發(fā)布日期：2018-03-14
當(dāng)嬰兒呱呱墜地、胚胎干細(xì)胞分化為成體細(xì)胞的那一刻，多數(shù)細(xì)胞的功能和命運(yùn)似乎被定格，并開啟了不可逆的時(shí)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(xì)胞，卻以最慘烈的方式昭示著細(xì)胞命運(yùn)的其他可能。隨著克隆技術(shù)和人工誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的出現(xiàn)，改寫細(xì)胞命運(yùn)的傳奇更走入了再生醫(yī)學(xué)和腫瘤研究的聚光燈下。
上海生物化學(xué)和細(xì)胞研究所惠利健博士多年來專注“細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)換”研究，其團(tuán)隊(duì)突破“類肝細(xì)胞”體外培養(yǎng)技術(shù)，將成纖維細(xì)胞成功轉(zhuǎn)分化，并構(gòu)建全新人源性生物人工肝系統(tǒng)。該技術(shù)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物人工肝產(chǎn)業(yè)化，為中國(guó)超過1億乙肝病毒攜帶者、100萬(wàn)重癥肝病患者帶來福音。因此該技術(shù)已被《醫(yī)學(xué)科學(xué)報(bào)》、《中國(guó)科學(xué)報(bào)》等專業(yè)媒體評(píng)為2017中國(guó)十大醫(yī)學(xué)進(jìn)展之一。
惠利健博士于2003年在中科院上海細(xì)胞研究所獲博士學(xué)位，2004-2008年在維也納分子病理學(xué)研究所從事博士后研究，其研究成果“將小鼠成纖維細(xì)胞成功轉(zhuǎn)化為功能性肝細(xì)胞樣細(xì)胞”曾入選科技部2011年中國(guó)十大科學(xué)進(jìn)展，2013年獲得藥明康德生命化學(xué)研究獎(jiǎng)，2014年獲得談家楨生命科學(xué)獎(jiǎng)。
成纖維細(xì)胞華麗轉(zhuǎn)身，構(gòu)建全新生物人工肝
藥明康德：相對(duì)于腎衰患者采用的透析技術(shù)，人工肝系統(tǒng)的研究起步更晚。請(qǐng)您談?wù)勅斯じ蜗到y(tǒng)的分類和技術(shù)特點(diǎn)。
惠利健博士：生物人工肝是體外肝功能支持系統(tǒng)，可促進(jìn)肝衰竭患者自體肝功能恢復(fù)，也能為肝移植病人爭(zhēng)取時(shí)間并等待合適肝源。肝臟代謝功能復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)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(bǔ)充患者缺乏的凝血因子等活性物質(zhì)）等方式。最早的生物人工肝由于缺乏細(xì)胞來源，采用動(dòng)物肝細(xì)胞或者人類的肝腫瘤細(xì)胞來解毒。
當(dāng)代最為先進(jìn)的人工肝研究方向，則是將來源不同的肝細(xì)胞與非生物性裝置結(jié)合：包括高活性肝細(xì)胞、生物反應(yīng)器、體外循環(huán)系統(tǒng)。目前生物人工肝中采用的細(xì)胞包括：原代人肝細(xì)胞、永生性肝細(xì)胞（比如肝癌細(xì)胞）、干細(xì)胞（包括胚胎干細(xì)胞、人工誘導(dǎo)多能干細(xì)胞等）分化的肝細(xì)胞、動(dòng)物肝細(xì)胞、肝臟前體細(xì)胞等等。不同來源的細(xì)胞都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，比如培養(yǎng)的穩(wěn)定性、成瘤風(fēng)險(xiǎn)、異體細(xì)胞排異和疾病傳染風(fēng)險(xiǎn)等等。
哺乳動(dòng)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(xì)胞一旦離開生物體內(nèi)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(jià)比、高功能、可傳代的肝細(xì)胞，是研究者面臨的最大挑戰(zhàn)。
▲惠利健博士團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Cell Stem Cell》雜志的論文，描述人體成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為hiHep細(xì)胞的過程
