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張康團隊再發文:再生療法可治療嚴重眼疾

中國虎網 2018/3/16 0:00:00 來源: 未知

不久前,加州大學圣地亞哥分校(UCSD)張康教授團隊的研究榮登《細胞》雜志封面,為患者們帶來了一款能準確診斷多種疾病的人工智能算法。近日,張康教授和復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院眼科研究院院長和眼科主任盧奕教授合作再次在頂尖學術刊物上發表文章——在最新一期的《新英格蘭醫學雜志》(NEJM)上,盧奕教授與張康教授對近期視網膜細胞重編程用于再生療法的重大進展進行了詳盡的介紹。

▲本研究的作者張康教授(左)與盧奕教授(右)(圖片來源:UCSD / 復旦大學)

哺乳動物為何缺乏再生能力?

視網膜對人類的視覺至關重要。據統計,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,就是視網膜神經元的退化。因此,找到能延緩、甚至是逆轉退化進程的方法,也就成了當下研究人員們的攻堅方向。

在非脊椎動物里,研究人員們看到了希望——以魚類為例,當它們的視網膜受損后,會啟動“去分化”和“細胞重編程”的過程,使內源的Müller膠質細胞(Müller glia)增殖并分化成多種不同類型的視網膜細胞,重塑視覺。如果能在眼疾患者的體內重現這一進程,不就能恢復他們的視力嗎?沒那么簡單。和魚類相比,哺乳動物的再生能力幾乎為零。想要重現,談何容易?

▲魚類中的實驗結果,無法簡單在哺乳動物里重復(圖片來源:By Oregon State University (Zebrafish))

在魚類里的進一步研究,讓我們對再生能力背后的分子機理有了更深的了解。想要讓Müller膠質細胞去分化、重編程為視網膜神經元,需要重新激活特定的基因。這和胚胎發育時,視網膜多能祖細胞發育成視網膜神經元所需要激活的基因相似。

這一發現給研究人員們帶來了新的啟示。他們發現在斑馬魚的視網膜受損后,一種叫做Ascl1的轉錄因子在Müller膠質細胞中的表達水平會上調,這對于視網膜的再生是必須的。而當哺乳動物的視網膜受損后,Ascl1卻不會表達。這是魚類和哺乳動物再生能力區別的關鍵嗎?

視網膜再生的突破

為了檢驗這個想法,美國華盛頓大學的Thomas A. Reh教授團隊通過基因工程的手段,讓小鼠的Müller膠質細胞表達Ascl1。這一看似簡單的實驗取得了令人欣喜的效果——無論是在體外實驗還是在體內實驗里,Ascl1的表達都能刺激視網膜神經細胞的再生。乍一看來,我們已經掌握了在哺乳動物中促進視網膜再生的關鍵。

但好景不長。研究人員們很快發現,即便Ascl1處于持續的過量表達中,這種再生能力依舊會在小鼠出生后的第16天消失。這表明Ascl1并非是視網膜再生的唯一關鍵要素。而隨著再生能力的下降,Müller膠質細胞的染色質“可及性”也有所降低,這意味著許多再生所需基因的表達可能得到了抑制,背后則是表觀遺傳上的調控。

▲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Müller膠質細胞中的Ascl1表達,另一方面用表觀遺傳學方法在這些細胞中注射組蛋白脫乙酰酶抑制劑,讓包括Ascl1在內的諸多轉錄因子能更好地促進下游基因的表達。而結果也正如研究人員們所料:改進之后,這些Müller膠質細胞轉變為視網膜神經元的效率有了大幅提高,且分化出的視網膜神經元能與現有的神經元形成突觸,整合入視網膜的神經環路中,并隨光的刺激產生電勢。換句話說,這些新形成的細胞具有正常生理功能。此項研究最近在《自然》發表。

盧奕教授與張康教授在綜述中指出這項研究有著重要的直接醫療價值——一般來說,體內的原位細胞重編程相較傳統的干細胞療法,發生感染或排斥風險更低、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證與推廣,在患者眼中誘導產生感光細胞和視網膜神經節細胞,那將會是是患者的一大福音。

細胞再生療法的前景

這篇綜述還指出,從廣義上看,細胞再生療法有望以一種巧妙的方式對視網膜色素變性和黃斑變性在內的嚴重眼疾進行治療——視網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多個不同基因和上萬個突變。倘若設計逐一基因治療來修正每個突變基因,即便可行,效率也極低且成本太高。2017年,張康教授團隊在《Cell Research》上發文,介紹了其最新以一種基因剪輯方法,來治療所有視網膜色素變性病人。研究人員們指出,導致視網膜色素變性的基因突變主要影響視桿細胞,在造成這些細胞退化和失去功能之后,還會進一步影響到視錐細胞,導致視力精確度下降,色彩感知力變差。

有趣的是,人體中的視桿細胞數量遠多于視錐細胞。據估計,視網膜里大約有600萬個視錐細胞,而視桿細胞的數量高達1.2億,是前者的20倍。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術,張康教授團隊成功敲除了視桿細胞里的Nrl和Nr2e3基因。作為控制細胞命運的“開關”,Nrl與它下游的轉錄因子Nr2e3能促進視桿細胞的分化與形成。而一旦這些基因不再起作用,視桿細胞就能變成視錐細胞。理論上說,盡管這些細胞內依舊帶有導致視網膜色素變性的突變,但由于視錐細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。而視桿細胞龐大的數量,也讓細胞類型轉變帶來的影響降到了最低。

▲小鼠實驗驗證了這一思路的可行性(圖片來源:《Precision Clinical Medicine》)

動物實驗中,研究人員們用兩種不同的小鼠視網膜色素變性模型驗證了這一思路的可行性。研究發現,在CRISPR-Cas9基因編輯技術的作用下,隨著Nrl和Nr2e3基因的“失活”,大量視桿細胞被重編程為了視錐細胞,且維持了視網膜中應有的正常細胞結構。而視網膜電圖測試則進一步表明,小鼠的電生理功能和視力的確得到了明顯的改善。

“原位細胞重編程還有一個好處,就是不需要引入外部細胞。就像給花草移盆容易給植物帶來損傷一樣,外部移入的細胞也不一定能適應新的環境,”張康教授評論道:“但原位細胞重編程技術不一樣。新轉變而來的視錐細胞在自身視網膜里土生土長,對周圍的環境很適應,不會水土不服。”

當然,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。由于人類視網膜結構的獨特性,在人類臨床試驗之前,我們還需要在靈長類動物模型中測試這款療法的安全性與有效性。可喜的是,據了解,張康教授團隊已在靈長類動物模型中做了試驗,安全性和效果很好。預計2018年底前進行臨床試驗。2017年,我們迎來了首款CAR-T療法與首款人體內基因療法的獲批。我們同樣期待不久后能看到再生療法在眼科取得突破。無論是對于科研人員,還是對于患者,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.

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