特稿｜人類再生醫(yī)學(xué)大門打開？北大鄧宏魁：精細(xì)調(diào)控人類細(xì)胞命運(yùn)

一顆石子從山頂滾落山腳，若沒有外界助力，它的軌跡就此而終。細(xì)胞的命運(yùn)同樣如此，從年輕走向衰老，如何逆轉(zhuǎn)這一“生命時鐘”，是科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的長期難題。

2012年，時年79歲的英國科學(xué)家約翰·戈登（John Gurdon）和50歲的日本科學(xué)家山中伸彌（Shinya Yamanaka）獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他們的重大貢獻(xiàn)在于從理論上顛覆了人們對自然發(fā)育分化的傳統(tǒng)觀念，即認(rèn)為干細(xì)胞分化為體細(xì)胞是不可逆的過程。

兩位科學(xué)家分別開發(fā)了體細(xì)胞核移植和轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的方法，使得動物體細(xì)胞可以通過重編程逆轉(zhuǎn)為胚胎發(fā)育早期狀態(tài)，重新獲得“多潛能性”。北京大學(xué)博雅講席教授、干細(xì)胞研究中心主任鄧宏魁一直在尋找上述兩種方法之外的第三種方法——化學(xué)重編程。

“我們一直在追求一種更加簡單、精準(zhǔn)和可控的方法，不涉及任何復(fù)雜操作，僅僅在細(xì)胞培養(yǎng)基中添加一些特定的外源化學(xué)小分子，就能控制細(xì)胞的特性，甚至逆轉(zhuǎn)發(fā)育特征。”鄧宏魁在接受澎湃新聞（www.ditubang.cn）記者專訪時表示，這種“最簡單”的操控細(xì)胞命運(yùn)的方式，卻可以帶來質(zhì)的飛躍。

鄧宏魁團(tuán)隊(duì)在細(xì)胞重編程和干細(xì)胞研究領(lǐng)域深耕了十幾年。此前的2013年，其團(tuán)隊(duì)在頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）發(fā)表了一項(xiàng)原創(chuàng)性的研究成果，即不依賴細(xì)胞內(nèi)源物質(zhì)，僅使用外源性化學(xué)小分子就可以逆轉(zhuǎn)細(xì)胞命運(yùn)，將小鼠的體細(xì)胞重編程為多潛能干細(xì)胞（CiPS細(xì)胞）。將類似的方法推衍到人類細(xì)胞上，他們又整整走了9年時間。

“當(dāng)時我們想法比較簡單，老鼠做成了，那人是不是就很容易做了？但這比我想象要難的多。”鄧宏魁將各物種細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)比作跳高，進(jìn)化程度越高，克服其穩(wěn)態(tài)的難度也更高一截，這也是此前克隆蛙、克隆羊、克隆猴的問世都分別相差了幾十年的原因。

北京時間4月13日深夜，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)歷經(jīng)9年的研究成果最終發(fā)表在頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature），題為“化學(xué)重編程人類成體細(xì)胞為多能干細(xì)胞”（ Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells）。他們首次報道了使用化學(xué)重編程的方法，成功實(shí)現(xiàn)了使用化學(xué)小分子將人成體細(xì)胞誘導(dǎo)為多潛能干細(xì)胞(人CiPS細(xì)胞)。這一由國內(nèi)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的技術(shù)，開辟了人多潛能干細(xì)胞制備的全新途徑，使其向臨床應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。

“進(jìn)一步打開了人的再生醫(yī)學(xué)的大門。”鄧宏魁如是表示。

高度分化的體細(xì)胞何以逆轉(zhuǎn)？

在再生生物學(xué)領(lǐng)域，常用的兩個動物模型分別為渦蟲和蠑螈。 

作為一種低等的小蟲子，渦蟲擁有著超強(qiáng)的再生能力，即使被切碎成200多份，每一份依然能再生出完整的新個體。而蠑螈在肢體截斷之后，大約一個星期就能觀察到截肢末端長出一團(tuán)芽基組織，最后也能完美地長出新的肢體。

