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廣東研發“魔法藥水”,安全高效製備幹細胞成可能

2018-04-16 06:55 來源:南方網 李秀婷

  如果心臟衰竭了,就有一個新的健康心臟“替換”,這個心臟是你自己“生産”的,不存在排斥反應;白血病患者可以移植來自自身的造血幹細胞,這些造血幹細胞經過“改造”,不再攜帶致病基因……

  4月6日,國際幹細胞權威雜誌《細胞·幹細胞》發表了一項重大成果。歷經5年探索,中科院廣州生物醫藥與健康研究院裴端卿領銜的科研團隊研發出一套“魔法藥水”,成體細胞浸泡在其中,就能變成多能幹細胞,實現了細胞層面的“返老還童”。

  化學方法誘導多能幹細胞的方式,使得安全高效製備幹細胞成為可能,為器官再生提供了安全可用的多能幹細胞來源。或許,未來如果器官組織損壞,就可以用自己的體細胞“生産”出一個新的用來更換!

劉晶在試驗中。

  細胞“返老還童”的路徑

  幹細胞又被稱為“萬用細胞”,可以自我複製,在一定條件下可以分化成體內所有的細胞,進而形成身體的各種組織和器官。

  每一個人都是從一個胚胎幹細胞分化發育而來。胚胎幹細胞是全能的,能發育出一個完整的個體。多能幹細胞雖不能發育成完整個體,但具有分化出多種細胞組織的潛能。

  多能幹細胞進一步分化,就會發展成能生成特定功能細胞的專能幹細胞,比如造血幹細胞能生成紅細胞、白細胞和血小板;皮膚幹細胞則能産生各種類型的皮膚細胞。

  多能幹細胞在器官再生、器官修復和疾病治療方面極具應用價值。但過去,人們認為多能幹細胞只能從胚胎中獲得,要將它應用在醫學上,不可避免地會遭遇倫理問題。

  因此,科學家們一直在“折騰”各種辦法,嘗試把已經分化了的成體細胞變回多能幹細胞。在細胞層面來説,這就是要“逆轉”細胞的命運,實現“返老還童”。

  怎樣把一個成體細胞變成一個多能幹細胞?論文共同通訊作者、中科院廣州生物醫藥與健康研究院研究員劉晶介紹,這一過程,專業術語叫做“重編程”,目前科學家們探索出了三種重編程方法。

  第一種是核移植。核移植是將供體細胞的細胞核取出來,放入一個去掉細胞核的受體卵母細胞中,就能培育成胚胎,最終生下與供體基因完全一致的個體。這個過程就是大家熟悉的克隆,克隆羊多利就是使用這種方式誕生的。

  但通過這種方式來獲得幹細胞,不僅存在倫理問題,代價也很昂貴。“這種方式需要破壞一個卵細胞,而卵細胞比較難以獲得,成功率很低,要求很高。”劉晶説。

  第二種方法是細胞融合,把一個體細胞與一個幹細胞融合,也能讓這個體細胞具有一定的幹細胞特徵。但劉晶説,這樣形成的雜交細胞是多倍體,不具備臨床意義。

  第三種方法就是誘導多能幹細胞技術。2006年,日本科學家山中伸彌利用病毒作為載體,將4個轉錄因子的組合轉入分化的體細胞中,使其重編程,得到了類似胚胎幹細胞的一種細胞。這種轉基因誘導産生的多能幹細胞被稱為誘導多能幹細胞(iPS)。

  誘導多能幹細胞甫一齣世,就震驚了世界。2007年,利用iPS技術,科學家們成功地將人的成體細胞誘導成幾乎與胚胎幹細胞完全一樣的多能幹細胞。2012年,山中伸彌因此而獲得諾貝爾獎。

劉晶在試驗中。

  化學誘導“另辟蹊徑”

  如今,全球不少科學家都投入了誘導多能幹細胞的研究,發現了一些其他的基因組合也可以實現體細胞的“返老還童”。劉晶説,轉基因進行重編程速度快,兩三天時間就能完成“返老還童”的過程,而且成功率高。目前轉基因誘導多能幹細胞的成功率最高可達到50%。

  但這類技術也有著明顯的應用上的缺陷,最大的問題就是安全性。山中伸彌使用的4個轉錄因子中有些屬於原癌因子,如果轉錄到人的基因組中,有很大的引發癌症的風險。病毒轉錄的方式,也可能會激活一些原癌基因,失活抑癌基因。

  不少科學家一直在試圖找到用小分子化合物代替轉基因的方法,其中就包括裴端卿和劉晶領銜的團隊。經過5年的努力,他們最終開發出一套高效簡單的化學誘導幹細胞多能性的方法。

  該方案只需要給細胞用兩種不同的“藥水”依次“泡澡”,便可以將體細胞的命運“逆轉”到胚胎發育早期的多能幹細胞狀態。更可貴的是,該方法可實現多種體細胞類型“返老還童”,包括在體外極難培養的肝細胞。

  劉晶介紹,染色質決定了細胞是多能幹細胞狀態還是成體細胞狀態。如果把人體內的染色質拉成一條線的話,可能有2米長。有的區段是包裝緻密的狀態,不表達信息,有的區段是鬆散打開狀態,會表達信息,可以分別用計算機二進制語言0和1來比擬。

  2米長的染色質上有很多這樣0和1不規則的組合,像一個密碼串。在體細胞狀態,密碼串是一種模式,在幹細胞狀態,這個密碼串又是另一種模式。要把體細胞狀態變成幹細胞狀態,就需要在一些關鍵的位點上,將成體細胞染色質的開關閉合變得與幹細胞一致。

  最終,團隊用一組化合物改變了細胞密碼串的開放閉合狀態。在第一次“泡澡”中使用的化合物組合,讓成體細胞的密碼串“動起來”,染色質轉化為中間態,不再是被“鎖定”的狀態;第二次“泡澡”使用了適宜多能幹細胞生存的化合物藥水,誘導細胞轉化為多能幹細胞。

  為器官再造“鋪路”

  “逆轉”細胞命運,靠的是一組化合物的共同作用。劉晶説,研究者們仍需要搞清楚每一種化合物在群體中具體起什麼作用,哪一種化合物更加關鍵,沒有它就達不到最終的效果。

  劉晶團隊研究了其中的一個關鍵小分子Brdu,發現它可以直接作用於DNA結構本身,來調節染色質的密碼狀態。“如果能研究清楚每一種化合物的作用,就能更方便地對細胞的命運進行調控,定向地將一種細胞變成另一種細胞。”劉晶對此非常嚮往。

  雖然屬於基礎性前沿研究,但這一成果卻有著非常良好的應用前景。劉晶介紹,小分子化合物的誘導方式公認比轉基因的方式更安全,因為沒有引入外源基因,沒有直接對基因組造成大規模的插入和破壞。

  此外,由於化學成分是確定的,就可以使用標準化自動化的流程進行工業化生産,實現多能幹細胞大規模擴增;轉基因方式過程繁瑣,需要很高的實驗操作技巧,而化合物誘導更簡單、門檻更低,大家都可以用來開發治療疾病的新手段。

  “接下來最關鍵的是把人的細胞實現純化合物的誘導。”劉晶希望,可以利用這種化合物“泡澡”的方式,在人的細胞上也實現誘導多能幹細胞,很多研究者都想先在猴子模型上完成這一步,並驗證化學誘導出的多能幹細胞能否培育成完整的成活個體。

  不過,即使實現了人類細胞的化學誘導多能性,到底怎樣讓多能幹細胞精確地分化成一種特定功能性細胞?“這一過程比重編程更難,效率更低。”劉晶説,目前只有很少種類的真正具有功能的細胞被人為分化出來,有的具有部分功能但還不能用以治療疾病。

  “分化、再造某種我們需求的器官用以治療疾病的前提,就是要有安全可用的多能幹細胞來源。我們現在就是先把幹細胞做出來,這樣大家都可以用。”劉晶強調。

  細胞何以“返老還童”?

  第一次“泡澡”

  使用化合物組合讓成體細胞的密碼串“動起來”,染色質轉化為中間態,不再是被“鎖定”的狀態

  第二次“泡澡”

  使用適宜多能幹細胞生存的化合物藥水,誘導細胞轉化為多能幹細胞

  南方網全媒體記者 李秀婷 通訊員 黃博純 策劃統籌:李江萍

編輯: 李潤芳
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