藥明康德：那么應(yīng)對(duì)這樣的體戰(zhàn)，您的團(tuán)隊(duì)選擇了哪種細(xì)胞作為原料？最新人工肝產(chǎn)品上市是否有一個(gè)時(shí)間表？
惠利健博士：成纖維細(xì)胞也被稱作纖維母細(xì)胞，是組織損傷修復(fù)的重要生力軍；損傷修復(fù)完畢會(huì)變?yōu)槌墒炖w維細(xì)胞，而纖維細(xì)胞遇到其他損傷又會(huì)退回至成纖維細(xì)胞。所以我們選擇了這種功能性活動(dòng)旺盛的細(xì)胞系，最早利用數(shù)種轉(zhuǎn)錄因子和失活基因，將小鼠尾部成纖維細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化為功能性肝細(xì)胞樣細(xì)胞（iHep）。iHep細(xì)胞具有和肝臟細(xì)胞類似的上皮細(xì)胞形態(tài)、基因表達(dá)譜，并獲得了肝臟細(xì)胞的功能，包括肝糖原積累、乙?；兔芏戎鞍邹D(zhuǎn)運(yùn)、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(xì)胞移植取得了較大存活率。
之后我們將成纖維細(xì)胞的改造研究不斷深入，從小鼠細(xì)胞拓展到人細(xì)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(xì)胞，直接改造為具有肝臟代謝功能的肝細(xì)胞（hiHep）。在此基礎(chǔ)上我們通過與其他學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和醫(yī)院合作，將大規(guī)模擴(kuò)增的hiHep細(xì)胞與生物人工肝系統(tǒng)結(jié)合，并提升了hiHep功能，終于證明細(xì)胞轉(zhuǎn)分化已經(jīng)成功構(gòu)建了新一代生物人工肝系統(tǒng)。
▲惠利健博士團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Cell Research》雜志的論文指出，hiHep細(xì)胞在體外擴(kuò)增、優(yōu)化趨勢(shì)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(nèi)科治療無(wú)明顯好轉(zhuǎn)，在接受hiHep生物人工肝治療后，患者各項(xiàng)肝功能指標(biāo)恢復(fù)良好，度過危險(xiǎn)期。該專利已轉(zhuǎn)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(gè)項(xiàng)目從基礎(chǔ)科研到臨床轉(zhuǎn)化是一個(gè)很好的案例，我希望在微知卓生物科技能在3-5年之內(nèi)將該療法推向市場(chǎng)。
重編程&轉(zhuǎn)分化：改寫細(xì)胞命運(yùn)的兩生花
藥明康德：從成纖維細(xì)胞到肝臟細(xì)胞的轉(zhuǎn)變過程中，細(xì)胞命運(yùn)的改寫至關(guān)重要。請(qǐng)您介紹一下改變細(xì)胞命運(yùn)的主要原理。
惠利健博士：受精卵分裂至桑椹胚階段，每個(gè)細(xì)胞都可獨(dú)立發(fā)育為完整生物體，屬于全能干細(xì)胞。之后胚胎細(xì)胞的全能性逐漸衰減為多能干細(xì)胞。胎兒離開母腹之后，嬰兒體內(nèi)只含有少量的專能干細(xì)胞；這些成體干細(xì)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(hào)的刺激情況下，才會(huì)被激活并分裂出新生體細(xì)胞。而其他處于終末分化期的體細(xì)胞，則受到細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路、表觀遺傳、以及細(xì)胞外微環(huán)境的嚴(yán)格調(diào)控，維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的類型和狀態(tài)。只有在遇到嚴(yán)重?fù)p傷或致癌物質(zhì)刺激時(shí)，體細(xì)胞才會(huì)出現(xiàn)化生、癌變等細(xì)胞命運(yùn)的轉(zhuǎn)變事件。