“低等動物有很強(qiáng)的再生能力，而人在進(jìn)化過程中把這種很強(qiáng)的再生能力給喪失掉了。”鄧宏魁表示。

他在此前的一場論壇也談到過類似的話題。其解釋道，動物體內(nèi)的細(xì)胞都是由干細(xì)胞定向分化成不同的、處于功能穩(wěn)定階段的各種功能成熟細(xì)胞，“在低等動物中，處于損傷的情況下，這些功能細(xì)胞可以產(chǎn)生一種細(xì)胞命運(yùn)重編程的過程，即首先成熟細(xì)胞開始去分化，然后重新變回到干細(xì)胞，最后干細(xì)胞可以再分化變成各種不同類型的功能細(xì)胞，來達(dá)到修復(fù)組織器官的目的。”

破解這一生物學(xué)的奧秘，對人類本身意義深遠(yuǎn)。顯而易見的一點(diǎn)是，在老齡化日趨嚴(yán)重的當(dāng)下，“一個關(guān)鍵的社會問題是我們能不能實(shí)現(xiàn)健康的老齡化？”包括鄧宏魁在內(nèi)的該領(lǐng)域科學(xué)家認(rèn)為，提升人的再生能力，能為解決衰老過程引起而目前傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)不能解決的重大疾病提供一種新的手段。

生命科學(xué)領(lǐng)域朝著這一目標(biāo)已經(jīng)嘗試了幾十年。上世紀(jì)60年代，戈登在爪蟾中開發(fā)了細(xì)胞核移植技術(shù)；1997年，英國Roslin研究所的伊恩·維爾穆特（Ian Wilmut）團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)制備了克隆羊“多莉”，證明了哺乳動物高度分化的體細(xì)胞可以被逆轉(zhuǎn)為早期胚胎的初始狀態(tài)，并獲得了發(fā)育為整個動物個體的能力。2006年，山中伸彌報道了使用轉(zhuǎn)基因的方式可以將小鼠成體細(xì)胞重編程為多潛能干細(xì)胞，被稱為誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）。

鄧宏魁對澎湃新聞記者表示，核移植技術(shù)可以稱為第一代技術(shù)。該技術(shù)將一種體細(xì)胞的細(xì)胞核注入去除細(xì)胞核的卵子，通過人工方法激活后再移植到代孕母體發(fā)育成個體。

值得一提的是，就在2018年1月，頂級學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）的一篇封面文章向外界宣布，和人類最為接近的靈長類動物食蟹猴的克隆體誕生。該項(xiàng)突破性成果由中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所孫強(qiáng)、蒲慕明領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)完成，兩只克隆猴取名為“中中”和“華華”。 

但體細(xì)胞核移植也面臨多重制約。鄧宏魁表示，“如果要對人的細(xì)胞進(jìn)行試驗(yàn)，第一，需要用到人的卵母細(xì)胞，它的獲得比較困難；第二，核移植以后，發(fā)育到人的早期胚胎時需要把它破壞掉，然后從里面取出內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，制備胚胎干細(xì)胞，它在倫理上存在問題和爭議。”

山中伸彌在2006年報道的方法則被認(rèn)為是細(xì)胞重編程領(lǐng)域的第二代技術(shù)。山中伸彌等人把4個轉(zhuǎn)錄因子（Oct4、Sox2、Klf4、cMyc）通過逆轉(zhuǎn)錄病毒載體轉(zhuǎn)入小鼠的成纖維細(xì)胞，使其變成多功能干細(xì)胞，也由此創(chuàng)立了誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）。

“它不需要用到卵母細(xì)胞，也沒有胚胎發(fā)育環(huán)節(jié)，可以直接把體細(xì)胞重編程為多潛能細(xì)胞，這樣就解決倫理上的爭議了。”鄧宏魁進(jìn)一步談到，山中伸彌開創(chuàng)的方法也同時實(shí)現(xiàn)了“個體化”，“任何一個普通的病人，理論上他的細(xì)胞都可以制備成多潛能干細(xì)胞。” 

然而，這種遺傳學(xué)的方法同樣并不完美。比如，通過病毒等方式把基因?qū)脒M(jìn)去，可能會有潛在的遺傳風(fēng)險。這也是目前該方法在臨床應(yīng)用上最大的擔(dān)憂，即安全性的問題。

無論是體細(xì)胞核移植技術(shù)，還是轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)，這些都依賴于細(xì)胞內(nèi)源物質(zhì)，難以做到標(biāo)準(zhǔn)化。業(yè)內(nèi)也希望，能有更規(guī)范化、更標(biāo)準(zhǔn)化的方法應(yīng)用于臨床轉(zhuǎn)化。

