终有一天,人类也许不再需要器官移植

2019年2月11日07时42分内容来源:南方周末

终有一天,人类也许不再需要器官移植

美国索尔克研究所的胡安·贝尔蒙特。(资料图/图)


全文共4589字,阅读大约需要10分钟


  • 使用一种“体内细胞重编程”的新技术,科学家无需植皮就可以治愈小鼠皮肤上的大面积溃疡,过程简单到只需给伤口涂抹一种“药膏”。除了修复皮肤以外,这一技术在心脏病、肝病、糖尿病等领域的探索近年来也取得了多项重大突破。也许有一天,结合更精准的疾病筛查方法,人类真的将和器官移植说再见。


本文首发于南方周末 未经授权 不得转载

文 | 南方周末特约撰稿 陈彬

责任编辑 | 朱力远


根据世界卫生组织2016年的一份数据,全世界每年会有超过13万名病人接受器官移植。通过这些手术,大量病人的病痛得到缓解,生活质量也大大提高。然而与这相对幸运的13万人相比,还有更多的病人在苦苦等待,等待可供他们移植的器官,其中有很多人在生命终结时也无法等到。


随着科技的不断进步,各种器官移植技术也愈发成熟,影响器官移植拯救更多病人生命的瓶颈,很大程度上是器官的缺乏。世界各国科学家都在研究可以缓解这种器官缺乏的医学方法。


在过去的两个多月里,不断有新的科学研究在这一领域取得重大进展,其中有两项尤其引人关注:2018年12月4日,巴西的科学家在世界权威医学期刊《柳叶刀》上发表了一篇论文,报道了一位病人在移植了已死亡捐赠者捐赠的子宫后,成功产下了一名女婴,这是世界上的第一例。这项研究为那些由于子宫异常或病变无法生育的女性带来了希望。仅仅一天后,德国的科学家在英国《自然》杂志上发表了将基因改造的猪的心脏移植到狒狒体内的研究。研究表明,这些猪的心脏能够维持狒狒生存超过半年(直至研究结束仍有狒狒活着,最后被执行安乐死)。这种异种移植(Xenotransplantation)在未来也许可以使用其他动物来为病人提供充足的器官。


除了这些相对比较“传统”的方法以外,不少科学家近年来还在尝试研究一些“另类”的方法,以期摆脱移植器官缺乏的困境。这些科学家的“野心”更大,他们甚至希望有一天我们无需器官移植就能治好相关的疾病。


美国科学家不久前就同样在《自然》杂志上发表了一项研究成果,报道了使用一种被称作“体内细胞重编程”(in vivocellularreprogramming)的技术,无需植皮就可以使小鼠皮肤(皮肤是机体最大的器官)上大面积的溃疡面成功愈合,过程甚至简单到只需给小鼠伤口涂抹一种“药膏”。除了修复皮肤以外,体内细胞重编程在心脏病、肝病、糖尿病等领域的探索近年来也取得了多项重大突破,也许有一天,结合更加精准的疾病筛查方法,我们真的将不再需要器官移植。


使用体内细胞重编程技术,胡安·贝尔蒙特的实验室成功地将小鼠皮肤溃疡面处的真皮成纤维细胞(红色)转变成了能够形成表皮的角质形成细胞(绿色)。(资料图/图)

1


难以愈合的创面


人体的皮肤有一定的损伤修复能力,这一点我们都有切身的体会:如果不小心把手划伤了,伤口往往几天之内就会愈合。然而,这种修复能力是有限的。一方面,随着人逐渐衰老,这种修复能力会减弱;另一方面,如果人患有某些疾病(比如糖尿病),或者被大面积烧伤,那么产生的溃疡面则很难愈合。对于这些难于愈合的伤口,现在主要的治疗方法是植皮,但植皮有感染和排异反应(当伤口非常大,病人自己无法提供足够多的皮肤,不得不移植异体皮肤时)等风险。


即使是皮肤上一个很小伤口的愈合,也是非常复杂的过程。血管破裂后被激活的凝血因子和血小板首先会相互作用形成血凝块止住血;各类免疫细胞接着会赶到并“清理现场”防止感染;随后就进入了关键的一步——修复和愈合。这一步主要的参与者是表皮层(皮肤分为表皮层和真皮层)的角质形成细胞(keratinocyte)。在角质形成细胞中,那些分布在表皮最底层的细胞被称作基底角质形成细胞(basal keratinocyte),这些细胞拥有干细胞的特征。在平时,这些细胞会不断分裂,产生的子代细胞中有一部分会在垂直方向上向皮肤表层迁移,保证皮肤表层的细胞不断“更新换代”,而另外一部分子代细胞则会作为干细胞继续分裂,保证有源源不断的细胞产生。


