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专访中科院惠利健 人源性人工肝入选年度十大医学进展

来源:学术经纬 2018-03-14 12:47

 

当婴儿呱呱坠地、胚胎干细胞分化为成体细胞的那一刻,多数细胞的功能和命运似乎被定格,并开启了不可逆的时钟发条。然而肿瘤组织中层出不穷的基因突变和永生化癌细胞,却以最惨烈的方式昭示着细胞命运的其他可能。随着克隆技术和人工诱导多能干细胞的出现,改写细胞命运的传奇更走入了再生医学肿瘤研究的聚光灯下。

上海生物化学和细胞研究所惠利健博士多年来专注“细胞命运转换”研究,其团队突破“类肝细胞”体外培养技术,将成纤维细胞成功转分化,并构建全新人源性生物人工肝系统。该技术临床研发生产线已在上海嘉定区建成,有望在3-5年时间内实现生物人工肝产业化,为中国超过1亿乙肝病毒携带者、100万重症肝病患者带来福音。因此该技术已被《医学科学报》、《中国科学报》等专业媒体评为2017中国十大医学进展之一。

惠利健博士于2003年在中科院上海细胞研究所获博士学位,2004-2008年在维也纳分子病理学研究所从事博士后研究,其研究成果“将小鼠成纤维细胞成功转化为功能性肝细胞样细胞”曾入选科技部2011年中国十大科学进展,2013年获得药明康德生命化学研究奖,2014年获得谈家桢生命科学奖。

成纤维细胞华丽转身,构建全新生物人工肝

Q:相对于肾衰患者采用的透析技术,人工肝系统的研究起步更晚。请您谈谈人工肝系统的分类和技术特点。

惠利健博士:生物人工肝是体外肝功能支持系统,可促进肝衰竭患者自体肝功能恢复,也能为肝移植病人争取时间并等待合适肝源。肝脏代谢功能复杂性远远超越肾脏,早期物理性和生物性人工肝研究都起步于上世纪50年代。纯物理性人工肝装置,采取血液过滤、血液透析过滤、血浆灌流、血浆置换(透析并补充患者缺乏的凝血因子等活性物质)等方式。最早的生物人工肝由于缺乏细胞来源,采用动物肝细胞或者人类的肝肿瘤细胞来解毒。

当代最为先进的人工肝研究方向,则是将来源不同的肝细胞与非生物性装置结合:包括高活性肝细胞、生物反应器、体外循环系统。目前生物人工肝中采用的细胞包括:原代人肝细胞、永生性肝细胞(比如肝癌细胞)、干细胞(包括胚胎干细胞、人工诱导多能干细胞等)分化的肝细胞、动物肝细胞、肝脏前体细胞等等。不同来源的细胞都有自己的优势和劣势,比如培养的稳定性、成瘤风险、异体细胞排异和疾病传染风险等等。

哺乳动物肝脏在受损或切割后的自我再生能力,常常让人感叹大自然的神奇。然而原代肝细胞一旦离开生物体内环境,则培养困难且很容出现功能衰减,可能在离体2-3天后就发生形状变化。因此如何持续培养出高性价比、高功能、可传代的肝细胞,是研究者面临的最大挑战。

Q:那么应对这样的体战,您的团队选择了哪种细胞作为原料?最新人工肝产品上市是否有一个时间表?

惠利健博士:成纤维细胞也被称作纤维母细胞,是组织损伤修复的重要生力军;损伤修复完毕会变为成熟纤维细胞,而纤维细胞遇到其他损伤又会退回至成纤维细胞。所以我们选择了这种功能性活动旺盛的细胞系,最早利用数种转录因子和失活基因,将小鼠尾部成纤维细胞直接转化为功能性肝细胞样细胞(iHep)。iHep细胞具有和肝脏细胞类似的上皮细胞形态、基因表达谱,并获得了肝脏细胞的功能,包括肝糖原积累、乙酰化低密度脂蛋白转运、药物代谢、吲哚绿吸收等等。在酪氨酸代谢缺陷的肝病小鼠层面,iHep细胞移植取得了较大存活率。

