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细胞重新编程 挖出皮肤愈合“超能力”

2018-09-18 09:59 来源:科技日报

  《超人》里有个经常被效仿的经典情节,超人伪装成凡人克拉克·肯特,在被火烧到后,烧伤的伤口会瞬间愈合,险些让他的朋友识破他就是超人。

  划了个小创口,皮肤愈合稀松平常,但如果创口过大,瞬间修复就成为超能力。近日,《自然》发表了美国等国科学家的一项研究,挖掘出皮肤愈合的“超能力”:通过病毒载体,将特定的转录因子(一种调控基因)转入小鼠创口细胞,发现原本不能愈合的伤口迅速愈合了。研究人员花费了大量的时间“海选”哪些转录因子与愈合相关,经过多轮筛选才鉴定出4个关键转录因子,将普通皮肤细胞转化成一种“角质形成细胞”,促成皮肤“新生”。

  “平凡”细胞借助转录因子“浴火重生”

  作为身体最大的防护器官,皮肤的外观看似“城墙”,但这座城墙在内部是涌动的,不同类的细胞在不同层间迁移,例如,角质形成细胞从邻近表皮迁移到伤口以促进再上皮化,变成“新生力量”修复受损的皮肤。

  一类被称为“角质形成细胞”的细胞是实现新生的那块“砖”,哪里创伤哪里搬。皮肤细胞群中的这类“非凡”细胞能够促成皮肤新生,那么让不愈伤口处的“平凡”细胞转化为“非凡”细胞,可不可以解决问题呢?

  “非凡”和“平凡”的不同由细胞内部的基因表达决定。为此,研究团队对人角质形成细胞和人皮肤成纤维细胞进行了基因表达谱的比较。通过RNA测序等技术,分析两个细胞在基因表达上究竟有什么样的不同。

  “两个细胞之间的基因表达差异是非常大的。”上海科技大学生命科学与技术学院研究员黄鹏羽解释,可以找到几千个基因在表达上的不同。

  研究团队将目标放在了转录因子的不同表达上,“转录因子是一类调控基因,往往调控着几百个功能基因的表达,进而决定细胞的‘命运’。”黄鹏羽说。

  论文显示,以“平凡”细胞为比照,团队根据表达量分析、上游启动子分析等因素在“非凡”细胞的大量不同中鉴定出了55个转录因子和31个微小RNA,它们在两个细胞中的表达差异非常显著,其中很可能包含了细胞之所以成为角质形成细胞的决定因素。

  “海选”之后是“晋级赛”。对于临床应用来讲,86个因素太多,将初筛的因子缩小范围才有可能落地应用。“研究选用的方法有创新性。”黄鹏羽解释,他们把所有的因素一起转入皮肤细胞,看结果,那些活下来的、转变为角质形成细胞就“跳脱”出来。

  这是一场粗犷、角斗式的晋级赛。“平凡”细胞与带有不同基因的慢病毒载体相遇,随机把病毒载体“吃”进基因组中,细胞生命活动将经历“风暴”级的震动,“细胞在这个过程中会发生各种各样的转变,甚至死亡。”黄鹏羽说。

  “这个筛选方法存在很大风险,一个是会不会有细胞存活下来,另一个是对这些细胞进行分析确定28个因子时,相关的实验技术可能存在假阴性的现象。”黄鹏羽说,这也是此类研究探索经常经年没有突破、需要有“坐冷板凳”的恒心和精神的原因。

  少量的“平凡”细胞借助外来转录因子的力量“浴火重生”,历练成为能变成新鲜上皮细胞的角质形成细胞。

  “减一”法筛选,找到4个“超级因子”

  在“重生”细胞中,研究团队发现,有28个转录因子被“吃”进新细胞的基因组。

  “28个转录因子仍旧太多,团队利用‘减一’法进行了进一步筛选。”黄鹏羽说,目的是要聚焦究竟哪些因子是不可或缺的,哪些又是可有可无的。

  严格的“减一”法意味着难以想象的工作量。黄鹏羽举例道,28个因子,依次减少一个,加上对照组第一轮要做29组转化,第二轮做28个……以此类推,每个转化顺利的话需要4—5个星期才能完成,二十几轮全部做完算下来起码需要三年的时间才能完成。

