体传递，也可以以mRNA的形式传递，随后分别进行转录或翻译。
(C) 化学重编程技术于2013年建立，是指利用外源性化学物质（主要是小分子）将体细胞重编程为多能干细胞。 小分子可以穿透细胞，并通过细胞信号通路或表观遗传修饰发挥作用，从而实现体细胞的重编程。
细胞命运调控机制
调节细胞信号通路
小分子能够特异性地作用于细胞表面受体、离子通道、激酶等靶点，激活或抑制特定的信号传导途径，从而影响细胞的增殖、分化、迁移等行为，最终决定细胞命运。在化学重编程过程中，小分子组合中的某些成分可激活与细胞去分化或转分化相关的信号通路，促使细胞突破原有命运限制，向新的细胞类型转变。如激活 Wnt 信号通路，能在肠道类器官培养中促进干细胞群体的生成。
介导表观遗传修饰
小分子可以对染色质、组蛋白和 DNA 进行修饰，改变染色质的结构和基因的可及性，调控基因表达，进而影响细胞命运。一些小分子能够抑制 DNA 甲基转移酶（DNMT）的活性，导致 DNA 去甲基化，使原本沉默的基因得以表达，参与细胞命运的重塑；还有些小分子可以调节组蛋白修饰酶的活性，如抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC），增加组蛋白的乙酰化水平，使染色质结构变得松散，促进相关基因的转录，在细胞重编程和分化过程中发挥重要作用。
协同调控基因表达
多种小分子组合可通过多个靶点协同作用，重构细胞的基因调控网络。它们并非直接与维持体细胞基因表达的转录因子竞争，而是通过上述细胞信号通路和表观遗传修饰的调控，间接影响转录因子与 DNA 的结合，从而在整体上调节基因表达，引导细胞朝着特定命运方向发展。在化学诱导多能干细胞（CiPSCs）的过程中，小分子组合通过协同作用，逐步激活多能性相关基因，抑制体细胞特异性基因的表达，使体细胞重编程为具有多能性的干细胞 。
通过小分子对细胞命运调控的细胞靶点的全面视角
小分子通常小于900道尔顿，甚至达到纳米级别，它们具有细胞通透性，能够直接靶向细胞内和细胞表面的蛋白质，这些蛋白质在细胞信号转导和表观遗传修饰（染色质、组蛋白和DNA）中发挥重要作用。小分子组合可以通过多个靶点协同调节基因表达，并重构细胞的基因调控网络。这些蛋白质通常包括膜受体、离子通道、转运蛋白、激酶、核受体、转录因子以及表观遗传调控因子，例如DNA甲基转移酶和组蛋白去乙酰化酶
应用
制备多能干细胞
化学重编程可从多种体细胞类型生成CiPSCs，现已经成功应用于人类成纤维细胞和脂肪来源的间充质细胞，未来有望通过优化应用于更多类型的体细胞。hCiPSCs的直接应用之一是生成功能性细胞类型，用于细胞治疗和疾病模型的药物筛选。例如，hCiPSCs 分化产生的胰岛细胞，经移植后能使 1 型糖尿病患者恢复内源自主性、生理性的血糖调控，摆脱胰岛素注射治疗，实现临床功能性治愈，为糖尿病治疗带来新希望 。
细胞谱系重编程
可实现成熟细胞类型间的谱系转换，例如将成纤维细胞转化为神经元、心肌细胞和肝脏细胞等。这些转化后的细胞能为体外研究细胞功能、疾病机制提供理想模型，也为药物筛选提供更具生理相关性的细胞模型；通过局部或全身给予化学小分子组合，诱导体内细胞重编程，实现原位组织修复。如局部给药使成纤维细胞转化为心肌细胞，用于治疗心肌损伤；将星形胶质细胞转化为神经元，有望修复受损的神经组织，为神经系统疾病的治疗提供新思路。
捕获和维持特殊细胞状态
运用化学小分子组合，能够捕获具有不同发育潜能的干细胞，如小鼠的扩展多能干细胞（EPSCs）和类全能干细胞（TotiPSCs），以及人类的 EPSCs 和 8 细胞（8C）胚胎样细胞等。这些特殊干细胞对于研究早期胚胎发育、细胞全能性调控机制至关重要，也为再生医学提供了更具潜力的细胞资源。
小分子捕获细胞潜能和稳定细胞状态
(A) 从早期胚胎中捕获细胞潜能。小鼠全能细胞可以从2细胞期胚胎（2C）中分离，或者通过特定的小分子组合从胚胎干细胞（ESCs）或多能干细胞（PSCs）培养中转化而来。通过小分子组合的转化，可以从胚胎干细胞或多能干细胞中生成类似8细胞期胚胎（8C）的人类全能细胞。
(B) 体外稳定分离后的原代人类细胞。小分子组合已被用于不同的体外培养系统，包括肝细胞的二维单层培养、上皮类器官的三维培养以及单个造血细胞的悬浮培养，以维持或扩增原代细胞，使其保持类似于体内的状态。
挑战与展望
当前挑战
- 重编程效率低：现有化学重编程技术诱导细胞转化效率不高，增加了应用成本与时间成本，阻碍大规模推广
- 机制不明晰：小分子调控细胞命运的具体分子机制仍存在大量空白，影响对重编程过程的精确把控与优化
- 新型化合物匮乏：用于化学重编程的小分子化合物种类有限，难以满足多样的细胞命运调控需求
- 质量控制难题：小分子组合制备缺乏标准化流程，不同批次质量差异大，影响实验重复性与临床转化
- 临床安全评估严格：化学重编程细胞用于临床时，存在基因组不稳定等安全隐患，需严格评估以确保安全有效
未来展望
- 优化重编程方案：筛选优化小分子组合，改进细胞处理方式，提升重编程效率，实现高效稳定的细胞命运调控
- 开发精准重编程策略：深入研究小分子作用机制，针对特定细胞类型和疾病开发精准方案，助力个性化治疗
- 拓展应用领域：挖掘化学重编程在遗传性疾病、自身免疫性疾病等领域的治疗潜力，扩大应用范围
- 推动临床转化：解决临床应用的安全性和有效性问题，通过临床试验建立评价体系，加速技术临床应用
- 借助新兴技术开发小分子：利用人工智能、机器学习筛选设计小分子化合物，加速新型分子发现
- 加强国际合作：各国共享数据、技术和资源，整合优势推动化学重编程技术突破，服务人类健康
促进化学重编程未来发展的机遇与新兴技术
从左到右的框图描述了促进化学重编程实现药理学应用的新兴技术的逻辑。左侧是通过多组学和多药物处理生成的大型、综合且协作的数据集，这些数据集对于开发强大的计算系统至关重要，这些系统可用于预测化学物质并揭示化学重编程的机制。小分子的精确预测将有助于细胞命运调控的实验研究，以生成用于再生、组织修复和年轻化的细胞，这为药理学重编程的发展铺平了光明的道路，使其能够在严重条件下（如中风和心肌梗死）实现全器官修复，或通过系统性功能改善实现年轻化。
代表性进展
2025
利用源自人类化学诱导多能干细胞（CiPSCs）的肝细胞类器官进行生物打印，以治疗肝衰竭：Li G, He J, Shi J, et al. Bioprinting functional hepatocyte organoids derived from human chemically induced pluripotent stem cells to treat liver failure. Gut. Published online March 3, 2025. doi:10.1136/gutjnl-2024-333885
