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再生醫(yī)學(xué)迎來新勢力
日期：2024-11-22 22:17
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摘要：
科學(xué)家曾認(rèn)為，直到消亡，皮膚細(xì)胞依然是皮膚細(xì)胞。在過去10年，細(xì)胞的身份并不是一成不變的，它能夠通過激活特異性的遺傳程序得以重寫。如今，再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域面臨一個問題：這種重寫應(yīng)當(dāng)采取常規(guī)方法，即成熟細(xì)胞首先轉(zhuǎn)化回干細(xì)胞，或者如果可能的話，采取一種更加直接的方法。
“終末分化”概述了這種舊觀念——皮膚細(xì)胞、肌肉細(xì)胞等成熟細(xì)胞不能經(jīng)過誘導(dǎo)獲得一種顯著不同的“命運”。10年前，這種觀念開始搖搖欲墜，當(dāng)時，日本京都大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家山中伸彌證實導(dǎo)入幾個基因能夠?qū)⒊墒炖w維原細(xì)胞（結(jié)締組織細(xì)胞）轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)性多...
科學(xué)家曾認(rèn)為，直到消亡，皮膚細(xì)胞依然是皮膚細(xì)胞。在過去10年，細(xì)胞的身份并不是一成不變的，它能夠通過激活特異性的遺傳程序得以重寫。如今，再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域面臨一個問題：這種重寫應(yīng)當(dāng)采取常規(guī)方法，即成熟細(xì)胞首先轉(zhuǎn)化回干細(xì)胞，或者如果可能的話，采取一種更加直接的方法。
“終末分化”概述了這種舊觀念——皮膚細(xì)胞、肌肉細(xì)胞等成熟細(xì)胞不能經(jīng)過誘導(dǎo)獲得一種顯著不同的“命運”。10年前，這種觀念開始搖搖欲墜，當(dāng)時，日本京都大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家山中伸彌證實導(dǎo)入幾個基因能夠?qū)⒊墒炖w維原細(xì)胞（結(jié)締組織細(xì)胞）轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）。類似于胚胎干細(xì)胞，iPS細(xì)胞能分化為任何一種類型的細(xì)胞，這一性質(zhì)被稱作為多能性。不同于胚胎干細(xì)胞的是，iPS細(xì)胞也能無限增殖。
僅僅在山中伸彌取得該發(fā)現(xiàn)幾年后，研究人員就已開始發(fā)現(xiàn)改變細(xì)胞類型的捷徑，他們稱之為“直接重編程”。一種類型的成熟細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)后能直接變成另一種類型的成熟細(xì)胞，而不需要借助iPS細(xì)胞這一中間階段。研究人員已了解到如何將皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元或心臟細(xì)胞，如何將胃細(xì)胞轉(zhuǎn)化為分泌胰島素的β細(xì)胞。德國美因茲古藤堡大學(xué)科學(xué)家Benedikt Berninger說：“就在你的眼前看到這些細(xì)胞改變身份是非常神奇的?！盉erninger的研究利用直接重編程產(chǎn)生神經(jīng)元。
相對于iPS細(xì)胞研究，直接重編程研究還處于更初始階段，但是它正激發(fā)人們對再生醫(yī)學(xué)的興趣。直接重編程的細(xì)胞可能比通過iPS細(xì)胞中間階段產(chǎn)生的細(xì)胞更加**，因為后者可能具有與腫瘤細(xì)胞一樣的廣泛增殖能力，這會使得它們或許潛在地導(dǎo)致癌癥產(chǎn)生。
基于iPS細(xì)胞的臨床介入必需謹(jǐn)慎開展，以便確保沒有多能性細(xì)胞與完全成熟的細(xì)胞一起移植。瑞典隆德大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Malin Parmar說：“風(fēng)險就是你可能失去對這些細(xì)胞的控制，它們在移植后開始不受控制地增殖。但是，如果你繞過iPS細(xì)胞產(chǎn)生階段，那么它將更加快速和更加**?！盤armar希望利用直接重編程逆轉(zhuǎn)帕金森病患者大腦中的神經(jīng)元丟失。