新一代細(xì)胞重編程技術(shù)：化學(xué)重編程

在鄧宏魁看來，逆轉(zhuǎn)“生命時鐘” 的一種較為理想的方式是依靠外源刺激來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的重編程，例如化學(xué)小分子的刺激。小分子化合物是日常服用藥物的主要成分，相對于細(xì)胞質(zhì)和基因等細(xì)胞物質(zhì)更安全可控。

“如果利用化學(xué)小分子的話，可以通過非常簡單的組合方式，對多個靶點(diǎn)、多個信號通路同時調(diào)控。除了組合非常靈活，還可以調(diào)控小分子的濃度，處理的時間，可以實(shí)現(xiàn)時空上的分階段的精準(zhǔn)調(diào)控。”鄧宏魁如此描述這種新一代重編程技術(shù)的優(yōu)勢。 

另外，相比傳統(tǒng)方法，小分子誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程技術(shù)作為非整合方法，規(guī)避了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因操作引發(fā)的安全問題，有望成為更安全的臨床治療手段。

鄧宏魁提到，其團(tuán)隊(duì)自2007年開始研究化學(xué)重編程技術(shù)，直至2013年，他們在《科學(xué)》雜志發(fā)表了小鼠化學(xué)重編程工作。自那時起，眾多國際團(tuán)隊(duì)在小鼠化學(xué)重編程工作的啟發(fā)下也進(jìn)行了大量嘗試，卻一直未能解決人類成體細(xì)胞的化學(xué)重編程問題。

鄧宏魁團(tuán)隊(duì)也經(jīng)歷了長時間的摸索，但小鼠身上的“經(jīng)驗(yàn)”并不能快速復(fù)制到人類細(xì)胞研究中。鄧宏魁在回顧過去近十年的研究歷程時感嘆，“這比我想象的要難的多。”

他表示，“作為高等動物，人類成體細(xì)胞特性和穩(wěn)態(tài)調(diào)控的復(fù)雜性遠(yuǎn)非小鼠成體細(xì)胞可比，在表觀遺傳層面上存在重重障礙，嚴(yán)重限制了在人類成體細(xì)胞中激發(fā)細(xì)胞可塑性的可能。”

“細(xì)胞的身份一旦被鎖定了，它不允許被輕易改變。”這種難度的遞增在以往的研究中也存在，“核移植技術(shù)是在上個世紀(jì)60年代的克隆蛙身上實(shí)現(xiàn)的，而克隆羊是在1997年發(fā)表的，經(jīng)歷了三十幾年。”鄧宏魁表示，一樣的技術(shù)在不同物種上實(shí)現(xiàn)的時間相差如此之久，主要的原因即在于羊的細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)遠(yuǎn)超過低等動物蛙。而克隆猴“中中”和“華華”的誕生又在克隆羊“多莉”問世逾20余年后才得以實(shí)現(xiàn)。

“進(jìn)化程度越高，克服細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的難度就像跳高，又高出了一截。”鄧宏魁提到，為了克服人體細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)，在頭六年的時間里，團(tuán)隊(duì)篩選了多種可能性，“所有的策略都不work。”

與此同時，領(lǐng)域內(nèi)也普遍認(rèn)為：人類成體細(xì)胞的表觀遺傳限制是極其嚴(yán)格的，很可能無法通過化學(xué)重編程激發(fā)人類成體細(xì)胞獲得多潛能性。“其實(shí)某種意義上來說，難點(diǎn)也在于這種觀念，就是說認(rèn)為這件事情是不太可能的。”鄧宏魁表示。

破題思路仍然來源于低等動物，“它們是怎么實(shí)現(xiàn)再生的？”鄧宏魁談到，團(tuán)隊(duì)回到了這一本質(zhì)問題。蠑螈等低等動物在受到外界損傷后其體細(xì)胞會自發(fā)的改變本身的特性，進(jìn)而通過被稱為“去分化”的過程獲得一定的“可塑性”，借助這一可塑的中間狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)肢體的再生。 

研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)，重新建立這種可塑狀態(tài)是小分子解鎖人類體細(xì)胞“身份”，并允許生成人多潛能干細(xì)胞的關(guān)鍵。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)把工作主要分成了兩個步驟。“第一步不是實(shí)現(xiàn)多潛能干細(xì)胞，而是去模擬低等動物這條路，如果第一步實(shí)現(xiàn)了，后面一步實(shí)現(xiàn)多潛能干細(xì)胞可能就很容易了。”在鄧宏魁看來，第一步是真正具有跨越意義的一步，“這或可以真正打開人類再生醫(yī)學(xué)的大門。”