一种快速生成人类多能干细胞的化学重编程系统：Wang Y, Peng F, Yang Z, et al. A rapid chemical reprogramming system to generate human pluripotent stem cells. Nat Chem Biol. Published online January 3, 2025. doi:10.1038/s41589-024-01799-8
2024
通过化学诱导去分化生成人类可扩增的肢体芽基样祖细胞：Zhu J, Zhong X, He H, et al. Generation of human expandable limb-bud-like progenitors via chemically induced dedifferentiation. Cell Stem Cell. 2024;31(12):1732-1740.e6. doi:10.1016/j.stem.2024.10.001
在一名1型糖尿病患者的腹直肌前鞘下移植化学诱导的多能干细胞衍生的胰岛：Wang S, Du Y, Zhang B, et al. Transplantation of chemically induced pluripotent stem-cell-derived islets under abdominal anterior rectus sheath in a type 1 diabetes patient. Cell. 2024;187(22):6152-6164.e18. doi:10.1016/j.cell.2024.09.004
重塑神经酰胺稳态促进人多能干细胞衍生的β细胞的功能成熟：Hua H, Wang Y, Wang X, et al. Remodeling ceramide homeostasis promotes functional maturation of human pluripotent stem cell-derived β cells. Cell Stem Cell. 2024;31(6):850-865.e10. doi:10.1016/j.stem.2024.04.010
从化学诱导的多能干细胞高效生成功能性人类肝细胞：Lv Y, Rao Z, Liu L, et al. The efficient generation of functional human hepatocytes from chemically induced pluripotent stem cells. Cell Prolif. 2024;57(2):e13540. doi:10.1111/cpr.13540
2023
通过化学诱导的表观基因组重置激活人类细胞的再生程序：Wang G, Wang Y, Lyu Y, et al. Chemical-induced epigenome resetting for regeneration program activation in human cells. Cell Rep. 2023;42(6):112547. doi:10.1016/j.celrep.2023.112547
通过化学重编程高效且快速地生成人类多能干细胞：Liuyang S, Wang G, Wang Y, et al. Highly efficient and rapid generation of human pluripotent stem cells by chemical reprogramming. Cell Stem Cell. 2023;30(4):450-459.e9. doi:10.1016/j.stem.2023.02.008
将干细胞衍生的胰岛组织植入腹部腹直肌鞘下，可实现有效且功能性的移植：Liang Z, Sun D, Lu S, et al. Implantation underneath the abdominal anterior rectus sheath enables effective and functional engraftment of stem-cell-derived islets. Nat Metab. 2023;5(1):29-40. doi:10.1038/s42255-022-00713-7
2022
具有类似胚泡结构形成潜力的全能干细胞的衍生：Xu Y, Zhao J, Ren Y, et al. Derivation of totipotent-like stem cells with blastocyst-like structure forming potential. Cell Res. 2022;32(6):513-529. doi:10.1038/s41422-022-00668-0
人类体细胞的化学重编程：生成多能干细胞：Guan J, Wang G, Wang J, et al. Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells. Nature. 2022;605(7909):325-331. doi:10.1038/s41586-022-04593-5
人多能干细胞衍生的胰岛改善了非人灵长类动物的糖尿病症状：Du Y, Liang Z, Wang S, et al. Human pluripotent stem-cell-derived islets ameliorate diabetes in non-human primates. Nat Med. 2022;28(2):272-282. doi:10.1038/s41591-021-01645-7
参考文献
Wang J, Sun S, Deng H. Chemical reprogramming for cell fate manipulation: Methods, applications, and perspectives. Cell Stem Cell. 2023;30(9):1130-1147.
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