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人类再生医学大门打开?北大邓宏魁:精细调控人类细胞命运

作者:admin 时间:2022-05-25 17:43

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  澎湃新闻首席记者 贺梨萍

  一颗石子从山顶滚落山脚,若没有外界助力,它的轨迹就此而终。细胞的命运同样如此,从年轻走向衰老,如何逆转这一“生命时钟”,是科学界和医学界的长期难题。

  2012年,时年79岁的英国科学家约翰?戈登(John Gurdon)和50岁的日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)获得诺贝尔生理学或医学奖。他们的重大贡献在于从理论上颠覆了人们对自然发育分化的传统观念,即认为干细胞分化为体细胞是不可逆的过程。

  两位科学家分别开发了体细胞核移植和转录因子表达的方法,使得动物体细胞可以通过重编程逆转为胚胎发育早期状态,重新获得“多潜能性”。北京大学博雅讲席教授、干细胞研究中心主任邓宏魁一直在寻找上述两种方法之外的第三种方法??化学重编程。

  “我们一直在追求一种更加简单、精准和可控的方法,不涉及任何复杂操作,仅仅在细胞培养基中添加一些特定的外源化学小分子,就能控制细胞的特性,甚至逆转发育特征。”邓宏魁在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者专访时表示,w66利来最给力的老牌,这种“最简单”的操控细胞命运的方式,却可以带来质的飞跃。

  邓宏魁团队在细胞重编程和干细胞研究领域深耕了十几年。此前的2013年,其团队在顶级学术期刊《科学》(Science)发表了一项原创性的研究成果,即不依赖细胞内源物质,仅使用外源性化学小分子就可以逆转细胞命运,将小鼠的体细胞重编程为多潜能干细胞(CiPS细胞)。将类似的方法推衍到人类细胞上,他们又整整走了9年时间。

  “当时我们想法比较简单,老鼠做成了,那人是不是就很容易做了?但这比我想象要难的多。”邓宏魁将各物种细胞的稳态比作跳高,进化程度越高,克服其稳态的难度也更高一截,这也是此前克隆蛙、克隆羊、克隆猴的问世都分别相差了几十年的原因。

  北京时间4月13日深夜,邓宏魁团队这项历经9年的研究成果最终发表在顶级学术期刊《自然》(Nature),题为“化学重编程人类成体细胞为多能干细胞”( Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells)。他们首次报道了使用化学重编程的方法,成功实现了使用化学小分子将人成体细胞诱导为多潜能干细胞(人CiPS细胞)。这一由国内团队自主研发的技术,开辟了人多潜能干细胞制备的全新途径,使其向临床应用迈进了一大步。

  “进一步打开了人的再生医学的大门。”邓宏魁如是表示。

  高度分化的体细胞何以逆转?

  在再生生物学领域,常用的两个动物模型分别为涡虫和蝾螈。

  作为一种低等的小虫子,涡虫拥有着超强的再生能力,即使被切碎成200多份,每一份依然能再生出完整的新个体。而蝾螈在肢体截断之后,大约一个星期就能观察到截肢末端长出一团芽基组织,最后也能完美地长出新的肢体。

  “低等动物有很强的再生能力,而人在进化过程中把这种很强的再生能力给丧失掉了。”邓宏魁表示。

  他在此前的一场论坛也谈到过类似的话题。其解释道,动物体内的细胞都是由干细胞定向分化成不同的、处于功能稳定阶段的各种功能成熟细胞,“在低等动物中,处于损伤的情况下,这些功能细胞可以产生一种细胞命运重编程的过程,即首先成熟细胞开始去分化,然后重新变回到干细胞,最后干细胞可以再分化变成各种不同类型的功能细胞,来达到修复组织器官的目的。”

