诱导外胚层干细胞（iEpiSCs）分化残留特性的研究

Stem cells are important cell source for cell therapy and regeneration of tissues and organs. Especially the emergence of induced pluripotent stem (iPS) cells bring new hope for the application of pluripotent stem cells. However, there is a tumorigenic risk in application of iPSCs. Our preliminary studies showed that there were residual undifferentiated cells during differentiation of iPSCs in vitro and in vivo leading to teratoma generation. So, it is particularly important to find an ideal cells that have pluripotency but not tumotigenic rick. From the perspective of developmental biology, epiblast stem cells(EpiSCs) derived from epiblast stage have pluripotency but have not the ability to form chimera as the same as ESCs derived from ICM. More importantly, EpiSCs do not express PECAM-1 which is expressed in ESCs with residual capacity. Therefore, we speculate that EpiSCs most likely no longer have the residual capacity. In order to confirm the above speculation，We first need to establish iPS derived epiblast stem cells(iPS-EpiSCs) and induced epiblast stem cells(iEpiSCs) and then to study their residual ability in differentiation system in vivo and in vitro. On this basis, we will further study the residual mechanism of those cells. Our study could provide an ideal source for cell therapy and tissue and organ regeneration.

诱导多能干细胞（iPS）的出现，为干细胞治疗与组织器官再生带来了新的细胞来源，然而，iPS的应用面临致瘤性的风险。除了基因操作带来的风险，我们的前期研究表明iPS体内外分化过程中存在分化残留现象，它是导致iPS致瘤性的另一重要原因，这些残留细胞表达PECAM-1。有趣的是来自外胚层阶段的外胚层干细胞（EpiSCs）仍然具有朝三个胚层分化的全能性，但这些细胞已经不再表达PECAM-1。由此我们推测EpiSCs不再具有分化残留导致的致瘤性，如果假设成立，那么将成体细胞重编程到EpiSCs阶段，就能降低致瘤的风险。本课题将首先通过诱导多能干细胞分化或重编程的方法建立外胚层干细胞系，利用体内外分化系统验证外胚层干细胞是否具有分化全能性但已丧失分化残留能力，并进一步阐明全能性干细胞分化残留的可能机制，该研究将为干细胞治疗提供理想的种子细胞来源，也将对个体发育提供新的认识。

干细胞将是二十一世纪生命科学与医学领域研究的热点，它将帮助人们解开生命奥秘的同时也为寻找新的疾病治疗方式提供了可能。尤其是诱导多能干细胞的出现，为全能性细胞的应用带来了新的希望。其具有分化的全能性和无限扩增的能力，且通过将终末细胞重编程为全能性干细胞的方法避免了使用ES细胞时面临的伦理问题。这些特征都为细胞治疗或者组织再生提供了理想的种子细胞来源。不过与胚胎干细胞一样，诱导多能干细胞的应用依然面临不少挑战，致瘤性是其使用时面临的最大风险和挑战之一。因此，本项目主要研究多能干细胞的致瘤性问题及其产生机制与应用。本项目主要开展了以下几方面的研究：（1）基于PECAM-1作为剔除残留未分化胚胎干细胞标志的研究：此部分证实了PECAM-1可以作为小鼠残留未分化干细胞的标志。（2）胚胎干细胞分化残留特性与自发分化或添加诱导因子无关：此部分证实了分化残留现象为多能干细胞的固有属性，不依赖外界分化条件的变化。（3）残留未分化胚胎干细胞的发育全能性研究：本部分通过嵌合体实验，证实了残留未分化胚胎干细胞依然具有发育全能性。（4）成体小鼠心脏Sca-1+ 干细胞的体外分离、培养、分化与鉴定的研究：本部分我们成功从小鼠体内分离出Sca-1+心脏干细胞并对其进行了扩增培养与鉴定，并证实其可以分化为内皮细胞，平滑肌细胞与心肌细胞。（5）利用明胶/PCL和胶原/PLCL静电纺纳米纤维支架构建组织工程血管：本部分我们利用静点纺丝技术制备出来纳米纤维材料并对其进行了体内外研究，筛选出来一种良好的血管支架材料。（6）基于成体干细胞技术的组织工程气管研究：本部分我们利用骨髓间充质干细胞及软骨细胞体内外成功构建出良好的软骨组织。（7）基于IPS技术和3D打印技术的组织工程气管研究：本部分我们建立了人诱导多能干细胞系并对其朝间充质干细胞分化，利用软骨细胞诱导上述间充质干细胞分化为软骨细胞并结合3D打印气管支架进行组织工程气管的构建。上述研究一方面初步阐明了多能干细胞分化残留为其固有特征，与分化条件与形式无关的现象，并且发现了PECAM-1可作为新的剔除残留未分化干细胞的标志，为解决致瘤性问题提供了新的标志。另外，通过利用多能干细胞与成体干细胞作为种子细胞，结合静电纺丝技术与3D打印技术来构建组织工程血管和气管，为小儿先天性心脏病患者外科手术时提供人工血管与气管替代物打下了基础，具有良好的临床应用前景。