不久前，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）張康教授團(tuán)隊(duì)的研究榮登《細(xì)胞》雜志封面，為患者們帶來了一款能準(zhǔn)確診斷多種疾病的人工智能算法。近日，張康教授和復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院眼科研究院院長(zhǎng)和眼科主任盧奕教授合作再次在頂尖學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表文章——在最新一期的《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》（NEJM）上，盧奕教授與張康教授對(duì)近期視網(wǎng)膜細(xì)胞重編程用于再生療法的重大進(jìn)展進(jìn)行了詳盡的介紹。
▲本研究的作者張康教授（左）與盧奕教授（右）（圖片來源：UCSD / 復(fù)旦大學(xué)）
哺乳動(dòng)物為何缺乏再生能力？
視網(wǎng)膜對(duì)人類的視覺至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界目前有超過5000萬名患者受不可逆性眼盲癥的困擾，而其中最主要的病因，就是視網(wǎng)膜神經(jīng)元的退化。因此，找到能延緩、甚至是逆轉(zhuǎn)退化進(jìn)程的方法，也就成了當(dāng)下研究人員們的攻堅(jiān)方向。
在非脊椎動(dòng)物里，研究人員們看到了希望——以魚類為例，當(dāng)它們的視網(wǎng)膜受損后，會(huì)啟動(dòng)“去分化”和“細(xì)胞重編程”的過程，使內(nèi)源的Müller膠質(zhì)細(xì)胞（Müller glia）增殖并分化成多種不同類型的視網(wǎng)膜細(xì)胞，重塑視覺。如果能在眼疾患者的體內(nèi)重現(xiàn)這一進(jìn)程，不就能恢復(fù)他們的視力嗎？沒那么簡(jiǎn)單。和魚類相比，哺乳動(dòng)物的再生能力幾乎為零。想要重現(xiàn)，談何容易？
▲魚類中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無法簡(jiǎn)單在哺乳動(dòng)物里重復(fù)（圖片來源：By Oregon State University (Zebrafish)）
在魚類里的進(jìn)一步研究，讓我們對(duì)再生能力背后的分子機(jī)理有了更深的了解。想要讓Müller膠質(zhì)細(xì)胞去分化、重編程為視網(wǎng)膜神經(jīng)元，需要重新激活特定的基因。這和胚胎發(fā)育時(shí)，視網(wǎng)膜多能祖細(xì)胞發(fā)育成視網(wǎng)膜神經(jīng)元所需要激活的基因相似。
這一發(fā)現(xiàn)給研究人員們帶來了新的啟示。他們發(fā)現(xiàn)在斑馬魚的視網(wǎng)膜受損后，一種叫做Ascl1的轉(zhuǎn)錄因子在Müller膠質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)水平會(huì)上調(diào)，這對(duì)于視網(wǎng)膜的再生是必須的。而當(dāng)哺乳動(dòng)物的視網(wǎng)膜受損后，Ascl1卻不會(huì)表達(dá)。這是魚類和哺乳動(dòng)物再生能力區(qū)別的關(guān)鍵嗎？
視網(wǎng)膜再生的突破
為了檢驗(yàn)這個(gè)想法，美國華盛頓大學(xué)的Thomas A. Reh教授團(tuán)隊(duì)通過基因工程的手段，讓小鼠的Müller膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)Ascl1。這一看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)取得了令人欣喜的效果——無論是在體外實(shí)驗(yàn)還是在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)里，Ascl1的表達(dá)都能刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞的再生。乍一看來，我們已經(jīng)掌握了在哺乳動(dòng)物中促進(jìn)視網(wǎng)膜再生的關(guān)鍵。
但好景不長(zhǎng)。研究人員們很快發(fā)現(xiàn)，即便Ascl1處于持續(xù)的過量表達(dá)中，這種再生能力依舊會(huì)在小鼠出生后的第16天消失。這表明Ascl1并非是視網(wǎng)膜再生的唯一關(guān)鍵要素。而隨著再生能力的下降，Müller膠質(zhì)細(xì)胞的染色質(zhì)“可及性”也有所降低，這意味著許多再生所需基因的表達(dá)可能得到了抑制，背后則是表觀遺傳上的調(diào)控。
▲該研究的圖示（圖片來源：《NEJM》）
為了克服這一障礙，研究人員們決定雙管齊下，一方面利用遺傳改造的方法，提高M(jìn)üller膠質(zhì)細(xì)胞中的Ascl1表達(dá)，另一方面用表觀遺傳學(xué)方法在這些細(xì)胞中注射組蛋白脫乙酰酶抑制劑，讓包括Ascl1在內(nèi)的諸多轉(zhuǎn)錄因子能更好地促進(jìn)下游基因的表達(dá)。而結(jié)果也正如研究人員們所料：改進(jìn)之后，這些Müller膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)橐暰W(wǎng)膜神經(jīng)元的效率有了大幅提高，且分化出的視網(wǎng)膜神經(jīng)元能與現(xiàn)有的神經(jīng)元形成突觸，整合入視網(wǎng)膜的神經(jīng)環(huán)路中，并隨光的刺激產(chǎn)生電勢(shì)。換句話說，這些新形成的細(xì)胞具有正常生理功能。此項(xiàng)研究最近在《自然》發(fā)表。