  破解这一生物学的奥秘,对人类本身意义深远。显而易见的一点是,在老龄化日趋严重的当下,“一个关键的社会问题是我们能不能实现健康的老龄化?”包括邓宏魁在内的该领域科学家认为,提升人的再生能力,能为解决衰老过程引起而目前传统医学不能解决的重大疾病提供一种新的手段。生命科学领域朝着这一目标已经尝试了几十年。上世纪60年代,戈登在爪蟾中开发了细胞核移植技术;1997年,英国Roslin研究所的伊恩?维尔穆特(Ian Wilmut)团队利用该技术制备了克隆羊“多莉”,证明了哺乳动物高度分化的体细胞可以被逆转为早期胚胎的初始状态,并获得了发育为整个动物个体的能力。2006年,山中伸弥报道了使用转基因的方式可以将小鼠成体细胞重编程为多潜能干细胞,被称为诱导多潜能干细胞(iPS细胞)。

  邓宏魁对澎湃新闻记者表示,核移植技术可以称为第一代技术。该技术将一种体细胞的细胞核注入去除细胞核的卵子,通过人工方法激活后再移植到代孕母体发育成个体。

  值得一提的是,就在2018年1月,顶级学术期刊《细胞》(Cell)的一篇封面文章向外界宣布,和人类最为接近的灵长类动物食蟹猴的克隆体诞生。该项突破性成果由中国科学院神经科学研究所孙强、蒲慕明领导的研究团队完成,两只克隆猴取名为“中中”和“华华”。

  但体细胞核移植也面临多重制约。邓宏魁表示,“如果要对人的细胞进行试验,第一,需要用到人的卵母细胞,它的获得比较困难;第二,核移植以后,发育到人的早期胚胎时需要把它破坏掉,然后从里面取出内细胞团,制备胚胎干细胞,它在伦理上存在问题和争议。”

  山中伸弥在2006年报道的方法则被认为是细胞重编程领域的第二代技术。山中伸弥等人把4个转录因子(Oct4、Sox2、Klf4、cMyc)通过逆转录病毒载体转入小鼠的成纤维细胞,使其变成多功能干细胞,也由此创立了诱导多潜能干细胞(iPS细胞)。

  “它不需要用到卵母细胞,也没有胚胎发育环节,可以直接把体细胞重编程为多潜能细胞,这样就解决伦理上的争议了。”邓宏魁进一步谈到,山中伸弥开创的方法也同时实现了“个体化”,“任何一个普通的病人,理论上他的细胞都可以制备成多潜能干细胞。”

  然而,这种遗传学的方法同样并不完美。比如,通过病毒等方式把基因导入进去,可能会有潜在的遗传风险。这也是目前该方法在临床应用上最大的担忧,即安全性的问题。

  无论是体细胞核移植技术,还是转录因子介导,这些都依赖于细胞内源物质,难以做到标准化。业内也希望,能有更规范化、更标准化的方法应用于临床转化。

  新一代细胞重编程技术:化学重编程

  在邓宏魁看来,逆转“生命时钟” 的一种较为理想的方式是依靠外源刺激来实现细胞的重编程,例如化学小分子的刺激。小分子化合物是日常服用药物的主要成分,相对于细胞质和基因等细胞物质更安全可控。

  “如果利用化学小分子的话,可以通过非常简单的组合方式,对多个靶点、多个信号通路同时调控。除了组合非常灵活,还可以调控小分子的浓度,处理的时间,可以实现时空上的分阶段的精准调控。”邓宏魁如此描述这种新一代重编程技术的优势。

  另外,相比传统方法,小分子诱导体细胞重编程技术作为非整合方法,规避了传统转基因操作引发的安全问题,有望成为更安全的临床治疗手段。

  邓宏魁提到,其团队自2007年开始研究化学重编程技术,直至2013年,他们在《科学》杂志发表了小鼠化学重编程工作。自那时起,众多国际团队在小鼠化学重编程工作的启发下也进行了大量尝试,却一直未能解决人类成体细胞的化学重编程问题。

  邓宏魁团队也经历了长时间的摸索,但小鼠身上的“经验”并不能快速复制到人类细胞研究中。邓宏魁在回顾过去近十年的研究历程时感叹,“这比我想象的要难的多。”

  他表示,“作为高等动物,人类成体细胞特性和稳态调控的复杂性远非小鼠成体细胞可比,在表观遗传层面上存在重重障碍,严重限制了在人类成体细胞中激发细胞可塑性的可能。”

