成纤维细胞向心肌细胞的化学诱导转分化

Loss or dysfunction of cardiomyocytes lead to heart failure which is a leading cause of death worldwide. It is widely known that the hearts of adult mammals have a very limited regeneration capacity.Functional cardiomyocytes could also be generated by direct reprogramming of non-muscle cells with forced expression of cardiac transcription factors or microRNAs.More interestingly, cardiomyocytes could be induced from non-myocytes in the heart in vivo by local delivery of transcription factors Gata4, Mef2c, and Tbx5 after coronary ligation. However, viral vector-carried transcription factors are still not favorable in therapeutic applications.Small-molecule compounds provide a more clinically amendable way to induce somatic cell reprogramming.In the previous study we reported the generation of spontaneously beating cardiomyocyte-like cells (CiCMs) from mouse non-cardiomyocytes using only chemical cocktails in vitro and in vivo. However, the efficiency of reprogramming still need to be improved. Later we plan to screen some other small molecules to improve the efficiency of transdifferentiation in vitro and optimize the combination of compounds in vivo experiment.We also construct human cardiac organoids to mimic cardiac transdifferentiation.Our research focus on transdifferentiation from fibroblasts to cardiomyocytes using mice model and human cardiac organoids model ,aiming to improve the cardiac regeneration when the heart get hurt.

心肌梗塞是人类健康的头号杀手，其发病原因主要是由于心肌缺血导致大量死亡。成年哺乳动物的心肌细胞再生能力非常有限，导致心梗之后心脏不能进行自我修复，从而影响心脏正常功能。在体外，利用过表达转录因子或microRNA，心肌细胞可以直接从非肌肉类细胞转分化获得。但基因疗法存在一定的缺陷，不利于临床推广。如能利用小分子化合物组合在体内原位诱导非心肌细胞向心肌细胞的转分化，将是治疗缺血性心脏病的一个全新方法。在前期研究中，我们首次实现使用纯化合物组合在体内实现将小鼠非心肌细胞细胞诱导成心肌样细胞，并且可以表达心肌细胞特异性的标记物。之后我们又将这些化合物给予谱系示踪小鼠，发现可以引起心脏内非心肌细胞向心肌细胞的转变，并且在心梗模型小鼠中有一定的缓解纤维化程度以及改善心脏功能的作用。但是目前化合物组合在体内的转分化效率有限，仍有待进一步的提高。因此我们后续的工作主要分为以下几个部分进行：1，首先在体外转分化体系中筛选可能进一步促进转分化效率明显提高的小分子化合物，之后在体内模型上进行尝试，看是否可以提高转化效率。2，目前得到的小分子化合物组合中有7个小分子化合物，数目较多，推测有部分化合物可能对转分化并没有起到决定性作用，打算进一步精简一下化合物组合，再结合体外筛选出的促进效率提高的化合物，得到1-2个化合物组合，可以实现体内转分化。3，构建人的心脏类器官模型，在人的心脏类器官模型中尝试将人的成纤维细胞转变为心肌细胞。本项目研究主要致力于利用纯化学的手段实现将非心肌细胞向心肌细胞的转变。从小鼠模型到人心脏类器官的研究，更好的模拟人的心脏真实的状态，进一步为心脏再生的研究打下基础。

我们在体外使用化合物诱导人多潜能干细胞（human Pluripotent Stem Cells，hPSCs）向心肌细胞分化，分化得到纯度超过95%的心肌细胞（hPSC-CMs）。由于传统2D分化方法得到的心肌细胞成熟度类似于胎儿时期，较低的成熟度限制了其潜在应用。因此，我们使用小分子化合物CYC116诱导其更加成熟，得到了在结构和功能上都明显成熟的心肌细胞，为后续进一步进行损伤后修复、药物筛选、疾病建模等应用奠定细胞基础。此外，我们通过使用纯小分子化合物实现了小鼠体内心脏成纤维细胞向心肌细胞转分化。虽然转分化效率仍有提升空间，但是心脏原位心肌转分化为以后实现体内心梗后缓解纤维化以及补充新的心肌细胞提供新的方法和思路。