林梅 游文娟

“走近科學”是本刊科研項目科普化報道的傳統(tǒng)欄目，從本期開始，我們選擇一批上海市獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行報道。本篇報道的是2018年度自然科學獎一等獎“項目細胞屬性轉變的基礎和應用研究”，該項目由中國科學院上海生命科學研究院惠利健團隊獲得。

中國有句成語叫作“覆水難收”，說的就是事件發(fā)展的不可逆性，一旦走入什么特定軌道，就再無回頭重寫的可能。不過，在前段時間熱映的國產動畫影片《哪吒之魔童降世》中，即使哪吒不幸作為魔丸身份降世，但最終還是逆天改命，實現(xiàn)了“我命由我不由天”。

那么，我們體內的細胞也可以改寫自己的命運嗎？很長時間以來，科學家都認為，一旦細胞分化完成，成熟的成體細胞到死都不會改變身份，比如，皮膚細胞永遠只是皮膚細胞?？墒牵毎娴牟荒苣嫣旄拿鼏?？

答案是可以，再生醫(yī)學領域正致力于改寫細胞身份，只不過遠比電影中的哪吒坎坷得多。

細胞的身份

說起改寫細胞的身份，那我們首先就必須知道細胞的身份是怎么確立的。其實，身體里每個細胞都有一個共同的起源——受精卵，也正因如此，所有細胞的DNA幾乎都是一樣的。

受精卵就是最早的干細胞，它分裂成為胚胎干細胞（ES），如果把這些胚胎干細胞分別植入子宮，每個胚胎干細胞都可以發(fā)育成完整的胚胎，也就是說，胚胎干細胞是一種全能性的干細胞。

接下來，在胚胎細胞分裂和成熟過程中，各個細胞的命運開始分化，擁有了不同的身份，有的發(fā)育成骨骼，有的發(fā)育成肌肉，有的發(fā)育成皮膚，有的發(fā)育成神經……

那么，是什么決定了它們走向迥然不同的道路呢？科學家發(fā)現(xiàn)，這是由特定基因的開啟或關閉決定，當轉錄因子結合到基因組中的特定DNA序列上，就能激活或抑制附近的特定基因，進而決定這個特定基因的走向。

這個分化發(fā)育的過程有點像一個樹狀過程，干細胞就是主干。不同的枝椏就是不同的分化通路。

干細胞的分化能力為臨床研究帶來了新的希望，科學家希望利用干細胞的全能性，培養(yǎng)出需要的細胞和組織，這對于再生醫(yī)學來說，意味著全新的可能。如果可以實現(xiàn)的話，人們身上壞掉的器官和組織，都可以利用這種方法置換，就像換一個零件一樣。

這個想法特別令人激動，因為只要根據(jù)身體需要，調控某些基因，使干細胞變成我們想要的細胞和組織，然后替換壞的組織和器官就行了。

然而，干細胞來源遇到了問題，因為需要從胚胎獲得，這導致干細胞研究遭受很大倫理爭議。

從IPS到轉分化

那么，有沒有回避這個爭議的辦法？2006年日本京都大學的山中伸彌博士做到了。其研究團隊將4種基因轉入小鼠的皮膚纖維細胞，誘導其轉化為具有胚胎干細胞樣特性的誘導多能干細胞（iPS）。

這項工作不僅將2012年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎收入囊中，更開啟了全世界研究iPS的熱潮。甚至，國際上還實現(xiàn)了利用這種干細胞生成的成熟細胞進行臨床實驗的成功案例。

但是，iPS技術與胚胎干細胞一樣，面臨一些重大缺陷。此外，它操作周期長，一些技術上的風險人們也認識得不夠清楚。

多年來，科學家們一直在尋找更安全高效的新技術，以獲得可廣泛適用于再生醫(yī)學及疾病治療的安全穩(wěn)定的細胞。

科學家希望，可以繞過多能干細胞這個步驟，直接對成熟細胞進行重新的“編程”，讓某些特定基因被激活或者抑制，從而控制它轉化為新的身份，這種思路就是“直接轉分化”，也就是細胞的“逆天改命”。

細胞轉分化，如何實現(xiàn)的？

具體來說，科學家需要研究決定某種細胞命運的關鍵轉錄因子。它可以調節(jié)一連串基因的活性，進而決定原細胞變成哪種新細胞。

實際上，往往是多個因子共同決定細胞命運的。因此，科學家的工作，就是要找出針對不同細胞身份的不同的轉錄因子組合，才能讓它們實現(xiàn)轉分化。

在操作上，這種組合最好盡可能簡單，如果轉入的調節(jié)因子種類太多，難度就會非常大。

在主調節(jié)因子成功開啟了細胞的一條發(fā)育通路之后，接下來的任務，是找出影響細胞完成發(fā)育過程的基因，讓它變成成熟的、具有特定功能和增殖能力的細胞。

2010年，斯坦福大學的干細胞科學家馬呂斯·沃尼格（Marius Wernig）團隊將誘導細胞定向分化為神經元細胞的轉錄因子導入成纖維細胞，完成了成纖維細胞到神經元細胞的轉化：

研究人員從控制細胞分化候選基因池（19個）篩選分析，最終找出3個適合的基因，在體外實驗中，這3個因子成功地將小鼠胚胎期的成纖維細胞和成年小鼠的成纖維細胞轉化為神經元細胞。經過檢驗，通過這種方式誘導的不同種類的神經元細胞可以表達多種神經元特異的蛋白，還可產生電位傳導，發(fā)育出突觸結構，釋放或應答不同的神經遞質。