  “细胞的身份一旦被锁定了,它不允许被轻易改变。”这种难度的递增在以往的研究中也存在,“核移植技术是在上个世纪60年代的克隆蛙身上实现的,而克隆羊是在1997年发表的,经历了三十几年。”邓宏魁表示,一样的技术在不同物种上实现的时间相差如此之久,主要的原因即在于羊的细胞的稳态远超过低等动物蛙。而克隆猴“中中”和“华华”的诞生又在克隆羊“多莉”问世逾20余年后才得以实现。

  “进化程度越高,克服细胞稳态的难度就像跳高,又高出了一截。”邓宏魁提到,为了克服人体细胞的稳态,在头六年的时间里,团队筛选了多种可能性,“所有的策略都不work。”

  与此同时,领域内也普遍认为:人类成体细胞的表观遗传限制是极其严格的,很可能无法通过化学重编程激发人类成体细胞获得多潜能性。“其实某种意义上来说,难点也在于这种观念,就是说认为这件事情是不太可能的。”邓宏魁表示。

  破题思路仍然来源于低等动物,“它们是怎么实现再生的?”邓宏魁谈到,团队回到了这一本质问题。蝾螈等低等动物在受到外界损伤后其体细胞会自发的改变本身的特性,进而通过被称为“去分化”的过程获得一定的“可塑性”,借助这一可塑的中间状态从而实现肢体的再生。

  研究团队假设,重新建立这种可塑状态是小分子解锁人类体细胞“身份”,并允许生成人多潜能干细胞的关键。受此启发,研究团队把工作主要分成了两个步骤。“第一步不是实现多潜能干细胞,而是去模拟低等动物这条路,如果第一步实现了,后面一步实现多潜能干细胞可能就很容易了。”在邓宏魁看来,第一步是真正具有跨越意义的一步,“这或可以真正打开人类再生医学的大门。”

  使用化学小分子实现人CiPS细胞的成功诱导。

  沿着上述思路,研究团队进行了大量化学小分子的筛选和组合,最终发现高度分化的人成体细胞在特定的化学小分子组合的作用下,同样可以发生类似低等动物中去分化的现象,并获得具有一定可塑性的中间状态。在此基础上,研究团队最终实现了人CiPS细胞的成功诱导。

  总体而言,他们通过创造一个中间的可塑性状态来实现人类体细胞的化学重编程,并获得了和胚胎干细胞高度相似的人CiPS细胞。整个化学重编程轨迹分析揭示了早期中间可塑性状态的产生,在此过程中发生化学小分子诱导的细胞去分化现象。比对分析发现,该过程与蝾螈肢体再生的去分化过程相似,激活了与发育和再生相关的关键基因。

  化学小分子诱导人类体细胞在早期阶段去分化,产生中间可塑性状态。

  更重要的是,研究团队还发现了调控这一类再生过程和细胞可塑性的关键信号通路,即JNK通路是化学重编程的主要障碍,抑制JNK通路对于通过抑制炎症信号来诱导细胞可塑性和再生相关程序是必不可少的。因此,JNK通路可能成为研究人类再生的新靶点。

  邓宏魁认为这是一种更为精准可控的细胞命运调控方法。化学小分子操控的方式,“把重编过程变成了像火车可以停靠一样,它可以停在任何一个阶段,也就说是一个可以精细调控的过程。”

  “打开了人的再生医学的大门”

  邓宏魁认为,在安全、易操作、可精细调控等优势下,CiPS细胞诱导技术有望真正打开人类的再生医学的大门。

  研究团队认为,与传统的技术体系相比,CiPS细胞诱导技术突破了此前iPS技术面临的限制,具有广阔的临床应用前景。具体来看,安全性方面,之前在小鼠CiPS细胞中已经证明,其携带的遗传突变显著少于传统iPS细胞,产生的嵌合体小鼠在长达6个月的观察期内不产生肿瘤且全部健康存活。同时,人CiPS细胞分化来源的胰岛细胞移植入小鼠和非人灵长类动物模型体内,经过长期观察未发现肿瘤形成。“iPS细胞在临床应用上最大的担忧就是安全性问题,所以这个领域还是希望能看到新的更安全的方式。”