  “团队在实验过程中应该进行了相关分析,秉持了一些带有倾向性的指导原则,并有选择性地进行试验验证。”黄鹏羽认为,这不仅考验着科研水平,也需要科学探索时的运气成分。

  幸运地,28个转录因子在相对短的时间内被削减到4个,它们分别为:DNP63A、GRHL2、TFAP2A和MYC(简称DGTM因子)。研究最后使用的方法与2012年诺贝尔奖获得者山中伸弥团队相似,但在筛选思路上有针对性地进行了创新。

  “这个结果也在一定程度上反应了团队的创新性思路。”黄鹏羽解释,正常情况下,研究人员会着力去筛选出“什么是独特的”,也就是说,这个细胞里有什么;但目前分离到的4个因子,并不全是该类细胞中的独特基因,而是在很多细胞中都会高量表达的基因。这也对将来其他转分化技术的开发有很强的启发。

  大海捞针地觅到的“超级因子”究竟行不行?团队在小鼠身上制造溃疡,并设计了一个“围墙”巧妙地阻止了其他角质形成细胞“打支援”。在这样一个无法愈合的创口上,用这4个决定性因子局部治疗小鼠皮肤溃疡时,18天内生长出健康的上皮细胞,上皮细胞逐渐扩大,可使大面积溃疡愈合;3到6个月后,新生皮肤细胞在分子、基因和细胞测试中表现得与健康皮肤细胞相同。

  让“细胞超人”上临床,还需大量工作

  通过对细胞实施转分化技术获得新细胞,进行人体器官修复的尝试由来已久——

  早在40年前,就有学者尝试通过表达1个转录因子,使得成纤维细胞转变为肌细胞;著名的iPS细胞(诱导性多能干细胞)也是通过对基因表达的控制,将已经分化的细胞“返老还童”为干细胞,进而获得发育为一个器官或者一个生命个体的能力。

  “目前进入临床试验的并不多。”黄鹏羽介绍,转分化获得的“细胞超人”需满足3个基本要求才会被视为有应用前景:一是转化效率足够高,二是获得细胞的功能足够好,三是足够安全不能有致瘤性。

  以此项研究为例,它面临的临床阻碍可能在致瘤性方面。实验结果表明,其转分化效率大约为0.1%、且能够促进大面积伤口的愈合,即能满足前两个条件。但在致瘤性方面,黄鹏羽说:“DGTM因子中的两个基因与细胞增殖密切相关。DNP63A和MYC是促进肿瘤发生发展的基因。这项研究中MYC看起来是有可能剔除的,但仍需要进一步寻找能够替代DNP63A的策略才可能上临床,或者用大量的实验证明其安全性。”

  目前,科学家们在神经细胞、肝脏细胞、心肌细胞、皮肤细胞等多个拥有广阔应用前景的组织再生中进行着大量的研究。我国在该领域也取得了多项突破性成果,并已经在“类肝细胞”方面走通了从实验室向临床试验的路。

  相关资料显示,中科院上海生物化学与细胞生物学研究所研究员惠利健团队在建立了将皮肤成纤维细胞诱导转化为肝细胞的方法基础上,与多家单位合作,突破“类肝细胞”体外培养技术,成功研制出生物人工肝系统,通过制备具备解毒功能的肝样细胞,“清洁和营养”从病人体内引出的血浆,再回输入体内,治疗急性肝衰竭病人。目前已完成10例左右患者的救治。

  “这项技术2011年在《自然》发表,并获当年‘中国科学十大进展’。直到2014年才能初步实施。如今仍未实现产业化,处于临床试验和产业化落地的‘双推进’阶段。”曾参与这项技术研发的黄鹏羽表示,在相关理论明晰后,还需要大量、艰难的优化、改进工作,才能推向临床实验,并最终走向临床治疗应用。

(责任编辑:王蔚)

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