將皮膚細(xì)胞“轉(zhuǎn)分化”為肝細(xì)胞

惠利健

惠利健惠利健? 中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)院上海生物化學(xué)和細(xì)胞研究所研究員，上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院特聘教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楦闻K疾病的分子病理機(jī)制，特別關(guān)注肝臟再生和癌化過(guò)程中細(xì)胞屬性維持與轉(zhuǎn)變（包括轉(zhuǎn)分化、去分化等）的作用和分子機(jī)制。

2019年5月，中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究所惠利健等完成的“細(xì)胞屬性轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究”項(xiàng)目榮獲2018年度上海科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目以肝細(xì)胞為核心，圍繞細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化和癌化開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)了小鼠和人類(lèi)跨胚層轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞;證明了轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞具有較完備的肝功能，對(duì)小鼠肝臟代謝性疾病和急性肝衰竭有治療效果;揭示了轉(zhuǎn)分化和癌化的共同調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞的大規(guī)模擴(kuò)增，為其臨床應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

什么是細(xì)胞屬性的轉(zhuǎn)變？皮膚細(xì)胞是通過(guò)什么途徑“轉(zhuǎn)分化”為肝細(xì)胞的？該項(xiàng)目成果的應(yīng)用前景如何？一起來(lái)聽(tīng)聽(tīng)中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院惠利健研究員的分析。

需要了解的三個(gè)概念

1.再生? 很多人都知道，低等動(dòng)物的再生能力很強(qiáng)，比如大鯢、蠑螈等，其肢體受損后能夠很快再生，且可以完美恢復(fù)到損傷前的“原貌”。隨著物種進(jìn)化，在哺乳動(dòng)物等高等動(dòng)物中已經(jīng)看不到這種強(qiáng)大的再生能力。人體的大多數(shù)重要臟器和組織（如神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、肺、腎臟等）都不具備有效的自我修復(fù)和再生能力。而再生醫(yī)學(xué)就是一門(mén)促進(jìn)創(chuàng)傷與組織器官缺損的生理性修復(fù)，進(jìn)行組織器官再生與功能重建的學(xué)科。

2.干細(xì)胞? 干細(xì)胞是一類(lèi)具有多向分化潛能和自我更新能力的細(xì)胞，在體內(nèi)能夠分化產(chǎn)生某種特定組織類(lèi)型的細(xì)胞。正因?yàn)槿绱?，它一直是再生醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前，嘗試將干細(xì)胞用于治療疾病的研究很多，外周造血干細(xì)胞移植治療白血病是干細(xì)胞治療領(lǐng)域的成功典范。

干細(xì)胞分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞具有發(fā)育全能性，從理論上說(shuō)可以誘導(dǎo)分化為機(jī)體所有種類(lèi)的細(xì)胞。成體干細(xì)胞是存在于已經(jīng)分化組織中的未分化細(xì)胞，這種細(xì)胞能夠自我更新并在特定條件下轉(zhuǎn)化為該類(lèi)型組織的細(xì)胞，如造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、肝干細(xì)胞、皮膚表皮干細(xì)胞、腸上皮干細(xì)胞、視網(wǎng)膜干細(xì)胞、胰腺干細(xì)胞等。

3.轉(zhuǎn)分化? 由于成體干細(xì)胞的獲取并不容易，療效也不太確定。于是，科學(xué)家們大膽設(shè)想，如果可以找到一種使細(xì)胞從一種分化屬性直接轉(zhuǎn)化為另一種分化屬性的方法，就能繞開(kāi)“干細(xì)胞”這個(gè)環(huán)節(jié)，開(kāi)辟一條新路。不過(guò)，既往的理論均認(rèn)為，在高等動(dòng)物的發(fā)育過(guò)程中，干細(xì)胞向終末細(xì)胞分化的過(guò)程是單向的，且在正常生理狀態(tài)下，終末分化細(xì)胞是穩(wěn)定的，不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?lèi)型的細(xì)胞。