当皮肤出现伤口时,那些用于更新换代的子代细胞就会向伤口方向迁移,像一个个誓要夺回丢失阵地的士兵一样涌向伤口,并最终和其他“战友”顺利“会师”,使伤口得以愈合。


然而当伤口创面很大或者损伤很严重时,整个表皮层往往都被破坏掉了,基底角质形成细胞也已经所剩无几。由于没有了可供更新换代的细胞,伤口常常难于愈合,即使真的愈合了,参与愈合的细胞的功能也主要是封闭伤口和防止感染,所以损伤处也已经无法再形成健康的皮肤。

2


神奇的“鸡尾酒”


在这项新的研究中,美国索尔克研究所(Salk Institute)的科学家胡安·卡洛斯·伊斯皮苏亚·贝尔蒙特(Juan Carlos Izpisua Belmonte)另辟蹊径,“强征”其他细胞来顶替角质形成细胞。


在皮肤表皮层以下的真皮层中,分布有真皮成纤维细胞(dermal fibroblast),这些细胞的作用主要是“生产”各种起“黏连”作用的分子,这些分子可以像“胶水”一样把各类细胞和组织“黏连”起来。当皮肤出现严重损伤时,虽然表皮层中的角质形成细胞已经所剩无几,但还存在这些真皮成纤维细胞。利用在体细胞重编程技术,贝尔蒙特实验室的科学家让这些细胞转变角色,“转岗”成为角质形成细胞,从而使皮肤的溃疡面得以修复和愈合。


无论其他动物还是人,体内都有很多种类不同的细胞,这些细胞分别承担着不同的任务,不同类型的细胞通常情况下不能“越界”去承担其他类型细胞的任务,这就好像一名医生往往难于胜任一名物理学家的工作一样。和角质形成细胞一样,这些“职业”特化的细胞都是由各类干细胞产生的:干细胞分裂产生的子代细胞中有一部分继续担负干细胞的功能,另一些子代细胞则被“指派”(在科学上被称作“分化”)去担负各不相同的任务。


日本科学家山中伸弥在2006年发现,当向某些已经分化的细胞引入4种蛋白质分子组成的“鸡尾酒”时,这些细胞会转变成为一类现在被称为“诱导多能干细胞”(inducedpluripotentstemcell)的细胞,这些细胞拥有类似胚胎干细胞的特点,在特定的条件下可以分化成机体内的任何一种细胞。山中伸弥因为这一重要发现获得了2012年的诺贝尔生理学或医学奖。


在随后的研究中,科学家甚至发现无需先把已经分化的细胞诱导变回(去分化)干细胞,如果“鸡尾酒”选择恰当,可以直接让某种“职业”的细胞“转岗”去从事另一种“职业”,这种方法就被称作“细胞重编程”。

3


大海捞针的尝试


由于伤口处分布有真皮成纤维细胞,因此贝尔蒙特实验室的科学家希望利用细胞重编程让这些细胞“转岗”成为角质形成细胞,帮助伤口处大面积的溃疡面愈合。


科学家首先对在培养皿中培养(被称为“离体”)的真皮成纤维细胞和角质形成细胞各种基因的活性情况进行了比较和筛选,根据这一领域已有的研究发现,找到了一些有可能将真皮成纤维细胞重编程为角质形成细胞的蛋白质。接下来要做的就是对这些蛋白质进行进一步的筛选,找到最合适的“鸡尾酒”:一方面,这种“鸡尾酒”要能够有效地将真皮成纤维细胞重编程为能帮助溃疡面愈合的角质形成细胞;另一方面,“鸡尾酒”所含成分的种类要尽量少。


在很多影视或者文学作品中,每当讲到科学家作出重大发现时,经常都会把这一过程描述为科学家的灵光一闪,接下来的工作就异常简单而轻松了。然而在现实中,绝大多数时候的情况却远非如此。山中伸弥并不是拍拍脑袋就猜出他的“鸡尾酒”应该包含哪4种蛋白质的。他实验室的科学家从24种可能有效的蛋白质出发,将这些蛋白质进行各式各样的排列组合,一种组合一种组合地试(别忘了,那时没人知道最少需要多少种蛋白质才能调出有效的“鸡尾酒”),最后才找到了那4种有效的蛋白质。


贝尔蒙特实验室的科学家也采用了同样的策略,不过他们面对的挑战要更大一些:需要筛选的蛋白质不是24种,而是55种。在经过大海捞针式的努力之后,科学家把可能有效的蛋白质种类降到了4种。当把这4种蛋白质组成“鸡尾酒”引入到真皮成纤维细胞中之后,这些细胞就能分化成角质形成细胞!


