Nicotinamide在诱导hESCs向角膜上皮谱系分化中的作用及其机制研究

Limbal stem cells (LSCs) are the source of corneal epithelial regeneration, but there is still no effective treatment for the lack of LSCs caused by chemical injury. Human embryonic stem cells (hESCs) have the capacities of unlimited amplification and multidirectional differentiation. How to effectively induce hESCs into corneal epithelial lineages is of great significance for clinical treatment. Our previous study found that, in the classical induction system of RA, Nicotinamide (NIC) and TGF-β inhibitor could promote the expression of PAX6, and reverse the differentiation of hESCs from the fate of skin epithelium to corneal epithelial lineages. PAX6 is a key transcription factor that regulates the development of corneal epithelium. Based on this, this project intends to further verify the role of NIC in the differentiation process of hES-derived corneal epithelial cells, and establish a mature and effective method of hES-derived corneal epithelial cells differentiation, and further investigate the role of TGF-β signaling pathway in NIC reversing hES-derived epithelial differentiation. The results of this project would not only enrich the basic theoretical system of the differentiation and development of cornea epithelial lineages, but also provide a new source of seed cells for the construction of tissue engineering cornea.

角膜缘干细胞是角膜上皮再生的来源，但目前对化学损伤等因素引起的角膜缘干细胞缺乏尚缺少有效的治疗方法。人胚胎干细胞（hESCs）具有无限扩增和多向分化的潜能，如何高效诱导hESCs向角膜上皮谱系分化对临床治疗具有重要意义。我们前期研究发现：在视黄醛（RA）经典诱导体系中，添加Nicotinamide(NIC)或TGFβ抑制剂显著促进PAX6表达，并扭转hESCs从皮肤上皮向角膜上皮谱系方向分化。其中，PAX6是调控角膜上皮发育的关键转录因子。基于此，本项目拟进一步验证NIC对hESCs诱导分化的作用，建立hESCs向角膜上皮干细胞高效诱导的分化体系，研究TGFβ信号通路在NIC扭转hESCs来源上皮分化方向过程中的作用机制。项目成果不仅可以丰富角膜上皮谱系分化发育的基础理论体系，还可为构建组织工程角膜提供新的种子细胞来源。

角膜上皮是角膜抵御外来侵犯的第一道防线。膜缘干细胞功能障碍会导致角膜上皮稳定性下降甚至上皮缺损。高效诱导hESCs向角膜上皮细胞分化对角膜上皮再生障碍的临床治疗具有重要的意义。本研究证实尼克酰胺促进了hESC来源上皮分化细胞的PAX6表达，抑制了表皮谱系并促进神经相关基因的表达，从而诱导了角膜上皮细胞的分化；还发现尼克酰胺通过TGFβ通路调控PAX6的表达决定hESC来源角膜上皮细胞的分化命运；利用hESC来源的PAX6+/P63+角膜上皮干细胞通过生物胶粘附移植，可显著促进角膜上皮修复，抑制眼表的新生血管生成。此外，角膜内皮再生是世纪性难题，由于成人角膜内皮增殖能力有限，筛选角膜内皮替代种子细胞来源具有重要意义。本项目探究了尼克酰胺对hESC来源角膜内皮细胞分化及细胞移植治疗的作用。本项目首次通过常规动物与大动物模型验证了hESC/hiPSC来源角膜内皮前体细胞联合尼克酰胺治疗角膜内皮失代偿的安全性和有效性，证明尼克酰胺可通过抑制移植细胞衰老和内皮间质转化，促进移植细胞的体内功能成熟，并进一步阐明移植细胞在不同动物模型发挥长期功能的不同机制，为角膜内皮失代偿的治疗提供新的思路和方案。因此，本课题通过探究小分子尼克酰胺在hESC来源角膜上皮与角膜内皮细胞分化及细胞治疗中的作用，并阐明相关的分子调控机制，为相关角膜病的发病机制及创新治疗提供新技术与新思路。