可喜的是，近年來(lái)有多個(gè)國(guó)家的研究人員發(fā)現(xiàn)，在特定條件下，細(xì)胞的屬性是可以轉(zhuǎn)變的，這就是“轉(zhuǎn)分化”。簡(jiǎn)而言之，“轉(zhuǎn)分化”就是一種可以直接將某種終末分化細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為另一種終末分化細(xì)胞的過(guò)程，比如在特定條件下，皮膚細(xì)胞可以變?yōu)楦渭?xì)胞。

皮膚細(xì)胞是如何“變身”為肝細(xì)胞的

圖1：成纖維細(xì)胞{皮膚細(xì)胞}轉(zhuǎn)分化為干細(xì)胞示意圖

惠利健研究員用生動(dòng)的比喻來(lái)解釋“轉(zhuǎn)分化”這個(gè)術(shù)語(yǔ)：“不同的細(xì)胞就像不同職業(yè)的人，在各自的工作崗位上發(fā)揮著不同的作用?！D(zhuǎn)分化就是讓一個(gè)人轉(zhuǎn)行，比如讓農(nóng)民轉(zhuǎn)行當(dāng)工人，且隨著轉(zhuǎn)行，他所從事的工作也相應(yīng)改變了。”

中國(guó)是肝病大國(guó)，目前約有4億肝病患者。對(duì)終末期肝病患者而言，最有效的治療手段是肝移植。然而，由于供肝短缺和治療費(fèi)用高昂，大量患者因無(wú)法得到及時(shí)治療而死亡。

經(jīng)過(guò)數(shù)年的研究，惠利健研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)過(guò)表達(dá)FOXA3、HNF1A和GATA4基因，成功將小鼠成纖維細(xì)胞（皮膚細(xì)胞）直接轉(zhuǎn)分化為肝細(xì)胞（hiHep細(xì)胞），首次證明了肝臟以外的體細(xì)胞可以被誘導(dǎo)直接轉(zhuǎn)化為肝細(xì)胞（hiHep細(xì)胞）。該研究在國(guó)際上屬首次報(bào)道，具有開(kāi)創(chuàng)性意義（圖1）。

“工種”變，“功能”也變

惠利健研究員告訴記者，將皮膚細(xì)胞成功轉(zhuǎn)分化為肝細(xì)胞，只能算是邁出了第一步。雖然肝細(xì)胞在體內(nèi)具有強(qiáng)大的再生能力，但在體外，肝細(xì)胞的這種能力就完全消失了。于是，如何讓這些轉(zhuǎn)分化而來(lái)的肝細(xì)胞在體外也能夠大量擴(kuò)增，成為擺在他們面前的又一難題。

在經(jīng)歷了一次次失敗后，惠利健團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)了使肝細(xì)胞在體外實(shí)現(xiàn)大量擴(kuò)增的辦法。他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞衰老、凋亡的信號(hào)通路是轉(zhuǎn)分化的關(guān)鍵負(fù)調(diào)控機(jī)制，只要通過(guò)抑制相關(guān)通路，就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞的大規(guī)模擴(kuò)增。

肝細(xì)胞有了，大量擴(kuò)增也不是問(wèn)題了，那么這些從皮膚細(xì)胞“轉(zhuǎn)行”過(guò)來(lái)的肝細(xì)胞們，是否具有與肝臟細(xì)胞類(lèi)似的功能呢？要知道，肝臟是人體內(nèi)的“化工廠”，具有解毒、合成、分泌、代謝等多種功能，除了肝移植以外，目前尚無(wú)替代品。

這一點(diǎn)，惠利健研究員早就想到并已通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)了：這些“轉(zhuǎn)分化”而來(lái)肝細(xì)胞具有較完備的肝功能，如積累糖原、分泌血清白蛋白、吸收和積累脂質(zhì)、藥物代謝和膽汁排泄等，對(duì)小鼠肝臟代謝性疾病和急性肝衰竭具有治療效果。簡(jiǎn)而言之，這些從皮膚細(xì)胞“轉(zhuǎn)行”而來(lái)的肝細(xì)胞并非“徒有其表”。

