細(xì)胞重新編程 挖出皮膚愈合“超能力”

本報記者 張佳星

《超人》里有個經(jīng)常被效仿的經(jīng)典情節(jié)，超人偽裝成凡人克拉克·肯特，在被火燒到后，燒傷的傷口會瞬間愈合，險些讓他的朋友識破他就是超人。

劃了個小創(chuàng)口，皮膚愈合稀松平常，但如果創(chuàng)口過大，瞬間修復(fù)就成為超能力。近日，《自然》發(fā)表了美國等國科學(xué)家的一項(xiàng)研究，挖掘出皮膚愈合的“超能力”：通過病毒載體，將特定的轉(zhuǎn)錄因子(一種調(diào)控基因)轉(zhuǎn)入小鼠創(chuàng)口細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)原本不能愈合的傷口迅速愈合了。研究人員花費(fèi)了大量的時間“海選”哪些轉(zhuǎn)錄因子與愈合相關(guān)，經(jīng)過多輪篩選才鑒定出4個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，將普通皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化成一種“角質(zhì)形成細(xì)胞”，促成皮膚“新生”。

“平凡”細(xì)胞借助轉(zhuǎn)錄因子“浴火重生”

作為身體最大的防護(hù)器官，皮膚的外觀看似“城墻”，但這座城墻在內(nèi)部是涌動的，不同類的細(xì)胞在不同層間遷移，例如，角質(zhì)形成細(xì)胞從鄰近表皮遷移到傷口以促進(jìn)再上皮化，變成“新生力量”修復(fù)受損的皮膚。

一類被稱為“角質(zhì)形成細(xì)胞”的細(xì)胞是實(shí)現(xiàn)新生的那塊“磚”，哪里創(chuàng)傷哪里搬。皮膚細(xì)胞群中的這類“非凡”細(xì)胞能夠促成皮膚新生，那么讓不愈傷口處的“平凡”細(xì)胞轉(zhuǎn)化為“非凡”細(xì)胞，可不可以解決問題呢?

“非凡”和“平凡”的不同由細(xì)胞內(nèi)部的基因表達(dá)決定。為此，研究團(tuán)隊(duì)對人角質(zhì)形成細(xì)胞和人皮膚成纖維細(xì)胞進(jìn)行了基因表達(dá)譜的比較。通過RNA測序等技術(shù)，分析兩個細(xì)胞在基因表達(dá)上究竟有什么樣的不同。

“兩個細(xì)胞之間的基因表達(dá)差異是非常大的。”上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究員黃鵬羽解釋，可以找到幾千個基因在表達(dá)上的不同。

研究團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)放在了轉(zhuǎn)錄因子的不同表達(dá)上，“轉(zhuǎn)錄因子是一類調(diào)控基因，往往調(diào)控著幾百個功能基因的表達(dá)，進(jìn)而決定細(xì)胞的‘命運(yùn)’。”黃鵬羽說。

論文顯示，以“平凡”細(xì)胞為比照，團(tuán)隊(duì)根據(jù)表達(dá)量分析、上游啟動子分析等因素在“非凡”細(xì)胞的大量不同中鑒定出了55個轉(zhuǎn)錄因子和31個微小RNA，它們在兩個細(xì)胞中的表達(dá)差異非常顯著，其中很可能包含了細(xì)胞之所以成為角質(zhì)形成細(xì)胞的決定因素。

“海選”之后是“晉級賽”。對于臨床應(yīng)用來講，86個因素太多，將初篩的因子縮小范圍才有可能落地應(yīng)用。“研究選用的方法有創(chuàng)新性。”黃鵬羽解釋，他們把所有的因素一起轉(zhuǎn)入皮膚細(xì)胞，看結(jié)果，那些活下來的、轉(zhuǎn)變?yōu)榻琴|(zhì)形成細(xì)胞就“跳脫”出來。

這是一場粗獷、角斗式的晉級賽。“平凡”細(xì)胞與帶有不同基因的慢病毒載體相遇，隨機(jī)把病毒載體“吃”進(jìn)基因組中，細(xì)胞生命活動將經(jīng)歷“風(fēng)暴”級的震動，“細(xì)胞在這個過程中會發(fā)生各種各樣的轉(zhuǎn)變，甚至死亡。”黃鵬羽說。

“這個篩選方法存在很大風(fēng)險，一個是會不會有細(xì)胞存活下來，另一個是對這些細(xì)胞進(jìn)行分析確定28個因子時，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可能存在假陰性的現(xiàn)象。”黃鵬羽說，這也是此類研究探索經(jīng)常經(jīng)年沒有突破、需要有“坐冷板凳”的恒心和精神的原因。

少量的“平凡”細(xì)胞借助外來轉(zhuǎn)錄因子的力量“浴火重生”，歷練成為能變成新鮮上皮細(xì)胞的角質(zhì)形成細(xì)胞。

“減一”法篩選，找到4個“超級因子”

在“重生”細(xì)胞中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，有28個轉(zhuǎn)錄因子被“吃”進(jìn)新細(xì)胞的基因組。

“28個轉(zhuǎn)錄因子仍舊太多，團(tuán)隊(duì)利用‘減一’法進(jìn)行了進(jìn)一步篩選。”黃鵬羽說，目的是要聚焦究竟哪些因子是不可或缺的，哪些又是可有可無的。