改變遺傳
重寫細(xì)胞身份首先需要理解這些身份是如何建立的。每個細(xì)胞都能追蹤其祖先到單個起源：受精卵。當(dāng)胚胎細(xì)胞分裂和成熟時，它們的命運是由發(fā)育過程中特異性基因開啟和關(guān)閉所確定的。被稱作轉(zhuǎn)錄因子的蛋白首先結(jié)合到基因組中的某些DNA序列，隨后激活或抑制附近的基因，從而調(diào)節(jié)這一過程?？刂萍?xì)胞命運的轉(zhuǎn)錄因子經(jīng)常被稱作“主調(diào)節(jié)因子”，這是因為它們控制著一連串復(fù)雜的基因活性。
美國哈佛干細(xì)胞研究所細(xì)胞生物學(xué)家Qiao Zhou說，“這些主調(diào)節(jié)因子基本上都是根據(jù)它們在胚胎發(fā)生時產(chǎn)生某些細(xì)胞類型中的關(guān)鍵性作用決定的。一個祖細(xì)胞可能變成細(xì)胞A、B或C，但是如果你迫使它表達(dá)某種主調(diào)節(jié)因子，它將*終變成細(xì)胞A?！?/span>
證實主調(diào)節(jié)因子能用于直接重編程的研究可追溯到1987年，當(dāng)時來自弗雷德-哈金森癌癥研究中心的Harold Weintraub、Andrew Lassar和同事證實誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞表達(dá)某一DNA片段能夠讓它進(jìn)入變成肌肉細(xì)胞的發(fā)育途徑；他們隨后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這種變化的單個基因編碼轉(zhuǎn)錄因子MyoD。加州大學(xué)舊金山分校格拉斯通心血管**研究所心臟發(fā)育研究員Deepak Srivastava說：“這在當(dāng)時是一項顛覆性的發(fā)現(xiàn)。”
但事情并非這么簡單。尋找單個能啟動重編程的主調(diào)節(jié)因子遭遇滑鐵盧，直到山中伸彌揭示出有效重編程的秘密并不是單個因子，而是多種基因的組合。隨著研究人員混合和搭配不同的主調(diào)節(jié)因子組合，成功才開始出現(xiàn)。
2008年，哈佛大學(xué)科學(xué)家Douglas Melton團(tuán)隊將一種類型的胰腺細(xì)胞轉(zhuǎn)化為β細(xì)胞，該細(xì)胞是很多糖尿病患者所需要的。作為團(tuán)隊一員，Zhou說，“結(jié)論是你僅需3種主調(diào)節(jié)因子實現(xiàn)這一點?！?010年，斯坦福大學(xué)干細(xì)胞科學(xué)家Marius Wernig團(tuán)隊也利用3種基因?qū)⒊衫w維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元。
迄今為止，大多數(shù)開創(chuàng)性的直接重編程發(fā)現(xiàn)都是在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中實現(xiàn)的。但如果能在體內(nèi)促進(jìn)細(xì)胞轉(zhuǎn)化，很多研究人員就會對再生醫(yī)學(xué)抱有更大希望。在一種器官中相對豐富的細(xì)胞群體或能轉(zhuǎn)化為更迫切需要的其他類型的成熟細(xì)胞。迄今為止，研究人員已在動物實驗中取得一些成就。比如，Parmar團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)通過將攜帶編碼重編程因子的基因的病毒載體注射進(jìn)小鼠大腦中，能將神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為功能性神經(jīng)元。Srivastava也類似地在心臟內(nèi)將小鼠成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為跳動的心肌細(xì)胞，這一策略可能提供一種**心臟病發(fā)作導(dǎo)致的心臟損傷的方法。但迄今為止，沒有人在人體內(nèi)嘗試過直接重編程。
身份危機(jī)