山中伸彌研究團隊將4種基因轉入小鼠的皮膚纖維細胞，誘導其轉化為具有胚胎干細胞樣特性的誘導多能干細胞

近些年來，轉分化技術成果“小井噴”，科學家已經可以利用轉分化技術成功地誘導成纖維細胞轉化為造血干細胞、心肌細胞和神經細胞等，那么轉分化技術的臨床應用曙光已現(xiàn)了嗎？

目前，這些轉分化成功的研究多停留在實驗室研究階段，實現(xiàn)臨床應用的鳳毛麟角，這也就是我們要重點介紹惠利健團隊的原因。

轉分化與人工肝

肝病是長期困擾醫(yī)學界的難題。我國是肝病大國，有超過1億乙肝病毒攜帶者和100萬重癥肝病患者。長期以來，各種終末期肝病唯一的希望就是肝臟移植?？墒?，合適的肝臟十分緊缺，即使有幸得到新的肝臟，外源器官帶來的免疫排斥，對移植病人來說，又是一道鬼門關。

于是，利用自身細胞轉分化成肝細胞，成為再生醫(yī)學研究的熱點。在眾多的國際研究團隊中，中國團隊率先完成，更關鍵的是，該團隊率先實現(xiàn)了臨床轉化應用。

2011年，惠利健領銜的團隊在《自然》上發(fā)表了一篇轟動全球的文章：通過轉分化技術，研究團隊將一種比較容易獲得的成纖維細胞，利索地轉變?yōu)榱硪环N不易獲得的肝臟細胞。

具體到技術層面，他們將在肝臟發(fā)育及功能實現(xiàn)中起重要作用的14種轉錄因子轉導至獲得的小鼠尾部成纖維細胞中，經過對這些轉錄因子形成的各種組合進行逐一的排查和篩選，最終，研究人員證實在轉導Gata4、Hnf1α 和 Foxa3，抑制p19的條件下即可將成纖維細胞誘導轉化為功能性肝細胞樣細胞（iHep）。

這些iHep細胞呈典型肝臟細胞的上皮樣形態(tài)，表達肝基因，并顯示肝細胞功能，如肝糖原積累、乙?；兔芏戎鞍椎霓D運、藥物代謝和吲哚綠的吸收等。

《細胞》（Cell）雜志的編委和評審專家高度評價此項工作的開創(chuàng)性意義，他們認為研究中所建立的技術體系，作為一項重大突破，對同領域的研究工作具有指導意義。

課題組不滿足小鼠實驗的成功，2014年，惠利健研究小組又獲得研究突破——成功將人類非肝細胞直接轉分化為功能肝細胞。這一成功，使國際生物人工肝裝置發(fā)生飛躍性改變。

人工肝實際上是基于血液凈化技術的體外支持系統(tǒng)，能夠代替肝臟的一部分功能，促進肝衰竭患者自體肝功能恢復（當然，這并不能治愈肝病，但能夠為肝移植病人得到合適肝源之前爭取時間）。

生物人工肝的核心技術是用于治療的功能肝細胞。目前國內外研發(fā)的生物人工肝主要采用豬原代肝細胞或者人肝癌細胞作為功能肝細胞來源，但在安全性和功能性方面這些細胞都有很大缺陷，阻遏了生物人工肝的臨床應用。

因此獲得全新的功能肝細胞是推進生物人工肝在臨床應用的關鍵環(huán)節(jié)，而惠利健團隊做到了。

2016年1月，利用該新型生物人工肝裝置在南京鼓樓醫(yī)院成功救治了一位罹患乙肝40年并突發(fā)急性肝衰竭的病人。

生物人工肝裝置成功產業(yè)化，研究團隊再出發(fā)

這么好的研究工作自然引起了產業(yè)界的關注，2016年，微知卓生物科技公司拋來了橄欖枝；緊鑼密鼓，2017年，微知卓生物科技有限公司建成了首條人源性人工肝臨床研發(fā)生產線，年產量可達300～500份，大約可滿足200多位患者臨床研究。

在接受《世界科學》雜志采訪時，惠利健表示：

“在轉化研究早期階段，因為得到了中科院干細胞先導專項的大力支持，所以我們課題組可以安心搞科研。在大動物實驗向臨床轉化階段，出現(xiàn)了經費斷檔問題，在這個節(jié)骨眼上，上海市科委的科技創(chuàng)新行動計劃又給予了我們大力支持。是這些幫助扶持，讓我們的科研成果轉化進行得如此順利！”。

惠利健團隊在成功轉化生物人工肝研究成果之后，繼續(xù)專注基礎研究。他們和謝渭芬團隊的合作研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生慢性肝臟損傷時，肝臟里膽管細胞有轉分化成肝細胞的能力，而且它的修復能力還很強。

另一方面，在體內，細胞除了轉分化，也還可以去分化，比如，肝臟細胞在急性損傷條件下，它們可以去分化成為肝干細胞，然后通過肝干細胞實現(xiàn)再生。而惠利健團隊利用肝細胞能夠去分化的特點，解決了肝臟細胞體外擴增的難題，也解決了肝細胞移植和器官制造中關鍵的細胞來源問題。目前這個團隊正在嘗試人類肝細胞移植的大動物實驗和體外肝臟器官制造。

如果可以通過去分化或者轉分化，激發(fā)患者體內再生肝細胞，那么將會改寫的不只是細胞的命運，更是患者的命運。