發(fā)布日期：2018-03-16
不久前，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）張康教授團隊的研究榮登《細胞》雜志封面，為患者們帶來了一款能準確診斷多種疾病的人工智能算法。近日，張康教授和復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院眼科研究院院長和眼科主任盧奕教授合作再次在頂尖學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表文章——在最新一期的《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》（NEJM）上，盧奕教授與張康教授對近期視網(wǎng)膜細胞重編程用于再生療法的重大進展進行了詳盡的介紹。
▲本研究的作者張康教授（左）與盧奕教授（右）（圖片來源：UCSD / 復(fù)旦大學(xué)）
哺乳動物為何缺乏再生能力？
視網(wǎng)膜對人類的視覺至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計，全世界目前有超過5000萬名患者受不可逆性眼盲癥的困擾，而其中最主要的病因，就是視網(wǎng)膜神經(jīng)元的退化。因此，找到能延緩、甚至是逆轉(zhuǎn)退化進程的方法，也就成了當(dāng)下研究人員們的攻堅方向。
在非脊椎動物里，研究人員們看到了希望——以魚類為例，當(dāng)它們的視網(wǎng)膜受損后，會啟動“去分化”和“細胞重編程”的過程，使內(nèi)源的Müller膠質(zhì)細胞（Müller glia）增殖并分化成多種不同類型的視網(wǎng)膜細胞，重塑視覺。如果能在眼疾患者的體內(nèi)重現(xiàn)這一進程，不就能恢復(fù)他們的視力嗎？沒那么簡單。和魚類相比，哺乳動物的再生能力幾乎為零。想要重現(xiàn)，談何容易？
▲魚類中的實驗結(jié)果，無法簡單在哺乳動物里重復(fù)（圖片來源：By Oregon State University (Zebrafish)）
在魚類里的進一步研究，讓我們對再生能力背后的分子機理有了更深的了解。想要讓Müller膠質(zhì)細胞去分化、重編程為視網(wǎng)膜神經(jīng)元，需要重新激活特定的基因。這和胚胎發(fā)育時，視網(wǎng)膜多能祖細胞發(fā)育成視網(wǎng)膜神經(jīng)元所需要激活的基因相似。
這一發(fā)現(xiàn)給研究人員們帶來了新的啟示。他們發(fā)現(xiàn)在斑馬魚的視網(wǎng)膜受損后，一種叫做Ascl1的轉(zhuǎn)錄因子在Müller膠質(zhì)細胞中的表達水平會上調(diào)，這對于視網(wǎng)膜的再生是必須的。而當(dāng)哺乳動物的視網(wǎng)膜受損后，Ascl1卻不會表達。這是魚類和哺乳動物再生能力區(qū)別的關(guān)鍵嗎？
視網(wǎng)膜再生的突破
為了檢驗這個想法，美國華盛頓大學(xué)的Thomas A. Reh教授團隊通過基因工程的手段，讓小鼠的Müller膠質(zhì)細胞表達Ascl1。這一看似簡單的實驗取得了令人欣喜的效果——無論是在體外實驗還是在體內(nèi)實驗里，Ascl1的表達都能刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞的再生。乍一看來，我們已經(jīng)掌握了在哺乳動物中促進視網(wǎng)膜再生的關(guān)鍵。
但好景不長。研究人員們很快發(fā)現(xiàn)，即便Ascl1處于持續(xù)的過量表達中，這種再生能力依舊會在小鼠出生后的第16天消失。這表明Ascl1并非是視網(wǎng)膜再生的唯一關(guān)鍵要素。而隨著再生能力的下降，Müller膠質(zhì)細胞的染色質(zhì)“可及性”也有所降低，這意味著許多再生所需基因的表達可能得到了抑制，背后則是表觀遺傳上的調(diào)控。
▲該研究的圖示（圖片來源：《NEJM》）
為了克服這一障礙，研究人員們決定雙管齊下，一方面利用遺傳改造的方法，提高Müller膠質(zhì)細胞中的Ascl1表達，另一方面用表觀遺傳學(xué)方法在這些細胞中注射組蛋白脫乙酰酶抑制劑，讓包括Ascl1在內(nèi)的諸多轉(zhuǎn)錄因子能更好地促進下游基因的表達。而結(jié)果也正如研究人員們所料：改進之后，這些Müller膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)變?yōu)橐暰W(wǎng)膜神經(jīng)元的效率有了大幅提高，且分化出的視網(wǎng)膜神經(jīng)元能與現(xiàn)有的神經(jīng)元形成突觸，整合入視網(wǎng)膜的神經(jīng)環(huán)路中，并隨光的刺激產(chǎn)生電勢。換句話說，這些新形成的細胞具有正常生理功能。此項研究最近在《自然》發(fā)表。