使用化學(xué)小分子實(shí)現(xiàn)人CiPS細(xì)胞的成功誘導(dǎo)。

沿著上述思路，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量化學(xué)小分子的篩選和組合，最終發(fā)現(xiàn)高度分化的人成體細(xì)胞在特定的化學(xué)小分子組合的作用下，同樣可以發(fā)生類似低等動物中去分化的現(xiàn)象，并獲得具有一定可塑性的中間狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)最終實(shí)現(xiàn)了人CiPS細(xì)胞的成功誘導(dǎo)。

總體而言，他們通過創(chuàng)造一個中間的可塑性狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)人類體細(xì)胞的化學(xué)重編程，并獲得了和胚胎干細(xì)胞高度相似的人CiPS細(xì)胞。整個化學(xué)重編程軌跡分析揭示了早期中間可塑性狀態(tài)的產(chǎn)生，在此過程中發(fā)生化學(xué)小分子誘導(dǎo)的細(xì)胞去分化現(xiàn)象。比對分析發(fā)現(xiàn)，該過程與蠑螈肢體再生的去分化過程相似，激活了與發(fā)育和再生相關(guān)的關(guān)鍵基因。

化學(xué)小分子誘導(dǎo)人類體細(xì)胞在早期階段去分化，產(chǎn)生中間可塑性狀態(tài)。

更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了調(diào)控這一類再生過程和細(xì)胞可塑性的關(guān)鍵信號通路，即JNK通路是化學(xué)重編程的主要障礙，抑制JNK通路對于通過抑制炎癥信號來誘導(dǎo)細(xì)胞可塑性和再生相關(guān)程序是必不可少的。因此，JNK通路可能成為研究人類再生的新靶點(diǎn)。

鄧宏魁認(rèn)為這是一種更為精準(zhǔn)可控的細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控方法。化學(xué)小分子操控的方式，“把重編過程變成了像火車可以停靠一樣，它可以停在任何一個階段，也就說是一個可以精細(xì)調(diào)控的過程。”

“打開了人的再生醫(yī)學(xué)的大門”

鄧宏魁認(rèn)為，在安全、易操作、可精細(xì)調(diào)控等優(yōu)勢下，CiPS細(xì)胞誘導(dǎo)技術(shù)有望真正打開人類的再生醫(yī)學(xué)的大門。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，與傳統(tǒng)的技術(shù)體系相比，CiPS細(xì)胞誘導(dǎo)技術(shù)突破了此前iPS技術(shù)面臨的限制，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。具體來看，安全性方面，之前在小鼠CiPS細(xì)胞中已經(jīng)證明，其攜帶的遺傳突變顯著少于傳統(tǒng)iPS細(xì)胞，產(chǎn)生的嵌合體小鼠在長達(dá)6個月的觀察期內(nèi)不產(chǎn)生腫瘤且全部健康存活。同時，人CiPS細(xì)胞分化來源的胰島細(xì)胞移植入小鼠和非人靈長類動物模型體內(nèi)，經(jīng)過長期觀察未發(fā)現(xiàn)腫瘤形成。“iPS細(xì)胞在臨床應(yīng)用上最大的擔(dān)憂就是安全性問題，所以這個領(lǐng)域還是希望能看到新的更安全的方式。”

其次，在個體化制備方面，研究團(tuán)隊(duì)目前已在不同年齡個體來源的體細(xì)胞類型上都可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定誘導(dǎo)人CiPS細(xì)胞。

而在細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)化制備方面，化學(xué)小分子具有操作簡單，時空調(diào)控性強(qiáng)，作用可逆，合成儲存方便，易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等一系列特點(diǎn)，使得人CiPS細(xì)胞在標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化生產(chǎn)方面有著不可替代的優(yōu)勢。

值得一提的是，今年的2月4日，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院彭小忠研究組及天津市第一中心醫(yī)院沈中陽研究組合作在《自然-醫(yī)學(xué)》（Nature Medicine）了一項(xiàng)研究，他們建立了人CiPS細(xì)胞向胰島細(xì)胞的分化制備方案，獲得了功能成熟的人CiPS細(xì)胞來源的胰島細(xì)胞；進(jìn)一步將其移植入非人靈長類糖尿病動物模型中，系統(tǒng)驗(yàn)證了人CiPS細(xì)胞分化的胰島治療糖尿病的安全性和有效性。

