惠利健

惠利健惠利健? 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)院上海生物化學(xué)和細胞研究所研究員，上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院特聘教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向為肝臟疾病的分子病理機制，特別關(guān)注肝臟再生和癌化過程中細胞屬性維持與轉(zhuǎn)變（包括轉(zhuǎn)分化、去分化等）的作用和分子機制。

2019年5月，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究所惠利健等完成的“細胞屬性轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究”項目榮獲2018年度上?？茖W(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)一等獎。該項目以肝細胞為核心，圍繞細胞的轉(zhuǎn)分化和癌化開展研究，實現(xiàn)了小鼠和人類跨胚層轉(zhuǎn)分化肝細胞;證明了轉(zhuǎn)分化肝細胞具有較完備的肝功能，對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)控機制，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)分化肝細胞的大規(guī)模擴增，為其臨床應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

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

需要了解的三個概念

1.再生? 很多人都知道，低等動物的再生能力很強，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”。隨著物種進化，在哺乳動物等高等動物中已經(jīng)看不到這種強大的再生能力。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)就是一門促進創(chuàng)傷與組織器官缺損的生理性修復(fù)，進行組織器官再生與功能重建的學(xué)科。

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

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

3.轉(zhuǎn)分化? 由于成體干細胞的獲取并不容易，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“干細胞”這個環(huán)節(jié)，開辟一條新路。不過，既往的理論均認為，在高等動物的發(fā)育過程中，干細胞向終末細胞分化的過程是單向的，且在正常生理狀態(tài)下，終末分化細胞是穩(wěn)定的，不會轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷募毎?/p>

可喜的是，近年來有多個國家的研究人員發(fā)現(xiàn)，在特定條件下，細胞的屬性是可以轉(zhuǎn)變的，這就是“轉(zhuǎn)分化”。簡而言之，“轉(zhuǎn)分化”就是一種可以直接將某種終末分化細胞轉(zhuǎn)分化為另一種終末分化細胞的過程，比如在特定條件下，皮膚細胞可以變?yōu)楦渭毎?h3>皮膚細胞是如何“變身”為肝細胞的

圖1：成纖維細胞{皮膚細胞}轉(zhuǎn)分化為干細胞示意圖

惠利健研究員用生動的比喻來解釋“轉(zhuǎn)分化”這個術(shù)語：“不同的細胞就像不同職業(yè)的人，在各自的工作崗位上發(fā)揮著不同的作用。‘轉(zhuǎn)分化就是讓一個人轉(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?！?/p>

中國是肝病大國，目前約有4億肝病患者。對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用高昂，大量患者因無法得到及時治療而死亡。

經(jīng)過數(shù)年的研究，惠利健研究員團隊通過過表達FOXA3、HNF1A和GATA4基因，成功將小鼠成纖維細胞（皮膚細胞）直接轉(zhuǎn)分化為肝細胞（hiHep細胞），首次證明了肝臟以外的體細胞可以被誘導(dǎo)直接轉(zhuǎn)化為肝細胞（hiHep細胞）。該研究在國際上屬首次報道，具有開創(chuàng)性意義（圖1）。

“工種”變，“功能”也變

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

在經(jīng)歷了一次次失敗后，惠利健團隊終于發(fā)現(xiàn)了使肝細胞在體外實現(xiàn)大量擴增的辦法。他們發(fā)現(xiàn)，細胞衰老、凋亡的信號通路是轉(zhuǎn)分化的關(guān)鍵負調(diào)控機制，只要通過抑制相關(guān)通路，就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)分化肝細胞的大規(guī)模擴增。

肝細胞有了，大量擴增也不是問題了，那么這些從皮膚細胞“轉(zhuǎn)行”過來的肝細胞們，是否具有與肝臟細胞類似的功能呢？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，目前尚無替代品。

這一點，惠利健研究員早就想到并已通過動物實驗證實了：這些“轉(zhuǎn)分化”而來肝細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，對小鼠肝臟代謝性疾病和急性肝衰竭具有治療效果。簡而言之，這些從皮膚細胞“轉(zhuǎn)行”而來的肝細胞并非“徒有其表”。

“生物人工肝”即將造福重癥肝病患者

既然轉(zhuǎn)分化肝細胞具有與肝臟細胞類似的功能，那么是否可以從患者身上獲取皮膚細胞，將其轉(zhuǎn)分化為肝細胞，再回輸給患者，使之發(fā)揮肝細胞的功能呢？惠利健研究員表示，這一做法從理論上說是可行的。不過，考慮到在細胞轉(zhuǎn)分化過程中進行過一些遺傳學(xué)操作，若直接將這些轉(zhuǎn)分化肝細胞輸入人體，可能存在一定的風(fēng)險。因此，他們轉(zhuǎn)變了思路，設(shè)計了一個與腎臟透析類似的“生物人工肝”裝置（圖2）。

圖2：生物人工肝示意圖

動物實驗證實，將肝衰竭動物的血漿在體外經(jīng)“轉(zhuǎn)分化肝細胞生物人工肝”解毒、代謝并獲得營養(yǎng)成分后，再回輸?shù)絼游矬w內(nèi)，可以起到暫時替代肝臟的作用，同時也能避免體外培養(yǎng)的轉(zhuǎn)分化肝細胞進入體內(nèi)可能引發(fā)的種種風(fēng)險。在此之前，由于缺乏肝細胞來源，生物人工肝主要采用動物（豬）的肝細胞或人類的肝腫瘤細胞。

惠利健研究員表示，轉(zhuǎn)分化肝細胞生物人工肝目前已經(jīng)實現(xiàn)了技術(shù)專利授權(quán)與轉(zhuǎn)化，并已經(jīng)在部分醫(yī)院開展臨床研究。相信在不久的將來，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)控機制相同，有望帶來癌癥治療新策略

與轉(zhuǎn)分化類似，持續(xù)的組織損傷會造成細胞屬性的惡性轉(zhuǎn)變——癌化，使正常細胞轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒栽鲋车陌┗毎?/p>

“轉(zhuǎn)分化和癌化是細胞屬性轉(zhuǎn)變的不同形式，存在共同的調(diào)控機制。”惠利健研究員告訴記者，“我們的研究發(fā)現(xiàn)一個重要促癌基因Survivin，它在肝臟損傷再生中對膽管反應(yīng)來源的肝干細胞活化進行調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)對于建立促進再生、避免癌化的精準治療具有重要意義?！?h3>最新進展：從“轉(zhuǎn)分化”到“去分化”，創(chuàng)新永遠在路上

圖3：去分化示意圖

在進行“轉(zhuǎn)分化”研究（將一種細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N細胞）的同時，惠利健研究團隊又將目光聚焦于“去分化”的研究（圖3）。所謂“去分化”，通俗地說，就是在特定條件下，體內(nèi)具有可塑性的細胞會發(fā)生“返祖”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹只瘽撃艿那绑w細胞?；堇⊙芯繂T團隊發(fā)現(xiàn)，肝細胞在遭受損傷的情況下，會“去分化”為肝前體細胞（也可稱為“肝干細胞”）。同時，他們還掌握了使肝干細胞在體外大量擴增的技術(shù)，可以將肝干細胞在體外增殖10 000倍，并證明了這些細胞在體內(nèi)具有分化為肝細胞的能力。惠利健研究員表示，“去分化”+體外擴增技術(shù)使肝干細胞的來源不再是問題，且由于沒有經(jīng)過遺傳學(xué)操作，這些細胞對人體是安全的。未來，如果這些肝干細胞能夠應(yīng)用于臨床治療，將有望開創(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。