之后我们将成纤维细胞的改造研究不断深入,从小鼠细胞拓展到人细胞。我们利用来自于人体脂肪、皮肤、骨骼或者脐带里的成纤维细胞,直接改造为具有肝脏代谢功能的肝细胞(hiHep)。在此基础上我们通过与其他学术机构和医院合作,将大规模扩增的hiHep细胞与生物人工肝系统结合,并提升了hiHep功能,终于证明细胞转分化已经成功构建了新一代生物人工肝系统。

该系统目前已经完成了一些临床研究,第一位受试者是有40年乙肝病史且近期出现肝衰的病人。患者前期接受各种内科治疗无明显好转,在接受hiHep生物人工肝治疗后,患者各项肝功能指标恢复良好,度过危险期。该专利已转让给位于嘉定的微知卓生物科技,目前正处在临床研究和产品参数定型的阶段。这个项目从基础科研到临床转化是一个很好的案例,我希望在微知卓生物科技能在3-5年之内将该疗法推向市场。

重编程&转分化:改写细胞命运的两生花

Q:从成纤维细胞到肝脏细胞的转变过程中,细胞命运的改写至关重要。请您介绍一下改变细胞命运的主要原理。

惠利健博士:受精卵分裂至桑椹胚阶段,每个细胞都可独立发育为完整生物体,属于全能干细胞。之后胚胎细胞的全能性逐渐衰减为多能干细胞。胎儿离开母腹之后,婴儿体内只含有少量的专能干细胞;这些成体干细胞在正常生理状态下处于休眠状态,只有在身体损伤等外界信号的刺激情况下,才会被激活并分裂出新生体细胞。而其他处于终末分化期的体细胞,则受到细胞内信号通路、表观遗传、以及细胞外微环境的严格调控,维持在一个相对稳定的类型和状态。只有在遇到严重损伤或致癌物质刺激时,体细胞才会出现化生、癌变等细胞命运的转变事件。

然而从上世纪末以来,细胞命运被改写出现了两种方法。第一种是细胞重编程(reprogramming)。克隆技术通过融合体细胞核与去核卵细胞实现,在此过程中体细胞核的表观遗传模式被彻底改变,原先作为终末分化细胞核的分裂次数也被清零,最终产生了可发育为完整生物体的细胞全能性。而日本学者山中伸弥团队则实现了另外一种细胞重编程途径,他们通过向细胞注入转录因子,将普通人类皮肤细胞诱导回胚胎干细胞的状态(induced pluripotent stem cells,ips cells),并由此证明普通体细胞通过重编程可具备细胞多能性。

这些技术流程较为复杂,相当于把每个普通细胞都变成特种兵,还可能导致成本高昂和伦理风险,所以我希望在细胞重编程之外探索更加特色鲜明、高性价比的细胞转分化方法(trans-differentiation)。作为另一种改写细胞命运的方法,细胞转分化是将成熟体细胞直接诱导为执行其他功能的体细胞,即使某些间接转分化技术会使体细胞退回到可塑的中间状态,但是并没有达到构建多能干细胞的阶段。我们团队的细胞转分化主要依靠过表达相应谱系的特异性转录因子注入;现在还有其他学者通过某些大分子蛋白或者化学小分子直接刺激细胞改变。

Q:您的团队成功在体外诱导了功能肝细胞,那么这种人工培养而成的肝脏细胞,是否会最终应用于器官修复和移植?