嚴(yán)格的“減一”法意味著難以想象的工作量。黃鵬羽舉例道，28個因子，依次減少一個，加上對照組第一輪要做29組轉(zhuǎn)化，第二輪做28個……以此類推，每個轉(zhuǎn)化順利的話需要4—5個星期才能完成，二十幾輪全部做完算下來起碼需要三年的時間才能完成。

“團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該進(jìn)行了相關(guān)分析，秉持了一些帶有傾向性的指導(dǎo)原則，并有選擇性地進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。”黃鵬羽認(rèn)為，這不僅考驗(yàn)著科研水平，也需要科學(xué)探索時的運(yùn)氣成分。

幸運(yùn)地，28個轉(zhuǎn)錄因子在相對短的時間內(nèi)被削減到4個，它們分別為：DNP63A、GRHL2、TFAP2A和MYC(簡稱DGTM因子)。研究最后使用的方法與2012年諾貝爾獎獲得者山中伸彌團(tuán)隊(duì)相似，但在篩選思路上有針對性地進(jìn)行了創(chuàng)新。

“這個結(jié)果也在一定程度上反應(yīng)了團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新性思路。”黃鵬羽解釋，正常情況下，研究人員會著力去篩選出“什么是獨(dú)特的”，也就是說，這個細(xì)胞里有什么;但目前分離到的4個因子，并不全是該類細(xì)胞中的獨(dú)特基因，而是在很多細(xì)胞中都會高量表達(dá)的基因。這也對將來其他轉(zhuǎn)分化技術(shù)的開發(fā)有很強(qiáng)的啟發(fā)。

大海撈針地覓到的“超級因子”究竟行不行?團(tuán)隊(duì)在小鼠身上制造潰瘍，并設(shè)計了一個“圍墻”巧妙地阻止了其他角質(zhì)形成細(xì)胞“打支援”。在這樣一個無法愈合的創(chuàng)口上，用這4個決定性因子局部治療小鼠皮膚潰瘍時，18天內(nèi)生長出健康的上皮細(xì)胞，上皮細(xì)胞逐漸擴(kuò)大，可使大面積潰瘍愈合;3到6個月后，新生皮膚細(xì)胞在分子、基因和細(xì)胞測試中表現(xiàn)得與健康皮膚細(xì)胞相同。

讓“細(xì)胞超人”上臨床，還需大量工作

通過對細(xì)胞實(shí)施轉(zhuǎn)分化技術(shù)獲得新細(xì)胞，進(jìn)行人體器官修復(fù)的嘗試由來已久——

早在40年前，就有學(xué)者嘗試通過表達(dá)1個轉(zhuǎn)錄因子，使得成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榧〖?xì)胞;著名的iPS細(xì)胞(誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞)也是通過對基因表達(dá)的控制，將已經(jīng)分化的細(xì)胞“返老還童”為干細(xì)胞，進(jìn)而獲得發(fā)育為一個器官或者一個生命個體的能力。

“目前進(jìn)入臨床試驗(yàn)的并不多。”黃鵬羽介紹，轉(zhuǎn)分化獲得的“細(xì)胞超人”需滿足3個基本要求才會被視為有應(yīng)用前景：一是轉(zhuǎn)化效率足夠高，二是獲得細(xì)胞的功能足夠好，三是足夠安全不能有致瘤性。

以此項(xiàng)研究為例，它面臨的臨床阻礙可能在致瘤性方面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其轉(zhuǎn)分化效率大約為0.1%、且能夠促進(jìn)大面積傷口的愈合，即能滿足前兩個條件。但在致瘤性方面，黃鵬羽說：“DGTM因子中的兩個基因與細(xì)胞增殖密切相關(guān)。DNP63A和MYC是促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展的基因。這項(xiàng)研究中MYC看起來是有可能剔除的，但仍需要進(jìn)一步尋找能夠替代DNP63A的策略才可能上臨床，或者用大量的實(shí)驗(yàn)證明其安全性。”

目前，科學(xué)家們在神經(jīng)細(xì)胞、肝臟細(xì)胞、心肌細(xì)胞、皮膚細(xì)胞等多個擁有廣闊應(yīng)用前景的組織再生中進(jìn)行著大量的研究。我國在該領(lǐng)域也取得了多項(xiàng)突破性成果，并已經(jīng)在“類肝細(xì)胞”方面走通了從實(shí)驗(yàn)室向臨床試驗(yàn)的路。

相關(guān)資料顯示，中科院上海生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所研究員惠利健團(tuán)隊(duì)在建立了將皮膚成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為肝細(xì)胞的方法基礎(chǔ)上，與多家單位合作，突破“類肝細(xì)胞”體外培養(yǎng)技術(shù)，成功研制出生物人工肝系統(tǒng)，通過制備具備解毒功能的肝樣細(xì)胞，“清潔和營養(yǎng)”從病人體內(nèi)引出的血漿，再回輸入體內(nèi)，治療急性肝衰竭病人。目前已完成10例左右患者的救治。

“這項(xiàng)技術(shù)2011年在《自然》發(fā)表，并獲當(dāng)年‘中國科學(xué)十大進(jìn)展’。直到2014年才能初步實(shí)施。如今仍未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，處于臨床試驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)化落地的‘雙推進(jìn)’階段。”曾參與這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的黃鵬羽表示，在相關(guān)理論明晰后，還需要大量、艱難的優(yōu)化、改進(jìn)工作，才能推向臨床實(shí)驗(yàn)，并最終走向臨床治療應(yīng)用。