細胞重新編程 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，瞬間修復就成為超能力。近日，《自然》發(fā)表了美國等國科學家的一項研究，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。研究人員花費了大量的時間“海選”哪些轉(zhuǎn)錄因子與愈合相關，經(jīng)過多輪篩選才鑒定出4個關鍵轉(zhuǎn)錄因子，將普通皮膚細胞轉(zhuǎn)化成一種“角質(zhì)形成細胞”，促成皮膚“新生”。

“平凡”細胞借助轉(zhuǎn)錄因子“浴火重生”

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

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

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

“兩個細胞之間的基因表達差異是非常大的。”上海科技大學生命科學與技術學院研究員黃鵬羽解釋，可以找到幾千個基因在表達上的不同。

研究團隊將目標放在了轉(zhuǎn)錄因子的不同表達上，“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，進而決定細胞的‘命運’。”黃鵬羽說。

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

“海選”之后是“晉級賽”。對于臨床應用來講，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)入皮膚細胞，看結(jié)果，那些活下來的、轉(zhuǎn)變?yōu)榻琴|(zhì)形成細胞就“跳脫”出來。

這是一場粗獷、角斗式的晉級賽。“平凡”細胞與帶有不同基因的慢病毒載體相遇，隨機把病毒載體“吃”進基因組中，細胞生命活動將經(jīng)歷“風暴”級的震動，“細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險，一個是會不會有細胞存活下來，另一個是對這些細胞進行分析確定28個因子時，相關的實驗技術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胞的角質(zhì)形成細胞。

“減一”法篩選，找到4個“超級因子”

在“重生”細胞中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，有28個轉(zhuǎn)錄因子被“吃”進新細胞的基因組。

“28個轉(zhuǎn)錄因子仍舊太多，團隊利用‘減一’法進行了進一步篩選。”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。

“團隊在實驗過程中應該進行了相關分析，秉持了一些帶有傾向性的指導原則，并有選擇性地進行試驗驗證。”黃鵬羽認為，這不僅考驗著科研水平，也需要科學探索時的運氣成分。

幸運地，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隊相似，但在篩選思路上有針對性地進行了創(chuàng)新。

“這個結(jié)果也在一定程度上反應了團隊的創(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“什么是獨特的”，也就是說，這個細胞里有什么;但目前分離到的4個因子，并不全是該類細胞中的獨特基因，而是在很多細胞中都會高量表達的基因。這也對將來其他轉(zhuǎn)分化技術的開發(fā)有很強的啟發(fā)。

大海撈針地覓到的“超級因子”究竟行不行?團隊在小鼠身上制造潰瘍，并設計了一個“圍墻”巧妙地阻止了其他角質(zhì)形成細胞“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胞，上皮細胞逐漸擴大，可使大面積潰瘍愈合;3到6個月后，新生皮膚細胞在分子、基因和細胞測試中表現(xiàn)得與健康皮膚細胞相同。

讓“細胞超人”上臨床，還需大量工作

通過對細胞實施轉(zhuǎn)分化技術獲得新細胞，進行人體器官修復的嘗試由來已久——

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

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

以此項研究為例，它面臨的臨床阻礙可能在致瘤性方面。實驗結(jié)果表明，其轉(zhuǎn)分化效率大約為0.1%、且能夠促進大面積傷口的愈合，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胞增殖密切相關。DNP63A和MYC是促進腫瘤發(fā)生發(fā)展的基因。這項研究中MYC看起來是有可能剔除的，但仍需要進一步尋找能夠替代DNP63A的策略才可能上臨床，或者用大量的實驗證明其安全性。”

目前，科學家們在神經(jīng)細胞、肝臟細胞、心肌細胞、皮膚細胞等多個擁有廣闊應用前景的組織再生中進行著大量的研究。我國在該領域也取得了多項突破性成果，并已經(jīng)在“類肝細胞”方面走通了從實驗室向臨床試驗的路。

相關資料顯示，中科院上海生物化學與細胞生物學研究所研究員惠利健團隊在建立了將皮膚成纖維細胞誘導轉(zhuǎn)化為肝細胞的方法基礎上，與多家單位合作，突破“類肝細胞”體外培養(yǎng)技術，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。

“這項技術2011年在《自然》發(fā)表，并獲當年‘中國科學十大進展’。直到2014年才能初步實施。如今仍未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，處于臨床試驗和產(chǎn)業(yè)化落地的‘雙推進’階段。”曾參與這項技術研發(fā)的黃鵬羽表示，在相關理論明晰后，還需要大量、艱難的優(yōu)化、改進工作，才能推向臨床實驗，并最終走向臨床治療應用。