“生物人工肝”即將造福重癥肝病患者

既然轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞具有與肝臟細(xì)胞類(lèi)似的功能，那么是否可以從患者身上獲取皮膚細(xì)胞，將其轉(zhuǎn)分化為肝細(xì)胞，再回輸給患者，使之發(fā)揮肝細(xì)胞的功能呢？惠利健研究員表示，這一做法從理論上說(shuō)是可行的。不過(guò)，考慮到在細(xì)胞轉(zhuǎn)分化過(guò)程中進(jìn)行過(guò)一些遺傳學(xué)操作，若直接將這些轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞輸入人體，可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，他們轉(zhuǎn)變了思路，設(shè)計(jì)了一個(gè)與腎臟透析類(lèi)似的“生物人工肝”裝置（圖2）。

圖2：生物人工肝示意圖

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將肝衰竭動(dòng)物的血漿在體外經(jīng)“轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞生物人工肝”解毒、代謝并獲得營(yíng)養(yǎng)成分后，再回輸?shù)絼?dòng)物體內(nèi)，可以起到暫時(shí)替代肝臟的作用，同時(shí)也能避免體外培養(yǎng)的轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞進(jìn)入體內(nèi)可能引發(fā)的種種風(fēng)險(xiǎn)。在此之前，由于缺乏肝細(xì)胞來(lái)源，生物人工肝主要采用動(dòng)物（豬）的肝細(xì)胞或人類(lèi)的肝腫瘤細(xì)胞。

惠利健研究員表示，轉(zhuǎn)分化肝細(xì)胞生物人工肝目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)專(zhuān)利授權(quán)與轉(zhuǎn)化，并已經(jīng)在部分醫(yī)院開(kāi)展臨床研究。相信在不久的將來(lái)，這一成果將使大量重癥肝病患者獲益。

“轉(zhuǎn)分化”與“癌化”：調(diào)控機(jī)制相同，有望帶來(lái)癌癥治療新策略

與轉(zhuǎn)分化類(lèi)似，持續(xù)的組織損傷會(huì)造成細(xì)胞屬性的惡性轉(zhuǎn)變——癌化，使正常細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒栽鲋车陌┗?xì)胞。

“轉(zhuǎn)分化和癌化是細(xì)胞屬性轉(zhuǎn)變的不同形式，存在共同的調(diào)控機(jī)制?！被堇⊙芯繂T告訴記者，“我們的研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要促癌基因Survivin，它在肝臟損傷再生中對(duì)膽管反應(yīng)來(lái)源的肝干細(xì)胞活化進(jìn)行調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于建立促進(jìn)再生、避免癌化的精準(zhǔn)治療具有重要意義?！?h3>最新進(jìn)展：從“轉(zhuǎn)分化”到“去分化”，創(chuàng)新永遠(yuǎn)在路上

圖3：去分化示意圖

在進(jìn)行“轉(zhuǎn)分化”研究（將一種細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N細(xì)胞）的同時(shí)，惠利健研究團(tuán)隊(duì)又將目光聚焦于“去分化”的研究（圖3）。所謂“去分化”，通俗地說(shuō)，就是在特定條件下，體內(nèi)具有可塑性的細(xì)胞會(huì)發(fā)生“返祖”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹只瘽撃艿那绑w細(xì)胞?；堇⊙芯繂T團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，肝細(xì)胞在遭受損傷的情況下，會(huì)“去分化”為肝前體細(xì)胞（也可稱(chēng)為“肝干細(xì)胞”）。同時(shí)，他們還掌握了使肝干細(xì)胞在體外大量擴(kuò)增的技術(shù)，可以將肝干細(xì)胞在體外增殖10 000倍，并證明了這些細(xì)胞在體內(nèi)具有分化為肝細(xì)胞的能力。惠利健研究員表示，“去分化”+體外擴(kuò)增技術(shù)使肝干細(xì)胞的來(lái)源不再是問(wèn)題，且由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)遺傳學(xué)操作，這些細(xì)胞對(duì)人體是安全的。未來(lái)，如果這些肝干細(xì)胞能夠應(yīng)用于臨床治療，將有望開(kāi)創(chuàng)肝臟再生新思路，甚至有望使一部分肝衰竭患者免于肝移植。