盧奕教授與張康教授在綜述中指出這項(xiàng)研究有著重要的直接醫(yī)療價(jià)值——一般來說，體內(nèi)的原位細(xì)胞重編程相較傳統(tǒng)的干細(xì)胞療法，發(fā)生感染或排斥風(fēng)險(xiǎn)更低、形成腫瘤的可能也更小。在眼科疾病的治療上，這款再生療法倘若能在人體中得到驗(yàn)證與推廣，在患者眼中誘導(dǎo)產(chǎn)生感光細(xì)胞和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，那將會(huì)是是患者的一大福音。
細(xì)胞再生療法的前景
這篇綜述還指出，從廣義上看，細(xì)胞再生療法有望以一種巧妙的方式對(duì)視網(wǎng)膜色素變性和黃斑變性在內(nèi)的嚴(yán)重眼疾進(jìn)行治療——視網(wǎng)膜色素變性是一類極為多樣性的遺傳病，病因可以追溯到200多個(gè)不同基因和上萬個(gè)突變。倘若設(shè)計(jì)逐一基因治療來修正每個(gè)突變基因，即便可行，效率也極低且成本太高。2017年，張康教授團(tuán)隊(duì)在《Cell Research》上發(fā)文，介紹了其最新以一種基因剪輯方法，來治療所有視網(wǎng)膜色素變性病人。研究人員們指出，導(dǎo)致視網(wǎng)膜色素變性的基因突變主要影響視桿細(xì)胞，在造成這些細(xì)胞退化和失去功能之后，還會(huì)進(jìn)一步影響到視錐細(xì)胞，導(dǎo)致視力精確度下降，色彩感知力變差。
有趣的是，人體中的視桿細(xì)胞數(shù)量遠(yuǎn)多于視錐細(xì)胞。據(jù)估計(jì)，視網(wǎng)膜里大約有600萬個(gè)視錐細(xì)胞，而視桿細(xì)胞的數(shù)量高達(dá)1.2億，是前者的20倍。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，張康教授團(tuán)隊(duì)成功敲除了視桿細(xì)胞里的Nrl和Nr2e3基因。作為控制細(xì)胞命運(yùn)的“開關(guān)”，Nrl與它下游的轉(zhuǎn)錄因子Nr2e3能促進(jìn)視桿細(xì)胞的分化與形成。而一旦這些基因不再起作用，視桿細(xì)胞就能變成視錐細(xì)胞。理論上說，盡管這些細(xì)胞內(nèi)依舊帶有導(dǎo)致視網(wǎng)膜色素變性的突變，但由于視錐細(xì)胞不易受這些突變的影響，因此可以讓突變“無效化”，從而維持組織功能。而視桿細(xì)胞龐大的數(shù)量，也讓細(xì)胞類型轉(zhuǎn)變帶來的影響降到了最低。
▲小鼠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一思路的可行性（圖片來源：《Precision Clinical Medicine》）
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，研究人員們用兩種不同的小鼠視網(wǎng)膜色素變性模型驗(yàn)證了這一思路的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，在CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)的作用下，隨著Nrl和Nr2e3基因的“失活”，大量視桿細(xì)胞被重編程為了視錐細(xì)胞，且維持了視網(wǎng)膜中應(yīng)有的正常細(xì)胞結(jié)構(gòu)。而視網(wǎng)膜電圖測(cè)試則進(jìn)一步表明，小鼠的電生理功能和視力的確得到了明顯的改善。
“原位細(xì)胞重編程還有一個(gè)好處，就是不需要引入外部細(xì)胞。就像給花草移盆容易給植物帶來損傷一樣，外部移入的細(xì)胞也不一定能適應(yīng)新的環(huán)境，”張康教授評(píng)論道：“但原位細(xì)胞重編程技術(shù)不一樣。新轉(zhuǎn)變而來的視錐細(xì)胞在自身視網(wǎng)膜里土生土長(zhǎng)，對(duì)周圍的環(huán)境很適應(yīng)，不會(huì)水土不服。”
當(dāng)然，要想讓再生療法走到尋常患者身邊，我們還有不少的路要走。由于人類視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，在人類臨床試驗(yàn)之前，我們還需要在靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型中測(cè)試這款療法的安全性與有效性。可喜的是，據(jù)了解，張康教授團(tuán)隊(duì)已在靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型中做了試驗(yàn)，安全性和效果很好。預(yù)計(jì)2018年底前進(jìn)行臨床試驗(yàn)。2017年，我們迎來了首款CAR-T療法與首款人體內(nèi)基因療法的獲批。我們同樣期待不久后能看到再生療法在眼科取得突破。無論是對(duì)于科研人員，還是對(duì)于患者，前方充滿光明！
參考資料：
[1] Lu Y and Zhang K, Cellular Reprogramming in the Retina — Seeing the Light. NEJM 2018
[2] Jorstad NL, Wilken MS, Grimes WN, et al. Stimulation of functional neuronal regeneration from
Müller glia in adult mice. Nature 2017;548:103-7
[3] Zhu J, Ming C, Fu X, et al. Gene and mutation independent therapy via CRISPR-Cas9 mediated cellular reprogramming in rod photoreceptors. Cell Res 2017;27:830-3.