德國馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所的Anne Grapin-Botton等人在《Cell Stem Cell》就鄧宏魁等人的上述研究發(fā)表了一篇評論文章。文章寫道，小鼠一直是測試多能干細(xì)胞來源的β細(xì)胞的金標(biāo)準(zhǔn)，然而在臨床試驗(yàn)中，小鼠和人類之間存在很大的差距。而將人CiPS細(xì)胞分化來源的胰島細(xì)胞移植到恒河猴身上，并檢驗(yàn)其臨床可行性，是鄧宏魁等人這項(xiàng)工作的關(guān)鍵價值。

在此前的這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)觀察到，人CiPS細(xì)胞分化胰島移植入糖尿病模型小鼠體內(nèi)，可以有效逆轉(zhuǎn)糖尿病，而且在長達(dá)48周的觀察周期中，所有移植小鼠中均未觀察到移植細(xì)胞致瘤現(xiàn)象。在猴子中則觀察到，接受細(xì)胞移植的糖尿病猴的C肽（胰島素分泌標(biāo)記物）釋放能夠響應(yīng)餐食或葡萄糖刺激。在4只長期跟蹤觀察的糖尿病模型猴上，糖化血紅蛋白（HbA1c）與移植前峰值相比，下降了2%以上。HbA1c是臨床常用的指標(biāo)，用于綜合評價糖尿病患者的中長期的血糖控制情況。

“我們CiPS細(xì)胞誘導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將分化細(xì)胞移植到了猴子模型上，這方面超越了傳統(tǒng)的iPS細(xì)胞。”鄧宏魁表示，其團(tuán)隊(duì)在胰島分化方面有近20年的研究基礎(chǔ)，再和化學(xué)重編程技術(shù)相結(jié)合，“保證了我們在這方面工作的領(lǐng)先。”

在他看來，胰島細(xì)胞的移植是所有應(yīng)用方向中最好的突破口之一，并且在臨床中已經(jīng)開展大量實(shí)踐。“臨床應(yīng)用需要滿足三點(diǎn)，第一要把多潛能干細(xì)胞做出來，第二把分化細(xì)胞做出來，第三還需要有成熟的移植技術(shù)。”鄧宏魁團(tuán)隊(duì)在這三點(diǎn)上已經(jīng)準(zhǔn)備了近二十年，對于開展CiPS細(xì)胞來源的胰島細(xì)胞移植的條件日漸成熟。

目前橫亙在胰島移植面前的第一大難題就是胰腺供者器官短缺。全軍器官移植研究所所長、海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院器官移植暨肝臟外科主任、上海市胰島移植臨床質(zhì)控暨培訓(xùn)基地主任殷浩在接受澎湃新聞（www.ditubang.cn）記者采訪時即表示，相對于肝臟和腎臟等器官移植，胰腺供者匱乏的形勢較為嚴(yán)峻，“中國現(xiàn)在一年器官捐獻(xiàn)者大概有5000人，各類器官最終能治療幾萬個人,但這5000個胰腺實(shí)際上最后能用的只有幾百個。”

鄧宏魁透露，在糖尿病猴子模型上試驗(yàn)之后，目前正在積極推進(jìn)臨床。“因?yàn)樵诤镒由系慕Y(jié)果很好，我們還是很有信心的。”盡管目前這些初步的跡象表明，這項(xiàng)技術(shù)在安全性上有優(yōu)越性，他同時強(qiáng)調(diào)，“安全性依然是最關(guān)鍵的，這個還要經(jīng)過仔細(xì)的長期的對比研究，但小分子的優(yōu)化有巨大空間。”

人CiPSCs技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

值得一提的是，這一化學(xué)重編程方法是繼 “細(xì)胞核移植”和“轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)”之后的新一代的、由我國自主研發(fā)的人多潛能干細(xì)胞制備技術(shù)，同時解決了我國干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展中底層技術(shù)上的“瓶頸”問題。

“經(jīng)歷了好幾代學(xué)生，我們堅信這件事是特別有意義的，特別值得付出，要把它闖出來。十年磨一劍，從概念到技術(shù)都是我們自己在摸索，而且還要得到國際上的承認(rèn)，這都需要花很長的時間。”鄧宏魁最后表示。