然而從上世紀(jì)末以來，細(xì)胞命運(yùn)被改寫出現(xiàn)了兩種方法。第一種是細(xì)胞重編程（reprogramming）?？寺〖夹g(shù)通過融合體細(xì)胞核與去核卵細(xì)胞實(shí)現(xiàn)，在此過程中體細(xì)胞核的表觀遺傳模式被徹底改變，原先作為終末分化細(xì)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(xì)胞全能性。而日本學(xué)者山中伸彌團(tuán)隊(duì)則實(shí)現(xiàn)了另外一種細(xì)胞重編程途徑，他們通過向細(xì)胞注入轉(zhuǎn)錄因子，將普通人類皮膚細(xì)胞誘導(dǎo)回胚胎干細(xì)胞的狀態(tài)（induced pluripotent stem cells，iPS cells），并由此證明普通體細(xì)胞通過重編程可具備細(xì)胞多能性。
▲兩種細(xì)胞重編程技術(shù)成果：上圖為克隆羊（圖片來源：維基百科）；下圖為山中伸彌團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的ips細(xì)胞（圖片來源：《Nature Medicine》雜志）
這些技術(shù)流程較為復(fù)雜，相當(dāng)于把每個(gè)普通細(xì)胞都變成特種兵，還可能導(dǎo)致成本高昂和倫理風(fēng)險(xiǎn)，所以我希望在細(xì)胞重編程之外探索更加特色鮮明、高性價(jià)比的細(xì)胞轉(zhuǎn)分化方法（trans-differentiation）。作為另一種改寫細(xì)胞命運(yùn)的方法，細(xì)胞轉(zhuǎn)分化是將成熟體細(xì)胞直接誘導(dǎo)為執(zhí)行其他功能的體細(xì)胞，即使某些間接轉(zhuǎn)分化技術(shù)會(huì)使體細(xì)胞退回到可塑的中間狀態(tài)，但是并沒有達(dá)到構(gòu)建多能干細(xì)胞的階段。我們團(tuán)隊(duì)的細(xì)胞轉(zhuǎn)分化主要依靠過表達(dá)相應(yīng)譜系的特異性轉(zhuǎn)錄因子注入；現(xiàn)在還有其他學(xué)者通過某些大分子蛋白或者化學(xué)小分子直接刺激細(xì)胞改變。
藥明康德：您的團(tuán)隊(duì)成功在體外誘導(dǎo)了功能肝細(xì)胞，那么這種人工培養(yǎng)而成的肝臟細(xì)胞，是否會(huì)最終應(yīng)用于器官修復(fù)和移植？
惠利健博士：相對(duì)而言，hiHep用于體外人工肝系統(tǒng)的構(gòu)建所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)比較小。然而，將體外培養(yǎng)的肝臟細(xì)胞移植入病人體內(nèi)，都存在免疫排斥和成瘤風(fēng)險(xiǎn)。因此我們下一步的研究方向并非器官和細(xì)胞植入，而是直接在肝臟損傷患者內(nèi)部，高效誘導(dǎo)出足夠的新生肝臟細(xì)胞。
與壁虎、蠑螈、蚯蚓等低等動(dòng)物相比，人類體內(nèi)天然干細(xì)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(duì)較強(qiáng)的肝臟，遇到重大損傷后的修復(fù)能力也無(wú)法滿足病人需要。而如果利用我們之前采用的細(xì)胞轉(zhuǎn)分化方式，在人體內(nèi)部將普通成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)為肝臟細(xì)胞，難度也很大。所以我們希望利用并強(qiáng)化另一種人體內(nèi)部的損傷修復(fù)模式——細(xì)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(xì)胞，在局部損傷、病理刺激下，有可能轉(zhuǎn)變成另一種成熟組織細(xì)胞。
▲兩棲綱動(dòng)物蠑螈具有完美的細(xì)胞再生能力，傷口愈合后無(wú)疤痕（圖片來源：Pixabay）
化生是一種可逆適應(yīng)現(xiàn)象，只存在于功能相似的組織細(xì)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(shí)質(zhì)肝細(xì)胞，還包括膽管細(xì)胞、血液細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞等。目前我們的合作者和我們發(fā)現(xiàn)在嚴(yán)重?fù)p傷的情況下，會(huì)出現(xiàn)膽管等其他細(xì)胞向肝細(xì)胞轉(zhuǎn)化的化生現(xiàn)象。我們希望調(diào)動(dòng)并加強(qiáng)人體消化系統(tǒng)內(nèi)部的細(xì)胞可塑性，同時(shí)將化生現(xiàn)象控制在對(duì)身體有益的范圍之內(nèi)。最近我們有一些不錯(cuò)的發(fā)現(xiàn)，希望在取得進(jìn)一步成果之后，還能夠?qū)⒏闻K這個(gè)模式系統(tǒng)推廣到其他疾病的研究。
