林梅 游文娟

“走近科學(xué)”是本刊科研項目科普化報道的傳統(tǒng)欄目，從本期開始，我們選擇一批上海市獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行報道。本篇報道的是2018年度自然科學(xué)獎一等獎“項目細(xì)胞屬性轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究”，該項目由中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院惠利健團隊獲得。

中國有句成語叫作“覆水難收”，說的就是事件發(fā)展的不可逆性，一旦走入什么特定軌道，就再無回頭重寫的可能。不過，在前段時間熱映的國產(chǎn)動畫影片《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，實現(xiàn)了“我命由我不由天”。

那么，我們體內(nèi)的細(xì)胞也可以改寫自己的命運嗎？很長時間以來，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)域正致力于改寫細(xì)胞身份，只不過遠(yuǎn)比電影中的哪吒坎坷得多。

細(xì)胞的身份

說起改寫細(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，身體里每個細(xì)胞都有一個共同的起源——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，每個胚胎干細(xì)胞都可以發(fā)育成完整的胚胎，也就是說，胚胎干細(xì)胞是一種全能性的干細(xì)胞。

接下來，在胚胎細(xì)胞分裂和成熟過程中，各個細(xì)胞的命運開始分化，擁有了不同的身份，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)……

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，進而決定這個特定基因的走向。

這個分化發(fā)育的過程有點像一個樹狀過程，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，這對于再生醫(yī)學(xué)來說，意味著全新的可能。如果可以實現(xiàn)的話，人們身上壞掉的器官和組織，都可以利用這種方法置換，就像換一個零件一樣。

這個想法特別令人激動，因為只要根據(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)胞來源遇到了問題，因為需要從胚胎獲得，這導(dǎo)致干細(xì)胞研究遭受很大倫理爭議。

從IPS到轉(zhuǎn)分化

那么，有沒有回避這個爭議的辦法？2006年日本京都大學(xué)的山中伸彌博士做到了。其研究團隊將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）。

這項工作不僅將2012年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎收入囊中，更開啟了全世界研究iPS的熱潮。甚至，國際上還實現(xiàn)了利用這種干細(xì)胞生成的成熟細(xì)胞進行臨床實驗的成功案例。

但是，iPS技術(shù)與胚胎干細(xì)胞一樣，面臨一些重大缺陷。此外，它操作周期長，一些技術(shù)上的風(fēng)險人們也認(rèn)識得不夠清楚。

多年來，科學(xué)家們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，可以繞過多能干細(xì)胞這個步驟，直接對成熟細(xì)胞進行重新的“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，如何實現(xiàn)的？

具體來說，科學(xué)家需要研究決定某種細(xì)胞命運的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。它可以調(diào)節(jié)一連串基因的活性，進而決定原細(xì)胞變成哪種新細(xì)胞。

實際上，往往是多個因子共同決定細(xì)胞命運的。因此，科學(xué)家的工作，就是要找出針對不同細(xì)胞身份的不同的轉(zhuǎn)錄因子組合，才能讓它們實現(xiàn)轉(zhuǎn)分化。

在操作上，這種組合最好盡可能簡單，如果轉(zhuǎn)入的調(diào)節(jié)因子種類太多，難度就會非常大。

在主調(diào)節(jié)因子成功開啟了細(xì)胞的一條發(fā)育通路之后，接下來的任務(wù)，是找出影響細(xì)胞完成發(fā)育過程的基因，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）團隊將誘導(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）篩選分析，最終找出3個適合的基因，在體外實驗中，這3個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)過檢驗，通過這種方式誘導(dǎo)的不同種類的神經(jīng)元細(xì)胞可以表達多種神經(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)。

山中伸彌研究團隊將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

近些年來，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驗室研究階段，實現(xiàn)臨床應(yīng)用的鳳毛麟角，這也就是我們要重點介紹惠利健團隊的原因。

轉(zhuǎn)分化與人工肝

肝病是長期困擾醫(yī)學(xué)界的難題。我國是肝病大國，有超過1億乙肝病毒攜帶者和100萬重癥肝病患者。長期以來，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，外源器官帶來的免疫排斥，對移植病人來說，又是一道鬼門關(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。在眾多的國際研究團隊中，中國團隊率先完成，更關(guān)鍵的是，該團隊率先實現(xiàn)了臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

2011年，惠利健領(lǐng)銜的團隊在《自然》上發(fā)表了一篇轟動全球的文章：通過轉(zhuǎn)分化技術(shù)，研究團隊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)過對這些轉(zhuǎn)錄因子形成的各種組合進行逐一的排查和篩選，最終，研究人員證實在轉(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）。

這些iHep細(xì)胞呈典型肝臟細(xì)胞的上皮樣形態(tài)，表達肝基因，并顯示肝細(xì)胞功能，如肝糖原積累、乙?；兔芏戎鞍椎霓D(zhuǎn)運、藥物代謝和吲哚綠的吸收等。

《細(xì)胞》（Cell）雜志的編委和評審專家高度評價此項工作的開創(chuàng)性意義，他們認(rèn)為研究中所建立的技術(shù)體系，作為一項重大突破，對同領(lǐng)域的研究工作具有指導(dǎo)意義。

課題組不滿足小鼠實驗的成功，2014年，惠利健研究小組又獲得研究突破——成功將人類非肝細(xì)胞直接轉(zhuǎn)分化為功能肝細(xì)胞。這一成功，使國際生物人工肝裝置發(fā)生飛躍性改變。

人工肝實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，但能夠為肝移植病人得到合適肝源之前爭取時間）。

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)胞是推進生物人工肝在臨床應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而惠利健團隊做到了。

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，研究團隊再出發(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300～500份，大約可滿足200多位患者臨床研究。

在接受《世界科學(xué)》雜志采訪時，惠利健表示：

“在轉(zhuǎn)化研究早期階段，因為得到了中科院干細(xì)胞先導(dǎo)專項的大力支持，所以我們課題組可以安心搞科研。在大動物實驗向臨床轉(zhuǎn)化階段，出現(xiàn)了經(jīng)費斷檔問題，在這個節(jié)骨眼上，上海市科委的科技創(chuàng)新行動計劃又給予了我們大力支持。是這些幫助扶持，讓我們的科研成果轉(zhuǎn)化進行得如此順利！”。

惠利健團隊在成功轉(zhuǎn)化生物人工肝研究成果之后，繼續(xù)專注基礎(chǔ)研究。他們和謝渭芬團隊的合作研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生慢性肝臟損傷時，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。

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，然后通過肝干細(xì)胞實現(xiàn)再生。而惠利健團隊利用肝細(xì)胞能夠去分化的特點，解決了肝臟細(xì)胞體外擴增的難題，也解決了肝細(xì)胞移植和器官制造中關(guān)鍵的細(xì)胞來源問題。目前這個團隊正在嘗試人類肝細(xì)胞移植的大動物實驗和體外肝臟器官制造。

如果可以通過去分化或者轉(zhuǎn)分化，激發(fā)患者體內(nèi)再生肝細(xì)胞，那么將會改寫的不只是細(xì)胞的命運，更是患者的命運。