人多能干细胞衍生的β细胞(hPSC-β细胞)显示出恢复血糖的潜力。然而，hPSC-β细胞的不成熟功能限制了其应用效果。

2024年5月1日，北京大学邓宏魁、李程及中国科学院杭州医学研究所杜媛媛共同通讯在Cell Stem Cell在线发表题为“Remodeling ceramide homeostasis promotes functional maturation of human pluripotent stem cell-derived β cells”的研究论文。该研究解析了人多能干细胞衍生的胰岛素分泌细胞(胰岛β细胞)功能成熟的过程，阐述了胰岛β细胞功能成熟的调控模式；在此基础上，通过靶向调控胰岛β细胞成熟的因子，研究团队预测了一个小分子化合物库，经过筛选发现HDAC抑制剂TH34有效促进胰岛β细胞的体外功能成熟。

糖尿病是一种严重威胁人类健康的疾病。对于胰岛素依赖型糖尿病患者，目前常用的外源胰岛素注射难以实现对血糖的精确调控，这导致多种并发症的发生，并严重影响患者的生活质量。临床胰岛移植可以使患者完全摆脱胰岛素注射，实现疾病的治愈。但人原代胰岛组织的稀缺导致胰岛移植的应用受到了极大的限制。

人多能干细胞具备在体外稳定的自我更新能力和向人体各种细胞分化的潜能，是体外大量制备人体细胞的理想种子细胞。然而，人多能干细胞分化的功能细胞普遍面临细胞功能不成熟、细胞状态类似于胚胎发育期的问题，这种不成熟性限制了人多能干细胞衍生的功能细胞的体内和体外应用。先前的研究表明，在体内移植后，未成熟细胞逐渐获得成熟细胞的功能，这种体内成熟过程为研究人类细胞的功能成熟提供了一种可行的替代方法，可以增强对晚期发育的整体理解，并促进从hPSCs生成成熟细胞。因此，如何在体外获得功能成熟的人体细胞，是多能干细胞分化领域面临的一个重要科学问题。

hPSCs衍生的胰岛可以通过补充胰腺β细胞来恢复内源性胰岛素分泌，这是通过调节胰岛素输出来维持循环葡萄糖浓度在狭窄生理范围内的必要条件。然而，hPSCs衍生β细胞(hPSC-β细胞)的一个共同困境是其不成熟的功能，表现为基因表达谱、转录组熵、细胞内Ca2+振荡、线粒体呼吸和胰岛素分泌能力。移植到啮齿类动物或灵长类动物模型后，hPSC-β细胞逐渐成熟并显示出相当大的细胞功能改善，类似于成人胰岛中β细胞的功能。因此，阐明这一体内成熟过程的机制将为人类胰腺β细胞的功能获得提供有价值的见解，并有利于体外成熟的hPSC-β细胞的产生。

机理模式图

该研究通过单细胞多组学分析来破译hPSC-β细胞移植后的成熟过程，并预测通过靶向参与功能成熟的上游调节因子来改善hPSC-β细胞功能的小分子。通过在体内建立一个发育连续体，研究人员描述了以人造血干细胞为模型的人β细胞成熟获得的景观，该图谱显示了脂质代谢，尤其是神经酰胺稳态在β细胞成熟过程中的重要性。用小分子TH34调节细胞内神经酰胺浓度可显著改善hPSC-β细胞的功能。总之，该研究为人类胰腺β细胞的成熟提供了见解，并强调了神经酰胺稳态在功能获得中的重要性。

邓宏魁团队在人多能干细胞向胰岛细胞定向分化方向有多年的研究基础。2005年，其实验室建立了全球首个分步诱导的方法，将小鼠多能干细胞定向分化为胰岛β细胞(Shi et al., Stem Cells, 2005)。2007年，其实验室建立了首个化学成分明确的人胰岛定向分化方案(Jiang et al., Cell Res, 2007)。而后，又不断优化了人多能干细胞和猴多能干细胞诱导分化为胰岛β细胞的方案(Zhang et al., Cell Res, 2009；Jiang et al., Diabetologia, 2011；Liu et al., Cell Res, 2014)。2022年，邓宏魁团队开创了人体细胞化学重编程技术(chemical reprogramming)，仅使用外源化学小分子就可以将终末分化的体细胞逆转至胚胎发育早期的多能干细胞，这种化学重编程获得的人多能干细胞称为人CiPS细胞(human chemical induced pluripotent stem cells)(Guan et al., Nature, 2022)。利用人CiPS细胞，邓宏魁团队大幅改进了人多能干细胞向胰岛细胞的分化方案，并将人多能干细胞分化的胰岛细胞移植入非人灵长类糖尿病动物模型，系统评价了其治疗糖尿病的安全性和有效性(Du et al., Nature Medicine, 2022；Liang et al., Nature Metabolism, 2023)，为开展临床试验奠定了基础。

该研究发现的促进胰岛β细胞功能成熟的方案，将帮助领域在体外更有效的制备功能成熟的人多能干细胞衍生胰岛细胞，为未来临床细胞替代治疗糖尿病提供更高质量的分化胰岛细胞。

邓宏魁课题组滑慧娟博士、李程课题组博士研究生王雅琦，邓宏魁课题技术员王小丰为本文的共同第一作者。该研究得到了北京大学汤超教授团队、天津第一中心医院沈中阳教授和王树森教授团队的大力支持。