然而在培养皿中进行的实验是一回事,这种“鸡尾酒”是否真的能够帮助身体上的伤口愈合又是另一回事。科学家们还需要进行在体实验来验证:在实验动物的身体上先制造出大面积的溃疡面损伤,然后看这种“鸡尾酒”是否能够帮助伤口修复和愈合。

4


涂点“药膏”就能愈合


通过手术,科学家从小鼠的身体上移除掉了很大的一块皮肤,并且用特殊的工具把这种人工的溃疡面和完好的皮肤隔开,避免完好皮肤上的角质形成细胞向溃疡面迁移。


科学家接下来用一种病毒作为载体,把在细胞实验中发现的“鸡尾酒”蛋白的基因送入伤口处的真皮成纤维细胞中。有了这些蛋白质的基因,真皮成纤维细胞就能合成这些蛋白质,细胞里也就调出了“鸡尾酒”。实验结果发现,18天后,伤口上就开始长出了一个个表皮一样的“小岛”,随着时间的推移,这些“小岛”会逐渐连成一片。更进一步的组织学检测发现,28天后,这些表皮和小鼠身体上其他部位没有损伤过的表皮就非常相似了。


皮肤最重要的一个功能是作为身体的屏障,一方面,防止外界的有害物质进入身体;另一方面,防止身体内的一些物质(比如水)散失。科学家对诱导再生出的皮肤进行了这两方面的检测,并与没有损伤过的皮肤进行了比较。研究发现,仅仅3个月后,无论是在阻碍染料从皮肤外侧向内侧渗入的能力,还是避免水分从皮肤内侧向外侧散失的能力,两种皮肤都已经没有什么区别了。


为了进一步提高这种方法在未来临床应用上的可操作性,科学家还把用于诱导的病毒混合到了一种胶原凝胶中,做成了一种“药膏”。使用这种“药膏”能更方便向伤口给药,只需要把“药膏”敷在伤口上就行了。实验发现,这种通过凝胶给药的方式不仅能诱导伤口的愈合,而且效果也比直接向伤口给含有病毒的液体更好!


所有这些结果都表明,这种方法能够高效、便捷地帮助大面积的皮肤伤口愈合,重新长出健康的皮肤。虽然这项研究是在小鼠上进行的,但在给国外媒体写的一篇文章中,贝尔蒙特提到他对这种方法在未来的应用前景非常乐观,并且认为这种方法不仅可以用于帮助损伤的皮肤愈合,而且对皮肤癌、抗衰老等领域的研究也会大有助益。

5


与器官移植说再见?


看到细胞重编程广泛应用前景的远不止贝尔蒙特一个人。有的科学家甚至有更大的“野心”,他们研究的领域并不限于修复受伤的皮肤,还包括修复体内病变的器官。


这种策略在心脏病、肝病、糖尿病等多个领域都已经有了不小的进展。2013年,美国和日本的科学家使用一种由5种蛋白质组成的“鸡尾酒”,成功地将人的成纤维细胞高效、快速地重编程成了心肌细胞;美国科学家2016年的研究还发现,当人的成纤维细胞被重编程并移植到心肌梗死(导致一些心肌细胞死亡)的小鼠心脏中后,这些细胞很快就转变成了心肌细胞。这种方法未来有望用于治疗患有心脏病的病人。同样是在2016年,科学家在肝脏相关的研究中做出了更令人兴奋的发现。甚至不需要移植细胞,德国的科学家通过诱导患有肝硬化的小鼠体内的肌成纤维细胞,让这些细胞自己“生产”由4种蛋白质组成的“鸡尾酒”,这些细胞就能重编程为肝细胞,使肝硬化的症状有所缓解。


有可能最早在临床上得到应用的,则是用细胞重编程技术来治疗糖尿病。早在2008年,美国的科学家就利用这种方法让糖尿病小鼠体内的胰腺外分泌细胞“生产”由3种蛋白质组成的“鸡尾酒”,成功地将这些细胞重编程成了小鼠胰岛的β细胞。这些β细胞能够和正常的β细胞一样分泌胰岛素,因此控制住了糖尿病小鼠的血糖水平。由于I型糖尿病产生的原因正是β细胞遭到自身免疫系统错误的攻击和破坏,所以这种方法未来很有可能被用于治疗I型糖尿病,使病人不再需要随时监测血糖,甚至彻底痊愈。


除了心脏病、糖尿病和肝病,各国的科学家还在使用这种技术寻找治疗或者缓解中风、帕金森氏症、阿尔茨海默病、渐冻人症(史蒂芬·霍金患的那种疾病)等神经系统疾病的方法。从使用蛋白质“鸡尾酒”重编程细胞的技术发展起来到现在只有短短十几年的时间,而在这十几年的时间里,这种技术已经极大地推动了再生医学的进步。关于这种技术未来有多大的临床应用前景,和贝尔蒙特一样,很多这一领域的科学家都持乐观的态度:结合更精准的疾病筛查和预防方法,也许有一天,人类将无需再通过器官移植来治疗各类疾病。


    发送中

    最值得关注的微信公众号