盧奕教授與張康教授在綜述中指出這項研究有著重要的直接醫(yī)療價值——一般來說，體內(nèi)的原位細胞重編程相較傳統(tǒng)的干細胞療法，發(fā)生感染或排斥風(fēng)險更低、形成腫瘤的可能也更小。在眼科疾病的治療上，這款再生療法倘若能在人體中得到驗證與推廣，在患者眼中誘導(dǎo)產(chǎn)生感光細胞和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞，那將會是是患者的一大福音。
細胞再生療法的前景
這篇綜述還指出，從廣義上看，細胞再生療法有望以一種巧妙的方式對視網(wǎng)膜色素變性和黃斑變性在內(nèi)的嚴重眼疾進行治療——視網(wǎng)膜色素變性是一類極為多樣性的遺傳病，病因可以追溯到200多個不同基因和上萬個突變。倘若設(shè)計逐一基因治療來修正每個突變基因，即便可行，效率也極低且成本太高。2017年，張康教授團隊在《Cell Research》上發(fā)文，介紹了其最新以一種基因剪輯方法，來治療所有視網(wǎng)膜色素變性病人。研究人員們指出，導(dǎo)致視網(wǎng)膜色素變性的基因突變主要影響視桿細胞，在造成這些細胞退化和失去功能之后，還會進一步影響到視錐細胞，導(dǎo)致視力精確度下降，色彩感知力變差。
有趣的是，人體中的視桿細胞數(shù)量遠多于視錐細胞。據(jù)估計，視網(wǎng)膜里大約有600萬個視錐細胞，而視桿細胞的數(shù)量高達1.2億，是前者的20倍。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，張康教授團隊成功敲除了視桿細胞里的Nrl和Nr2e3基因。作為控制細胞命運的“開關(guān)”，Nrl與它下游的轉(zhuǎn)錄因子Nr2e3能促進視桿細胞的分化與形成。而一旦這些基因不再起作用，視桿細胞就能變成視錐細胞。理論上說，盡管這些細胞內(nèi)依舊帶有導(dǎo)致視網(wǎng)膜色素變性的突變，但由于視錐細胞不易受這些突變的影響，因此可以讓突變“無效化”，從而維持組織功能。而視桿細胞龐大的數(shù)量，也讓細胞類型轉(zhuǎn)變帶來的影響降到了最低。
▲小鼠實驗驗證了這一思路的可行性（圖片來源：《Precision Clinical Medicine》）
動物實驗中，研究人員們用兩種不同的小鼠視網(wǎng)膜色素變性模型驗證了這一思路的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，在CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)的作用下，隨著Nrl和Nr2e3基因的“失活”，大量視桿細胞被重編程為了視錐細胞，且維持了視網(wǎng)膜中應(yīng)有的正常細胞結(jié)構(gòu)。而視網(wǎng)膜電圖測試則進一步表明，小鼠的電生理功能和視力的確得到了明顯的改善。
“原位細胞重編程還有一個好處，就是不需要引入外部細胞。就像給花草移盆容易給植物帶來損傷一樣，外部移入的細胞也不一定能適應(yīng)新的環(huán)境，”張康教授評論道：“但原位細胞重編程技術(shù)不一樣。新轉(zhuǎn)變而來的視錐細胞在自身視網(wǎng)膜里土生土長，對周圍的環(huán)境很適應(yīng)，不會水土不服。”
當(dāng)然，要想讓再生療法走到尋?；颊呱磉?，我們還有不少的路要走。由于人類視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的獨特性，在人類臨床試驗之前，我們還需要在靈長類動物模型中測試這款療法的安全性與有效性?？上驳氖牵瑩?jù)了解，張康教授團隊已在靈長類動物模型中做了試驗，安全性和效果很好。預(yù)計2018年底前進行臨床試驗。2017年，我們迎來了首款CAR-T療法與首款人體內(nèi)基因療法的獲批。我們同樣期待不久后能看到再生療法在眼科取得突破。無論是對于科研人員，還是對于患者，前方充滿光明！
參考資料：
[1] Lu Y and Zhang K, Cellular Reprogramming in the Retina — Seeing the Light. NEJM 2018
[2] Jorstad NL, Wilken MS, Grimes WN, et al. Stimulation of functional neuronal regeneration from
Müller glia in adult mice. Nature 2017;548:103-7
[3] Zhu J, Ming C, Fu X, et al. Gene and mutation independent therapy via CRISPR-Cas9 mediated cellular reprogramming in rod photoreceptors. Cell Res 2017;27:830-3.
來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯
