本欄目由“賽先生”與“世界科學(xué)”聯(lián)合出品
撰文 | 林梅 游文娟
編輯 | 小賽
中國(guó)有句成語(yǔ)叫作“覆水難收”，說(shuō)的就是事件發(fā)展的不可逆性，一旦走入什么特定軌道，就再無(wú)回頭重寫(xiě)的可能。不過(guò)，在前段時(shí)間熱映的國(guó)產(chǎn)動(dòng)畫(huà)影片《哪吒之魔童降世》中，即使哪吒不幸作為魔丸身份降世，但最終還是逆天改命，實(shí)現(xiàn)了“我命由我不由天”。
（圖源：《哪吒之魔童降世》）
那么，我們體內(nèi)的細(xì)胞也可以改寫(xiě)自己的命運(yùn)嗎？很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，科學(xué)家都認(rèn)為，一旦細(xì)胞分化完成，成熟的成體細(xì)胞到死都不會(huì)改變身份，比如，皮膚細(xì)胞永遠(yuǎn)只是皮膚細(xì)胞?？墒牵?xì)胞真的不能逆天改命嗎？答案是可以，再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域正致力于改寫(xiě)細(xì)胞身份，只不過(guò)遠(yuǎn)比電影中的哪吒坎坷得多。細(xì)胞的身份
說(shuō)起改寫(xiě)細(xì)胞的身份，那我們首先就必須知道細(xì)胞的身份是怎么確立的。其實(shí)，身體里每個(gè)細(xì)胞都有一個(gè)共同的起源——受精卵，也正因如此，所有細(xì)胞的DNA幾乎都是一樣的。受精卵就是最早的干細(xì)胞，它分裂成為胚胎干細(xì)胞（ES），如果把這些胚胎干細(xì)胞分別植入子宮，每個(gè)胚胎干細(xì)胞都可以發(fā)育成完整的胚胎，也就是說(shuō)，胚胎干細(xì)胞是一種全能性的干細(xì)胞。接下來(lái)，在胚胎細(xì)胞分裂和成熟過(guò)程中，各個(gè)細(xì)胞的命運(yùn)開(kāi)始分化，具有了不同的身份，有的發(fā)育成骨骼，有的發(fā)育成肌肉，有的發(fā)育成皮膚，有的發(fā)育成神經(jīng)……
圖1. 干細(xì)胞分化（圖源：Wikipedia）
那么，是什么決定了它們走向迥然不同的道路呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這是由特定基因的開(kāi)啟或關(guān)閉決定，當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到基因組中的特定DNA序列上，就能激活或抑制附近的特定基因，進(jìn)而決定這個(gè)特定基因的走向。這個(gè)分化發(fā)育的過(guò)程有點(diǎn)像一個(gè)樹(shù)狀過(guò)程，干細(xì)胞就是主干。不同的枝椏就是不同的分化通路。干細(xì)胞的分化能力為臨床研究帶來(lái)了新的希望，科學(xué)家希望利用干細(xì)胞的全能性，培養(yǎng)出需要的細(xì)胞和組織，這對(duì)于再生醫(yī)學(xué)來(lái)說(shuō)，意味著全新的可能。如果可以實(shí)現(xiàn)的話(huà)，人們身上壞掉的器官和組織，都可以利用這種方法置換，就像換一個(gè)零件一樣。這個(gè)想法特別令人激動(dòng)，因?yàn)橹灰鶕?jù)身體需要，調(diào)控某些基因，使干細(xì)胞變成我們想要的細(xì)胞和組織，然后替換壞的組織和器官就行了。然而，干細(xì)胞來(lái)源遇到了問(wèn)題，因?yàn)樾枰獜呐咛カ@得，這導(dǎo)致干細(xì)胞研究遭受很大倫理爭(zhēng)議。從IPS到轉(zhuǎn)分化
那么，有沒(méi)有回避這個(gè)爭(zhēng)議的辦法？2006年日本京都大學(xué)的山中伸彌博士做到了。其研究團(tuán)隊(duì)將4種基因轉(zhuǎn)入小鼠的皮膚纖維細(xì)胞，誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)化為具有胚胎干細(xì)胞樣特性的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS）。這項(xiàng)工作不僅將2012年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)收入囊中，更開(kāi)啟了全世界研究iPS的熱潮。甚至，國(guó)際上還實(shí)現(xiàn)了利用這種干細(xì)胞生成的成熟細(xì)胞進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)的成功案例。
圖2. 山中伸彌研究團(tuán)隊(duì)將4種基因轉(zhuǎn)入小鼠的皮膚纖維細(xì)胞，誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)化為具有胚胎干細(xì)胞樣特性的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（圖源：nobelprize.org）