惠利健博士:相对而言,hiHep用于体外人工肝系统的构建所导致的风险比较小。然而,将体外培养的肝脏细胞移植入病人体内,都存在免疫排斥和成瘤风险。因此我们下一步的研究方向并非器官和细胞植入,而是直接在肝脏损伤患者内部,高效诱导出足够的新生肝脏细胞。

与壁虎、蝾螈、蚯蚓等低等动物相比,人类体内天然干细胞数量和再生速度都相形见绌;所以即使是再生能力相对较强的肝脏,遇到重大损伤后的修复能力也无法满足病人需要。而如果利用我们之前采用的细胞转分化方式,在人体内部将普通成纤维细胞诱导为肝脏细胞,难度也很大。所以我们希望利用并强化另一种人体内部的损伤修复模式——细胞化生现象(metaplasia),即成熟组织中仍具有分裂能力、接近终末分化期的体细胞,在局部损伤、病理刺激下,有可能转变成另一种成熟组织细胞。

化生是一种可逆适应现象,只存在于功能相似的组织细胞之间,常见化生现象发生于上皮、软骨、浆膜、脂肪和骨髓等组织。肝脏除了实质肝细胞,还包括胆管细胞、血液细胞和基质细胞等。目前我们的合作者和我们发现在严重损伤的情况下,会出现胆管等其他细胞向肝细胞转化的化生现象。我们希望调动并加强人体消化系统内部的细胞可塑性,同时将化生现象控制在对身体有益的范围之内。最近我们有一些不错的发现,希望在取得进一步成果之后,还能够将肝脏这个模式系统推广到其他疾病的研究。

逆转癌变细胞基因:细胞转分化的未来猜想

Q:改写细胞命运是细胞生物学一个非常前沿且神奇的研究领域。除了再生医学之外,该研究方法是否有可能最终应用于癌症治疗?

惠利健博士:这是一个非常好的想法。随着科学的不断进展,前辈留给我们思考的问题会越来越细节。手术、放疗等传统疗法之外的创新抗癌方式,包括靶向小分子药物、抗体药物、溶瘤病毒、抗癌疫苗、质子重离子疗法等等。那么如何在基因和细胞疗法上找到新突破?

早在国内攻读研究生课程时,我的导师胡赓熙在国内最早利用微阵列技术(cDNA array),研究肝癌细胞的特异性基因。当时我们就发现癌细胞与胚胎细胞的形状有很大类似性。事实上,组织损伤和其他病理刺激之所以会刺激细胞基因突变和癌化,正是源于正常细胞命运的改变。目前学者利用重编程和转分化技术,可以改变正常细胞基因组的表达,主要应用方向仍是器官移植和体外仿生器官系统的构建。但改写细胞命运的另外一个方向,就是将癌细胞中的异常基因改造,使之退行恢复为正常细胞,或进行分化为成熟细胞;如果有一天这个研究方向能够诞生重要成果,无疑是癌症患者的福音。

Q:您说到科学界留给后人的研究空间或越来越细致,这无疑给年轻学者带来了许多压力。平衡科研工作中的压力与动力,您有哪些重要的心得感触?

惠利健博士:我觉得当年自己比较幸运,因为在维也纳进行博士后训练时,奖学金资助的范围既包括研究阶段,也包括博士后训练之后的实验室管理培训。从博士后成长为课题组长的过程中,囊括多种综合能力和信息的拓展课程非常重要,因为刚走出校园的年轻课题组长有很多挑战。

我深深受益于在国外接受的拓展训练,所以也希望把这种经验复制到中国,希望广大同仁能够保持积极良好的工作心态。过去三、四年之内,我和中国细胞生物学会的其他同仁组织了多届“黄浦”培训班的工作,面向全国生命科学领域的课题组长,向大家介绍管理经验、基金申请流程、论文发表指南、心理学课程等等。同时,我们也会邀请有经验的课题组长甚至院士,一方面回顾他们的科研历程,展望未来发展方向,另一方面,也给年轻PI带来一些“家国情怀”的引导。不论从事何种工作,挑战与失败都难以避免,只有具有了真正的理想抱负,加上优秀的专业素质和心理素质,才能为科研生涯保驾护航。(生物谷Bioon.com)

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