將皮膚細胞“轉分化”為肝細胞

惠利健

惠利健惠利健? 中國科學院上海生命科學院上海生物化學和細胞研究所研究員，上海科技大學生命科學與技術學院特聘教授、博士生導師。主要研究方向為肝臟疾病的分子病理機制，特別關注肝臟再生和癌化過程中細胞屬性維持與轉變（包括轉分化、去分化等）的作用和分子機制。

2019年5月，中國科學院上海生命科學研究所惠利健等完成的“細胞屬性轉變的基礎和應用研究”項目榮獲2018年度上海科學技術獎自然科學一等獎。該項目以肝細胞為核心，圍繞細胞的轉分化和癌化開展研究，實現了小鼠和人類跨胚層轉分化肝細胞;證明了轉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;揭示了轉分化和癌化的共同調控機制，實現了轉分化肝細胞的大規模擴增，為其臨床應用提供了技術保障。

什么是細胞屬性的轉變？皮膚細胞是通過什么途徑“轉分化”為肝細胞的？該項目成果的應用前景如何？一起來聽聽中國科學院上海生命科學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看不到這種強大的再生能力。人體的大多數重要臟器和組織（如神經系統、心臟、肺、腎臟等）都不具備有效的自我修復和再生能力。而再生醫學就是一門促進創傷與組織器官缺損的生理性修復，進行組織器官再生與功能重建的學科。

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，在體內能夠分化產生某種特定組織類型的細胞。正因為如此，它一直是再生醫學研究的熱點領域。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。胚胎干細胞具有發育全能性，從理論上說可以誘導分化為機體所有種類的細胞。成體干細胞是存在于已經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化為該類型組織的細胞，如造血干細胞、骨髓間充質干細胞、神經干細胞、肝干細胞、皮膚表皮干細胞、腸上皮干細胞、視網膜干細胞、胰腺干細胞等。

3.轉分化? 由于成體干細胞的獲取并不容易，療效也不太確定。于是，科學家們大膽設想，如果可以找到一種使細胞從一種分化屬性直接轉化為另一種分化屬性的方法，就能繞開“干細胞”這個環節，開辟一條新路。不過，既往的理論均認為，在高等動物的發育過程中，干細胞向終末細胞分化的過程是單向的，且在正常生理狀態下，終末分化細胞是穩定的，不會轉變為其他類型的細胞。

可喜的是，近年來有多個國家的研究人員發現，在特定條件下，細胞的屬性是可以轉變的，這就是“轉分化”。簡而言之，“轉分化”就是一種可以直接將某種終末分化細胞轉分化為另一種終末分化細胞的過程，比如在特定條件下，皮膚細胞可以變為肝細胞。

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“轉分化”這個術語：“不同的細胞就像不同職業的人，在各自的工作崗位上發揮著不同的作用。‘轉分化就是讓一個人轉行，比如讓農民轉行當工人，且隨著轉行，他所從事的工作也相應改變了。”

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。

經過數年的研究，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直接轉化為肝細胞（hiHep細胞）。該研究在國際上屬首次報道，具有開創性意義（圖1）。

“工種”變，“功能”也變

惠利健研究員告訴記者，將皮膚細胞成功轉分化為肝細胞，只能算是邁出了第一步。雖然肝細胞在體內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。

在經歷了一次次失敗后，惠利健團隊終于發現了使肝細胞在體外實現大量擴增的辦法。他們發現，細胞衰老、凋亡的信號通路是轉分化的關鍵負調控機制，只要通過抑制相關通路，就能實現轉分化肝細胞的大規模擴增。

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、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，將其轉分化為肝細胞，再回輸給患者，使之發揮肝細胞的功能呢？惠利健研究員表示，這一做法從理論上說是可行的。不過，考慮到在細胞轉分化過程中進行過一些遺傳學操作，若直接將這些轉分化肝細胞輸入人體，可能存在一定的風險。因此，他們轉變了思路，設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“轉分化肝細胞生物人工肝”解毒、代謝并獲得營養成分后，再回輸到動物體內，可以起到暫時替代肝臟的作用，同時也能避免體外培養的轉分化肝細胞進入體內可能引發的種種風險。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，轉分化肝細胞生物人工肝目前已經實現了技術專利授權與轉化，并已經在部分醫院開展臨床研究。相信在不久的將來，這一成果將使大量重癥肝病患者獲益。

“轉分化”與“癌化”：調控機制相同，有望帶來癌癥治療新策略

與轉分化類似，持續的組織損傷會造成細胞屬性的惡性轉變——癌化，使正常細胞轉變為惡性增殖的癌化細胞。

“轉分化和癌化是細胞屬性轉變的不同形式，存在共同的調控機制。”惠利健研究員告訴記者，“我們的研究發現一個重要促癌基因Survivin，它在肝臟損傷再生中對膽管反應來源的肝干細胞活化進行調控。這一發現對于建立促進再生、避免癌化的精準治療具有重要意義。”

最新進展：從“轉分化”到“去分化”，創新永遠在路上

圖3：去分化示意圖

在進行“轉分化”研究（將一種細胞轉變為另一種細胞）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，體內具有可塑性的細胞會發生“返祖”現象，轉變為具有分化潛能的前體細胞。惠利健研究員團隊發現，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，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”+體外擴增技術使肝干細胞的來源不再是問題，且由于沒有經過遺傳學操作，這些細胞對人體是安全的。未來，如果這些肝干細胞能夠應用于臨床治療，將有望開創肝臟再生新思路，甚至有望使一部分肝衰竭患者免于肝移植。