但是，iPS這一技術(shù)與胚胎干細(xì)胞一樣，需要面臨一些重大缺陷。此外，它操作周期長(zhǎng)，一些技術(shù)上的風(fēng)險(xiǎn)人們也認(rèn)識(shí)得不夠清楚。多年來(lái)，科學(xué)家們還一直在尋找更安全高效的新技術(shù)，以獲得可廣泛適用于再生醫(yī)學(xué)及疾病治療的安全穩(wěn)定的細(xì)胞。科學(xué)家希望，可以繞過(guò)多能干細(xì)胞這個(gè)步驟，直接對(duì)成熟細(xì)胞進(jìn)行重新的“編程”，讓某些特定基因被激活或者抑制，從而控制它轉(zhuǎn)化為新的身份，這種思路就是“直接轉(zhuǎn)分化”，也就是細(xì)胞的“逆天改命”。細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，如何實(shí)現(xiàn)的？
具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家需要研究決定某種細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。它可以調(diào)節(jié)一連串基因的活性，進(jìn)而決定原細(xì)胞變成哪種新細(xì)胞。實(shí)際上，往往是多個(gè)因子共同決定細(xì)胞命運(yùn)的。因此，科學(xué)家的工作，就是要找出針對(duì)不同細(xì)胞身份的不同的轉(zhuǎn)錄因子組合，才能讓它們實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)分化。在操作上，這種組合最好盡可能簡(jiǎn)單，如果轉(zhuǎn)入的調(diào)節(jié)因子種類(lèi)太多，難度就會(huì)非常大。在主調(diào)節(jié)因子成功開(kāi)啟了細(xì)胞的一條發(fā)育通路之后，接下來(lái)的任務(wù)，是找出影響細(xì)胞完成發(fā)育過(guò)程的基因，讓它變成成熟的、具有特定功能和增殖能力的細(xì)胞。2010年，斯坦福大學(xué)的干細(xì)胞科學(xué)家馬呂斯·沃尼格（Marius Wernig）團(tuán)隊(duì)將誘導(dǎo)細(xì)胞定向分化為神經(jīng)元細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)入成纖維細(xì)胞，完成了成纖維細(xì)胞到神經(jīng)元細(xì)胞的轉(zhuǎn)化：研究人員從控制細(xì)胞分化候選基因池（19個(gè)）篩選分析，最終找出3個(gè)適合的基因，在體外實(shí)驗(yàn)中，這3個(gè)因子成功地將小鼠胚胎期的成纖維細(xì)胞和成年小鼠的成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元細(xì)胞。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，通過(guò)這種方式誘導(dǎo)的不同種類(lèi)的神經(jīng)元細(xì)胞可以表達(dá)多種神經(jīng)元特異的蛋白，還可產(chǎn)生電位傳導(dǎo)，發(fā)育出突觸結(jié)構(gòu)，釋放或應(yīng)答不同的神經(jīng)遞質(zhì)。
近些年來(lái)，轉(zhuǎn)分化技術(shù)成果“小井噴”，科學(xué)家已經(jīng)可以利用轉(zhuǎn)分化技術(shù)成功地誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為造血干細(xì)胞、心肌細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等，那么轉(zhuǎn)分化技術(shù)的臨床應(yīng)用曙光已現(xiàn)了嗎？
目前，這些轉(zhuǎn)分化成功的研究多停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用的鳳毛麟角，這也就是我們要重點(diǎn)介紹惠利健團(tuán)隊(duì)的原因。
圖3. Marius Wernig團(tuán)隊(duì)獲得的誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞（Credit: Marius Wernig, CC BY-ND）
轉(zhuǎn)分化與人工肝
肝病是長(zhǎng)期困擾醫(yī)學(xué)界的難題。我國(guó)是肝病大國(guó)，有超過(guò)1億乙肝病毒攜帶者和100萬(wàn)重癥肝病患者。長(zhǎng)期以來(lái)，各種終末期肝病唯一的希望就是肝臟移植?？墒?，合適的肝臟十分緊缺，即使有幸得到新的肝臟，外源器官帶來(lái)的免疫排斥，對(duì)移植病人來(lái)說(shuō)，又是一道鬼門(mén)關(guān)。于是，利用自身細(xì)胞轉(zhuǎn)分化成肝細(xì)胞，成為再生醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)。在眾多的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)中，中國(guó)團(tuán)隊(duì)率先完成，更關(guān)鍵的是，該團(tuán)隊(duì)率先實(shí)現(xiàn)了臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用。2011年，惠利健領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表了一篇轟動(dòng)全球的文章：通過(guò)轉(zhuǎn)分化技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)將一種比較容易獲得的成纖維細(xì)胞，利索地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N不易獲得的肝臟細(xì)胞。