發(fā)布日期：2018-03-14

　　當嬰兒呱呱墜地、胚胎干細胞分化為成體細胞的那一刻，多數(shù)細胞的功能和命運似乎被定格，并開啟了不可逆的時鐘發(fā)條。然而腫瘤組織中層出不窮的基因突變和永生化癌細胞，卻以最慘烈的方式昭示著細胞命運的其他可能。隨著克隆技術和人工誘導多能干細胞的出現(xiàn)，改寫細胞命運的傳奇更走入了再生醫(yī)學和腫瘤研究的聚光燈下。

　　上海生物化學和細胞研究所惠利健博士多年來專注“細胞命運轉換”研究，其團隊突破“類肝細胞”體外培養(yǎng)技術，將成纖維細胞成功轉分化，并構建全新人源性生物人工肝系統(tǒng)。該技術臨床研發(fā)生產(chǎn)線已在上海嘉定區(qū)建成，有望在3-5年時間內實現(xiàn)生物人工肝產(chǎn)業(yè)化，為中國超過1億乙肝病毒攜帶者、100萬重癥肝病患者帶來福音。因此該技術已被《醫(yī)學科學報》、《中國科學報》等專業(yè)媒體評為2017中國十大醫(yī)學進展之一。

　　惠利健博士于2003年在中科院上海細胞研究所獲博士學位，2004-2008年在維也納分子病理學研究所從事博士后研究，其研究成果“將小鼠成纖維細胞成功轉化為功能性肝細胞樣細胞”曾入選科技部2011年中國十大科學進展，2013年獲得藥明康德生命化學研究獎，2014年獲得談家楨生命科學獎。

　　成纖維細胞華麗轉身，構建全新生物人工肝

　　藥明康德：相對于腎衰患者采用的透析技術，人工肝系統(tǒng)的研究起步更晚。請您談談人工肝系統(tǒng)的分類和技術特點。

　　惠利健博士：生物人工肝是體外肝功能支持系統(tǒng)，可促進肝衰竭患者自體肝功能恢復，也能為肝移植病人爭取時間并等待合適肝源。肝臟代謝功能復雜性遠遠超越腎臟，早期物理性和生物性人工肝研究都起步于上世紀50年代。純物理性人工肝裝置，采取血液過濾、血液透析過濾、血漿灌流、血漿置換（透析并補充患者缺乏的凝血因子等活性物質）等方式。最早的生物人工肝由于缺乏細胞來源，采用動物肝細胞或者人類的肝腫瘤細胞來解毒。

　　當代最為先進的人工肝研究方向，則是將來源不同的肝細胞與非生物性裝置結合：包括高活性肝細胞、生物反應器、體外循環(huán)系統(tǒng)。目前生物人工肝中采用的細胞包括：原代人肝細胞、永生性肝細胞（比如肝癌細胞）、干細胞（包括胚胎干細胞、人工誘導多能干細胞等）分化的肝細胞、動物肝細胞、肝臟前體細胞等等。不同來源的細胞都有自己的優(yōu)勢和劣勢，比如培養(yǎng)的穩(wěn)定性、成瘤風險、異體細胞排異和疾病傳染風險等等。

　　哺乳動物肝臟在受損或切割后的自我再生能力，常常讓人感嘆大自然的神奇。然而原代肝細胞一旦離開生物體內環(huán)境，則培養(yǎng)困難且很容出現(xiàn)功能衰減，可能在離體2-3天后就發(fā)生形狀變化。因此如何持續(xù)培養(yǎng)出高性價比、高功能、可傳代的肝細胞，是研究者面臨的最大挑戰(zhàn)。

▲惠利健博士團隊發(fā)表在《Cell Stem Cell》雜志的論文，描述人體成纖維細胞轉分化為hiHep細胞的過程

　　藥明康德：那么應對這樣的體戰(zhàn)，您的團隊選擇了哪種細胞作為原料？最新人工肝產(chǎn)品上市是否有一個時間表？

　　惠利健博士：成纖維細胞也被稱作纖維母細胞，是組織損傷修復的重要生力軍；損傷修復完畢會變?yōu)槌墒炖w維細胞，而纖維細胞遇到其他損傷又會退回至成纖維細胞。所以我們選擇了這種功能性活動旺盛的細胞系，最早利用數(shù)種轉錄因子和失活基因，將小鼠尾部成纖維細胞直接轉化為功能性肝細胞樣細胞（iHep）。iHep細胞具有和肝臟細胞類似的上皮細胞形態(tài)、基因表達譜，并獲得了肝臟細胞的功能，包括肝糖原積累、乙酰化低密度脂蛋白轉運、藥物代謝、吲哚綠吸收等等。在酪氨酸代謝缺陷的肝病小鼠層面，iHep細胞移植取得了較大存活率。