逆轉(zhuǎn)癌變細(xì)胞基因：細(xì)胞轉(zhuǎn)分化的未來猜想
藥明康德：改寫細(xì)胞命運(yùn)是細(xì)胞生物學(xué)一個(gè)非常前沿且神奇的研究領(lǐng)域。除了再生醫(yī)學(xué)之外，該研究方法是否有可能最終應(yīng)用于癌癥治療？
惠利健博士：這是一個(gè)非常好的想法。隨著科學(xué)的不斷進(jìn)展，前輩留給我們思考的問題會(huì)越來越細(xì)節(jié)。手術(shù)、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(zhì)子重離子療法等等。那么如何在基因和細(xì)胞療法上找到新突破？
早在國(guó)內(nèi)攻讀研究生課程時(shí)，我的導(dǎo)師胡賡熙在國(guó)內(nèi)最早利用微陣列技術(shù)（cDNA array），研究肝癌細(xì)胞的特異性基因。當(dāng)時(shí)我們就發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞與胚胎細(xì)胞的形狀有很大類似性。事實(shí)上，組織損傷和其他病理刺激之所以會(huì)刺激細(xì)胞基因突變和癌化，正是源于正常細(xì)胞命運(yùn)的改變。目前學(xué)者利用重編程和轉(zhuǎn)分化技術(shù)，可以改變正常細(xì)胞基因組的表達(dá)，主要應(yīng)用方向仍是器官移植和體外仿生器官系統(tǒng)的構(gòu)建。但改寫細(xì)胞命運(yùn)的另外一個(gè)方向，就是將癌細(xì)胞中的異?；蚋脑?，使之退行恢復(fù)為正常細(xì)胞，或進(jìn)行分化為成熟細(xì)胞；如果有一天這個(gè)研究方向能夠誕生重要成果，無(wú)疑是癌癥患者的福音。
▲cDNA array技術(shù)（圖片來源：維基百科）
藥明康德：您說到科學(xué)界留給后人的研究空間或越來越細(xì)致，這無(wú)疑給年輕學(xué)者帶來了許多壓力。平衡科研工作中的壓力與動(dòng)力，您有哪些重要的心得感觸？
惠利健博士：我覺得當(dāng)年自己比較幸運(yùn)，因?yàn)樵诰S也納進(jìn)行博士后訓(xùn)練時(shí)，獎(jiǎng)學(xué)金資助的范圍既包括研究階段，也包括博士后訓(xùn)練之后的實(shí)驗(yàn)室管理培訓(xùn)。從博士后成長(zhǎng)為課題組長(zhǎng)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?yàn)閯傋叱鲂@的年輕課題組長(zhǎng)有很多挑戰(zhàn)。
我深深受益于在國(guó)外接受的拓展訓(xùn)練，所以也希望把這種經(jīng)驗(yàn)復(fù)制到中國(guó)，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(nèi)，我和中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)會(huì)的其他同仁組織了多屆“黃浦”培訓(xùn)班的工作，面向全國(guó)生命科學(xué)領(lǐng)域的課題組長(zhǎng)，向大家介紹管理經(jīng)驗(yàn)、基金申請(qǐng)流程、論文發(fā)表指南、心理學(xué)課程等等。同時(shí)，我們也會(huì)邀請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的課題組長(zhǎng)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(guó)情懷”的引導(dǎo)。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(fù)，加上優(yōu)秀的專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)，才能為科研生涯保駕護(hù)航。
來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯
