细胞重新编程 挖出皮肤愈合“超能力”

一些转录因子在伤口愈合中起重要作用。愿景中国

《超人》有一个经常被模仿的经典情节。超人伪装成人类克拉克·肯特。被烧伤后，伤口会立即愈合，几乎让他的朋友看穿他是超人。

皮肤用小伤口愈合是很常见的，但是如果伤口太大，瞬间修复就会变成超级能力。最近，《自然》杂志发表了一项由来自美国和其他国家的科学家进行的研究，挖掘出皮肤愈合的“超级能力”:通过病毒载体将一种特定的转录因子(一种调节基因)转移到小鼠伤口细胞中，发现无法愈合的伤口愈合得很快。研究人员花了大量时间“试听”哪些转录因子与愈合有关。经过几轮筛选，确定了四个关键转录因子，将普通皮肤细胞转化为“角质细胞”并促进皮肤“再生”。

“普通”细胞“浴火重生”与转录因子

作为身体最大的保护器官，皮肤的外部看起来像一堵“墙”，但墙在里面涌动。不同类型的细胞在不同的层之间迁移。例如，角质细胞从邻近的表皮迁移到伤口，以促进再上皮化，并成为修复受损皮肤的“新力量”。

一种叫做“角质细胞”的细胞是获得新生命的“砖块”，创伤在这里被转移。皮肤细胞群中的这种“特殊”细胞可以促进皮肤再生，那么未愈合伤口中的“普通”细胞可以转化为“特殊”细胞来解决问题吗？

“非常”和“普通”的区别是由细胞内的基因表达决定的。因此，研究小组比较了人类角质细胞和人类皮肤成纤维细胞的基因表达谱。通过核糖核酸测序和其他技术，分析了两种细胞之间基因表达的差异。

"两个细胞之间基因表达的差异非常大。"上海科技大学生命科学与技术学院的研究员黄解释说，可以发现成千上万的基因表达不同。

该研究小组关注转录因子的不同表达。“转录因子是一种调节基因，通常调节数百种功能基因的表达，从而决定细胞的‘命运’。”黄对说道。

论文显示，与“普通”细胞相比，根据表达水平和上游启动子的分析，该团队在大量不同的“非常”细胞中鉴定了55个转录因子和31个microRNA，它们在两种细胞中的表达差异非常显著，这可能包括细胞成为角质形成细胞的决定性因素。

“试演”之后是“推广竞赛”。对于临床应用，86个因素太多，因此有可能减少要应用的初始筛选因素。"研究方法是创新的."黄解释说，他们把所有的因素一起转移到皮肤细胞。根据研究结果，那些转化成角质细胞的活细胞“跳了出来”。

这是一场激烈的角斗士资格赛。“普通”细胞遇到具有不同基因的慢病毒载体，并随机将病毒载体“吃掉”到基因组中。细胞的生命活动将经历“风暴”级振动。"细胞会经历各种变化，甚至在这个过程中死亡."黄对说道。

“这种筛选方法有很大的风险。一个是是否会有细胞存活。另一个是，当分析这些细胞以确定28个因素时，相关的实验技术可能有假阴性现象。”黄说，这也是这种研究和探索多年没有突破，需要“坐冷板凳”的毅力和精神的原因。

少数“普通”细胞通过外源转录因子的作用而“再生”，并成为角质细胞，从而成为新鲜的上皮细胞。

通过“减一”筛选出四个“超级因子”

在“再生”细胞中，研究小组发现28种转录因子被“吃掉”到新细胞的基因组中。

“仍然有太多的28种转录因子，研究小组用‘减一’法进一步筛选了它们。”黄说，目的是关注哪些因素是必要的，哪些是可选的。

严格的“减一”方法意味着难以想象的工作量。以黄为例，他说28个因素依次减少一个，加上对照组在第一轮要做29个转变，第二轮要做28个转变...以此类推，如果每一次转型都成功了，那将需要4-5周的时间来完成，而在完成20多轮转型后，至少需要3年才能完成。

“团队在实验过程中应进行相关分析，坚持一些有倾向性的指导原则，并有选择地进行实验验证。”黄认为，这不仅考验科研水平，也需要科学探索中的运气成分。

幸运的是，28个转录因子在相对较短的时间内减少到4个:DNP 63A、GRHL2、TFAP2A和MYC(简称DGTM因子)。研究结束时使用的方法与2012年诺贝尔奖得主山中伸弥团队的方法相似，但在筛选理念上进行了有针对性的创新。

"这个结果也在一定程度上反映了团队的创新思维."黄解释说，在正常情况下，研究人员会重点筛选出“什么是独特的”，即什么是在这个细胞；然而，迄今为止分离出的四个因子并不都是这类细胞中的独特基因，而是在许多细胞中高度表达的基因。这对未来其他转分化技术的发展也有很强的启示。

大海捞针的“超级因素”真的没问题吗？该小组在老鼠身上制造了溃疡，并设计了一个“栅栏”来巧妙地阻止其他角质细胞“支撑”。在这样一个未愈合的伤口上，当四个决定性因素被用于局部治疗小鼠皮肤溃疡时，健康的上皮细胞在18天内生长，并且上皮细胞逐渐膨胀，这可以治愈大面积的溃疡。3至6个月后，新生皮肤细胞在分子、基因和细胞测试中表现出与健康皮肤细胞相同的行为。

将“细胞超人”引入临床实践还有许多工作要做。

通过细胞转分化技术获得新细胞来修复人体器官的尝试由来已久

早在40年前，一些学者就试图通过表达转录因子将成纤维细胞转化为肌肉细胞。众所周知的诱导多能干细胞(iPS cells，诱导多能干细胞)也通过控制基因表达将分化的细胞“再生”成干细胞，从而获得发育成器官或活体的能力。

"目前，没有多少人进入临床试验."黄表示，转分化获得的“细胞超人”只有满足三个基本要求，才能被认为有应用前景:一是转化效率足够高；第二，获得的细胞功能足够好；第三，不引起肿瘤是足够安全的。

以这项研究为例，它面临的临床障碍可能是致瘤性。实验结果表明，其转分化率约为0.1%，能促进大面积创面的愈合，即能满足前两个条件。但在致瘤性方面，黄说:“dgtm因子中的两个基因与细胞增殖密切相关。Dnp63a和myc是促进肿瘤发生和发展的基因。在这项研究中，MYC似乎有可能被消除，但仍有必要进一步寻找一种策略，在DNP 63A临床应用或大量实验证明其安全性之前，替代它。”

目前，科学家们正在对神经细胞、肝细胞、心肌细胞、皮肤细胞等具有广阔应用前景的组织的再生进行大量研究。我国在这一领域也取得了许多突破性的成就，在“肝细胞样”方面已经走过了从实验室到临床试验的道路。

相关数据显示，在建立皮肤成纤维细胞诱导转化为肝细胞方法的基础上，中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所研究员回力健团队与多个单位合作，突破“肝细胞样”体外培养技术，成功开发出生物人工肝系统。通过制备具有解毒功能的肝样细胞，通过“清洗和营养”从患者体内提取的血浆被重新引入体内以治疗急性肝衰竭患者。到目前为止，大约有10名患者接受了治疗。

这项技术于2011年发表在《自然》杂志上，并获得了当年的“中国科学十大进步”。它要到2014年才会实施。今天，产业化尚未实现，正处于临床试验和产业化落地的“双推”阶段参与该项技术研发的黄表示，在相关理论得到澄清后，还需要进行大量困难的优化和改进工作，才能投入临床实验，最终应用于临床治疗。