  其次,在个体化制备方面,研究团队目前已在不同年龄个体来源的体细胞类型上都可实现稳定诱导人CiPS细胞。

  而在细胞标准化制备方面,化学小分子具有操作简单,时空调控性强,作用可逆,合成储存方便,易于标准化生产等一系列特点,使得人CiPS细胞在标准化和规模化生产方面有着不可替代的优势。

  值得一提的是,今年的2月4日,邓宏魁团队和中国医学科学院/北京协和医学院彭小忠研究组及天津市第一中心医院沈中阳研究组合作在《自然-医学》(Nature Medicine)了一项研究,他们建立了人CiPS细胞向胰岛细胞的分化制备方案,获得了功能成熟的人CiPS细胞来源的胰岛细胞;进一步将其移植入非人灵长类糖尿病动物模型中,系统验证了人CiPS细胞分化的胰岛治疗糖尿病的安全性和有效性。

  德国马克斯?普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所的Anne Grapin-Botton等人在《Cell Stem Cell》就邓宏魁等人的上述研究发表了一篇评论文章。文章写道,小鼠一直是测试多能干细胞来源的β细胞的金标准,然而在临床试验中,小鼠和人类之间存在很大的差距。而将人CiPS细胞分化来源的胰岛细胞移植到恒河猴身上,并检验其临床可行性,是邓宏魁等人这项工作的关键价值。

  在此前的这项研究中,研究团队观察到,人CiPS细胞分化胰岛移植入糖尿病模型小鼠体内,可以有效逆转糖尿病,而且在长达48周的观察周期中,所有移植小鼠中均未观察到移植细胞致瘤现象。在猴子中则观察到,接受细胞移植的糖尿病猴的C肽(胰岛素分泌标记物)释放能够响应餐食或葡萄糖刺激。在4只长期跟踪观察的糖尿病模型猴上,糖化血红蛋白(HbA1c)与移植前峰值相比,下降了2%以上。HbA1c是临床常用的指标,用于综合评价糖尿病患者的中长期的血糖控制情况。

  “我们CiPS细胞诱导技术的应用,已经实现了将分化细胞移植到了猴子模型上,这方面超越了传统的iPS细胞。”邓宏魁表示,其团队在胰岛分化方面有近20年的研究基础,再和化学重编程技术相结合,“保证了我们在这方面工作的领先。”

  在他看来,胰岛细胞的移植是所有应用方向中最好的突破口之一,并且在临床中已经开展大量实践。“临床应用需要满足三点,第一要把多潜能干细胞做出来,第二把分化细胞做出来,第三还需要有成熟的移植技术。”邓宏魁团队在这三点上已经准备了近二十年,对于开展CiPS细胞来源的胰岛细胞移植的条件日渐成熟。

  目前横亘在胰岛移植面前的第一大难题就是胰腺供者器官短缺。全军器官移植研究所所长、海军军医大学附属长征医院器官移植暨肝脏外科主任、上海市胰岛移植临床质控暨培训基地主任殷浩在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时即表示,相对于肝脏和肾脏等器官移植,胰腺供者匮乏的形势较为严峻,“中国现在一年器官捐献者大概有5000人,各类器官最终能治疗几万个人,但这5000个胰腺实际上最后能用的只有几百个。”

  邓宏魁透露,在糖尿病猴子模型上试验之后,目前正在积极推进临床。“因为在猴子上的结果很好,我们还是很有信心的。”尽管目前这些初步的迹象表明,这项技术在安全性上有优越性,他同时强调,“安全性依然是最关键的,这个还要经过仔细的长期的对比研究,但小分子的优化有巨大空间。”

  人CiPSCs技术在生物医学领域的应用前景。

  值得一提的是,这一化学重编程方法是继 “细胞核移植”和“转录因子表达”之后的新一代的、由我国自主研发的人多潜能干细胞制备技术,同时解决了我国干细胞和再生医学的发展中底层技术上的“瓶颈”问题。

  “经历了好几代学生,我们坚信这件事是特别有意义的,特别值得付出,要把它闯出来。十年磨一剑,从概念到技术都是我们自己在摸索,而且还要得到国际上的承认,这都需要花很长的时间。”邓宏魁最后表示。




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