到目前為止，大多數(shù)研究著重關(guān)注確保重編程過程成功。研究人員不僅需要找出啟動這些基因的主調(diào)節(jié)因子組合，也不得不發(fā)現(xiàn)盡可能*小的組合。這是因為迫使一種細(xì)胞表達(dá)主調(diào)節(jié)基因的*可靠方法是運送這些基因的額外拷貝到這種細(xì)胞中，而相對于運送僅僅幾種基因，運送很多種基因到細(xì)胞中更困難。找出*小的主調(diào)節(jié)基因組合需要一番艱苦跋涉：通常，潛在的組合名單比較巨大，**的篩選方法是系統(tǒng)性地逐一測試。比如，Parmar團(tuán)隊以12種候選基因開展產(chǎn)生多巴胺的神經(jīng)元的研究，經(jīng)過一番篩選后，*終縮小到兩種基因。
一些研究人員已開始設(shè)計專門用于直接重編程的軟件。一個橫跨三大洲的團(tuán)隊已開發(fā)出一種被稱作Mogrify的實驗規(guī)劃工具，這個工具將來自眾多細(xì)胞類型的大量基因表達(dá)數(shù)據(jù)與不同主調(diào)節(jié)因子控制的基因網(wǎng)絡(luò)方面的規(guī)則匯集在一起。基于這些數(shù)據(jù)和規(guī)則，Mogrify可預(yù)測導(dǎo)致所需細(xì)胞身份變化的重編程因子組合。
但提供有活性的主調(diào)節(jié)基因并不足以確保完全的重編程：這些主調(diào)節(jié)基因可能成功地將細(xì)胞設(shè)置在一個發(fā)育途徑上，但會讓它處于一種未成熟的前體細(xì)胞狀態(tài)。因此接下來的任務(wù)就是鑒定出哪些基因必須處于活性狀態(tài)完成這一發(fā)育過程。
然而，真正重要的細(xì)胞身份測試是重編程細(xì)胞是否在功能上能夠替換自然分化的細(xì)胞。美國得州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)生物學(xué)家Chun-Li Zhang說：“如果它們看起來像是神經(jīng)元，而且它們的基因表達(dá)也類似于神經(jīng)元，這并不意味著它們是真正的神經(jīng)元?！绷钊诵欧淖C據(jù)需要接受一系列評估，比如利用電生理學(xué)測量證實一種新形成的神經(jīng)元是否放電，因而是否能夠激活與它通過突觸連接在一起的其他神經(jīng)元。Zhou表示，沒有一種特征性的評估方法能夠獨自提供具有足夠說服力的證據(jù)。
通往臨床之路
這些方法在人體測試之前還有很多障礙要克服。一般而言，已證實相比于小鼠細(xì)胞，人細(xì)胞在進(jìn)行直接重編程時更加充滿挑戰(zhàn)：它們傾向于花費更長時間經(jīng)歷這個重編程過程，雖然一些轉(zhuǎn)錄因子足以在動物實驗中實現(xiàn)直接重編程，但是人細(xì)胞經(jīng)常需要額外的轉(zhuǎn)錄因子。基因轉(zhuǎn)運也帶來巨大挑戰(zhàn)，特別是將基因轉(zhuǎn)運進(jìn)大腦等器官中。
另外，還會存在拆了東墻補(bǔ)西墻的問題。在大腦中，將神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元會降低那里的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，而這本身就可能產(chǎn)生風(fēng)險。
心臟**很可能*接近于臨床應(yīng)用。Srivastava團(tuán)隊已開始研究將豬心臟內(nèi)的成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為心肌細(xì)胞。他說：“我們有初步的概念驗證：即便在像我們這樣大的心臟中也能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)化的效果。”如今，這個團(tuán)隊正在開展**性研究，并優(yōu)化基因運送方法。
Zhou團(tuán)隊努力將體外培養(yǎng)的人胃腸道細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化為β細(xì)胞，并且也正在努力在診所中開展應(yīng)用。這些腸道細(xì)胞很容易通過活組織檢查獲得，而且在體外培養(yǎng)和重編程后，在理論上，它們能夠移植到患有糖尿病的志愿者的胰腺中。
無論如何，直接重編程正開始獲得產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，不過生物技術(shù)公司和制藥公司并沒有準(zhǔn)備好投入其中。Zhou說，“迄今為止，還沒有同等數(shù)量的資源和人力投入到這種方法中。但是這個領(lǐng)域正在快速趕上，我迫不及待地想看到它將會如何發(fā)展。”