具體到技術(shù)層面，他們將在肝臟發(fā)育及功能實(shí)現(xiàn)中起重要作用的14種轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)導(dǎo)至獲得的小鼠尾部成纖維細(xì)胞中，經(jīng)過(guò)對(duì)這些轉(zhuǎn)錄因子形成的各種組合進(jìn)行逐一的排查和篩選，最終，研究人員證實(shí)在轉(zhuǎn)導(dǎo)Gata4、Hnf1α 和 Foxa3，抑制p19的條件下即可將成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為功能性肝細(xì)胞樣細(xì)胞（iHep）。
圖4. 將用alginate-poly-L-lysine-alginate微膠囊包裹的hiHepLT細(xì)胞移植到ConA誘導(dǎo)的暴發(fā)性肝炎導(dǎo)致急性肝衰竭小鼠模型中的實(shí)驗(yàn)流程。（圖源：[發(fā)明專(zhuān)利]一種新的制備肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞的方法-CN103981147A）
這些iHep細(xì)胞呈典型肝臟細(xì)胞的上皮樣形態(tài)，表達(dá)肝基因，并顯示肝細(xì)胞功能，如肝糖原積累、乙酰化低密度脂蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)、藥物代謝和吲哚綠的吸收等。《細(xì)胞》（Cell）雜志的編委和評(píng)審專(zhuān)家高度評(píng)價(jià)此項(xiàng)工作的開(kāi)創(chuàng)性意義，他們認(rèn)為研究中所建立的技術(shù)體系，作為一項(xiàng)重大突破，對(duì)同領(lǐng)域的研究工作具有指導(dǎo)意義。課題組不滿(mǎn)足小鼠實(shí)驗(yàn)的成功，2014年，惠利健研究小組又獲得研究突破——成功將人類(lèi)非肝細(xì)胞直接轉(zhuǎn)分化為功能肝細(xì)胞。這一成功，使國(guó)際生物人工肝裝置發(fā)生飛躍性改變。人工肝實(shí)際上是基于血液凈化技術(shù)的體外支持系統(tǒng)，能夠代替肝臟的一部分功能，促進(jìn)肝衰竭患者自體肝功能恢復(fù)（當(dāng)然，這并不能治愈肝病，但能夠?yàn)楦我浦膊∪说玫胶线m肝源之前爭(zhēng)取時(shí)間）。生物人工肝的核心技術(shù)是用于治療的功能肝細(xì)胞。目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的生物人工肝主要采用豬原代肝細(xì)胞或者人肝癌細(xì)胞作為功能肝細(xì)胞來(lái)源，但在安全性和功能性方面這些細(xì)胞都有很大缺陷，阻遏了生物人工肝的臨床應(yīng)用。因此獲得全新的功能肝細(xì)胞是推進(jìn)生物人工肝在臨床應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而惠利健團(tuán)隊(duì)做到了。2016年1月，利用該新型生物人工肝裝置在南京鼓樓醫(yī)院成功救治了一位罹患乙肝40年并突發(fā)急性肝衰竭的病人。生物人工肝裝置成功產(chǎn)業(yè)化，研究團(tuán)隊(duì)再出發(fā)
這么好的研究工作自然引起了產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，2016年，微知卓生物科技公司拋來(lái)了橄欖枝；緊鑼密鼓，2017年，微知卓生物科技有限公司建成了首條人源性人工肝臨床研發(fā)生產(chǎn)線，年產(chǎn)量可達(dá)300～500份，大約可滿(mǎn)足200多位患者臨床研究。在接受《世界科學(xué)》雜志采訪時(shí)，惠利健表示：
惠利健團(tuán)隊(duì)在成功轉(zhuǎn)化生物人工肝研究成果之后，繼續(xù)專(zhuān)注基礎(chǔ)研究。他們和謝渭芬團(tuán)隊(duì)的合作研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生慢性肝臟損傷時(shí)，肝臟里膽管細(xì)胞有轉(zhuǎn)分化成肝細(xì)胞的能力，而且它的修復(fù)能力還很強(qiáng)。
另一方面，在體內(nèi)，細(xì)胞除了轉(zhuǎn)分化，也還可以去分化，比如，肝臟細(xì)胞在急性損傷條件下，它們可以去分化成為肝干細(xì)胞，然后通過(guò)肝干細(xì)胞實(shí)現(xiàn)再生。而惠利健團(tuán)隊(duì)利用肝細(xì)胞能夠去分化的特點(diǎn)，解決了肝臟細(xì)胞體外擴(kuò)增的難題，也解決了肝細(xì)胞移植和器官制造中關(guān)鍵的細(xì)胞來(lái)源問(wèn)題。目前這個(gè)團(tuán)隊(duì)正在嘗試人類(lèi)肝細(xì)胞移植的大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外肝臟器官制造。如果可以通過(guò)去分化或者轉(zhuǎn)分化，激發(fā)患者體內(nèi)再生肝細(xì)胞，那么將會(huì)改寫(xiě)的不只是細(xì)胞的命運(yùn)，更是患者的命運(yùn)。參考資料
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