　　之后我們將成纖維細胞的改造研究不斷深入，從小鼠細胞拓展到人細胞。我們利用來自于人體脂肪、皮膚、骨骼或者臍帶里的成纖維細胞，直接改造為具有肝臟代謝功能的肝細胞（hiHep）。在此基礎上我們通過與其他學術機構和醫(yī)院合作，將大規(guī)模擴增的hiHep細胞與生物人工肝系統(tǒng)結合，并提升了hiHep功能，終于證明細胞轉分化已經(jīng)成功構建了新一代生物人工肝系統(tǒng)。

▲惠利健博士團隊發(fā)表在《Cell Research》雜志的論文指出，hiHep細胞在體外擴增、優(yōu)化趨勢良好

　　該系統(tǒng)目前已經(jīng)完成了一些臨床研究，第一位受試者是有40年乙肝病史且近期出現(xiàn)肝衰的病人。患者前期接受各種內科治療無明顯好轉，在接受hiHep生物人工肝治療后，患者各項肝功能指標恢復良好，度過危險期。該專利已轉讓給位于嘉定的微知卓生物科技，目前正處在臨床研究和產(chǎn)品參數(shù)定型的階段。這個項目從基礎科研到臨床轉化是一個很好的案例，我希望在微知卓生物科技能在3-5年之內將該療法推向市場。

　　重編程&轉分化：改寫細胞命運的兩生花

　　藥明康德：從成纖維細胞到肝臟細胞的轉變過程中，細胞命運的改寫至關重要。請您介紹一下改變細胞命運的主要原理。

　　惠利健博士：受精卵分裂至桑椹胚階段，每個細胞都可獨立發(fā)育為完整生物體，屬于全能干細胞。之后胚胎細胞的全能性逐漸衰減為多能干細胞。胎兒離開母腹之后，嬰兒體內只含有少量的專能干細胞；這些成體干細胞在正常生理狀態(tài)下處于休眠狀態(tài)，只有在身體損傷等外界信號的刺激情況下，才會被激活并分裂出新生體細胞。而其他處于終末分化期的體細胞，則受到細胞內信號通路、表觀遺傳、以及細胞外微環(huán)境的嚴格調控，維持在一個相對穩(wěn)定的類型和狀態(tài)。只有在遇到嚴重損傷或致癌物質刺激時，體細胞才會出現(xiàn)化生、癌變等細胞命運的轉變事件。

　　然而從上世紀末以來，細胞命運被改寫出現(xiàn)了兩種方法。第一種是細胞重編程（reprogramming）。克隆技術通過融合體細胞核與去核卵細胞實現(xiàn)，在此過程中體細胞核的表觀遺傳模式被徹底改變，原先作為終末分化細胞核的分裂次數(shù)也被清零，最終產(chǎn)生了可發(fā)育為完整生物體的細胞全能性。而日本學者山中伸彌團隊則實現(xiàn)了另外一種細胞重編程途徑，他們通過向細胞注入轉錄因子，將普通人類皮膚細胞誘導回胚胎干細胞的狀態(tài)（induced pluripotent stem cells，iPS cells），并由此證明普通體細胞通過重編程可具備細胞多能性。

▲兩種細胞重編程技術成果：上圖為克隆羊（圖片來源：維基百科）；下圖為山中伸彌團隊培養(yǎng)的ips細胞（圖片來源：《Nature Medicine》雜志）

　　這些技術流程較為復雜，相當于把每個普通細胞都變成特種兵，還可能導致成本高昂和倫理風險，所以我希望在細胞重編程之外探索更加特色鮮明、高性價比的細胞轉分化方法（trans-differentiation）。作為另一種改寫細胞命運的方法，細胞轉分化是將成熟體細胞直接誘導為執(zhí)行其他功能的體細胞，即使某些間接轉分化技術會使體細胞退回到可塑的中間狀態(tài)，但是并沒有達到構建多能干細胞的階段。我們團隊的細胞轉分化主要依靠過表達相應譜系的特異性轉錄因子注入；現(xiàn)在還有其他學者通過某些大分子蛋白或者化學小分子直接刺激細胞改變。

　　藥明康德：您的團隊成功在體外誘導了功能肝細胞，那么這種人工培養(yǎng)而成的肝臟細胞，是否會最終應用于器官修復和移植？

　　惠利健博士：相對而言，hiHep用于體外人工肝系統(tǒng)的構建所導致的風險比較小。然而，將體外培養(yǎng)的肝臟細胞移植入病人體內，都存在免疫排斥和成瘤風險。因此我們下一步的研究方向并非器官和細胞植入，而是直接在肝臟損傷患者內部，高效誘導出足夠的新生肝臟細胞。

　　與壁虎、蠑螈、蚯蚓等低等動物相比，人類體內天然干細胞數(shù)量和再生速度都相形見絀；所以即使是再生能力相對較強的肝臟，遇到重大損傷后的修復能力也無法滿足病人需要。而如果利用我們之前采用的細胞轉分化方式，在人體內部將普通成纖維細胞誘導為肝臟細胞，難度也很大。所以我們希望利用并強化另一種人體內部的損傷修復模式——細胞化生現(xiàn)象（metaplasia），即成熟組織中仍具有分裂能力、接近終末分化期的體細胞，在局部損傷、病理刺激下，有可能轉變成另一種成熟組織細胞。

▲兩棲綱動物蠑螈具有完美的細胞再生能力，傷口愈合后無疤痕（圖片來源：Pixabay）

　　化生是一種可逆適應現(xiàn)象，只存在于功能相似的組織細胞之間，常見化生現(xiàn)象發(fā)生于上皮、軟骨、漿膜、脂肪和骨髓等組織。肝臟除了實質肝細胞，還包括膽管細胞、血液細胞和基質細胞等。目前我們的合作者和我們發(fā)現(xiàn)在嚴重損傷的情況下，會出現(xiàn)膽管等其他細胞向肝細胞轉化的化生現(xiàn)象。我們希望調動并加強人體消化系統(tǒng)內部的細胞可塑性，同時將化生現(xiàn)象控制在對身體有益的范圍之內。最近我們有一些不錯的發(fā)現(xiàn)，希望在取得進一步成果之后，還能夠將肝臟這個模式系統(tǒng)推廣到其他疾病的研究。

　　逆轉癌變細胞基因：細胞轉分化的未來猜想

　　藥明康德：改寫細胞命運是細胞生物學一個非常前沿且神奇的研究領域。除了再生醫(yī)學之外，該研究方法是否有可能最終應用于癌癥治療？

　　惠利健博士：這是一個非常好的想法。隨著科學的不斷進展，前輩留給我們思考的問題會越來越細節(jié)。手術、放療等傳統(tǒng)療法之外的創(chuàng)新抗癌方式，包括靶向小分子藥物、抗體藥物、溶瘤病毒、抗癌疫苗、質子重離子療法等等。那么如何在基因和細胞療法上找到新突破？

　　早在國內攻讀研究生課程時，我的導師胡賡熙在國內最早利用微陣列技術（cDNA array），研究肝癌細胞的特異性基因。當時我們就發(fā)現(xiàn)癌細胞與胚胎細胞的形狀有很大類似性。事實上，組織損傷和其他病理刺激之所以會刺激細胞基因突變和癌化，正是源于正常細胞命運的改變。目前學者利用重編程和轉分化技術，可以改變正常細胞基因組的表達，主要應用方向仍是器官移植和體外仿生器官系統(tǒng)的構建。但改寫細胞命運的另外一個方向，就是將癌細胞中的異常基因改造，使之退行恢復為正常細胞，或進行分化為成熟細胞；如果有一天這個研究方向能夠誕生重要成果，無疑是癌癥患者的福音。

▲cDNA array技術（圖片來源：維基百科）

　　藥明康德：您說到科學界留給后人的研究空間或越來越細致，這無疑給年輕學者帶來了許多壓力。平衡科研工作中的壓力與動力，您有哪些重要的心得感觸？

　　惠利健博士：我覺得當年自己比較幸運，因為在維也納進行博士后訓練時，獎學金資助的范圍既包括研究階段，也包括博士后訓練之后的實驗室管理培訓。從博士后成長為課題組長的過程中，囊括多種綜合能力和信息的拓展課程非常重要，因為剛走出校園的年輕課題組長有很多挑戰(zhàn)。

　　我深深受益于在國外接受的拓展訓練，所以也希望把這種經(jīng)驗復制到中國，希望廣大同仁能夠保持積極良好的工作心態(tài)。過去三、四年之內，我和中國細胞生物學會的其他同仁組織了多屆“黃浦”培訓班的工作，面向全國生命科學領域的課題組長，向大家介紹管理經(jīng)驗、基金申請流程、論文發(fā)表指南、心理學課程等等。同時，我們也會邀請有經(jīng)驗的課題組長甚至院士，一方面回顧他們的科研歷程，展望未來發(fā)展方向，另一方面，也給年輕PI帶來一些“家國情懷”的引導。不論從事何種工作，挑戰(zhàn)與失敗都難以避免，只有具有了真正的理想抱負，加上優(yōu)秀的專業(yè)素質和心理素質，才能為科研生涯保駕護航。

來源：學術經(jīng)緯