一顆石子從山頂滾落山腳，若沒有外界助力，它的軌跡就此而終。細胞的命運同樣如此，從年輕走向衰老，如何逆轉這一“生命時鐘”，是科學界和醫學界的長期難題。

2012年，時年79歲的英國科學家約翰·戈登（John Gurdon）和50歲的日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）獲得諾貝爾生理學或醫學獎。他們的重大貢獻在于從理論上顛覆了人們對自然發育分化的傳統觀念，即認為干細胞分化為體細胞是不可逆的過程。

兩位科學家分別開發了體細胞核移植和轉錄因子表達的方法，使得動物體細胞可以通過重編程逆轉為胚胎發育早期狀態，重新獲得“多潛能性”。北京大學博雅講席教授、干細胞研究中心主任鄧宏魁一直在尋找上述兩種方法之外的第三種方法——化學重編程。

“我們一直在追求一種更加簡單、精準和可控的方法，不涉及任何復雜操作，僅僅在細胞培養基中添加一些特定的外源化學小分子，就能控制細胞的特性，甚至逆轉發育特征。”鄧宏魁在接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者專訪時表示，這種“最簡單”的操控細胞命運的方式，卻可以帶來質的飛躍。

鄧宏魁團隊在細胞重編程和干細胞研究領域深耕了十幾年。此前的2013年，其團隊在頂級學術期刊《科學》（Science）發表了一項原創性的研究成果，即不依賴細胞內源物質，僅使用外源性化學小分子就可以逆轉細胞命運，將小鼠的體細胞重編程為多潛能干細胞（CiPS細胞）。將類似的方法推衍到人類細胞上，他們又整整走了9年時間。

“當時我們想法比較簡單，老鼠做成了，那人是不是就很容易做了？但這比我想象要難的多。”鄧宏魁將各物種細胞的穩態比作跳高，進化程度越高，克服其穩態的難度也更高一截，這也是此前克隆蛙、克隆羊、克隆猴的問世都分別相差了幾十年的原因。

北京時間4月13日深夜，鄧宏魁團隊這項歷經9年的研究成果最終發表在頂級學術期刊《自然》（Nature），題為“化學重編程人類成體細胞為多能干細胞”（ Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells）。他們首次報道了使用化學重編程的方法，成功實現了使用化學小分子將人成體細胞誘導為多潛能干細胞(人CiPS細胞)。這一由國內團隊自主研發的技術，開辟了人多潛能干細胞制備的全新途徑，使其向臨床應用邁進了一大步。

“進一步打開了人的再生醫學的大門。”鄧宏魁如是表示。

高度分化的體細胞何以逆轉？

在再生生物學領域，常用的兩個動物模型分別為渦蟲和蠑螈。 

作為一種低等的小蟲子，渦蟲擁有著超強的再生能力，即使被切碎成200多份，每一份依然能再生出完整的新個體。而蠑螈在肢體截斷之后，大約一個星期就能觀察到截肢末端長出一團芽基組織，最后也能完美地長出新的肢體。

“低等動物有很強的再生能力，而人在進化過程中把這種很強的再生能力給喪失掉了。”鄧宏魁表示。

他在此前的一場論壇也談到過類似的話題。其解釋道，動物體內的細胞都是由干細胞定向分化成不同的、處于功能穩定階段的各種功能成熟細胞，“在低等動物中，處于損傷的情況下，這些功能細胞可以產生一種細胞命運重編程的過程，即首先成熟細胞開始去分化，然后重新變回到干細胞，最后干細胞可以再分化變成各種不同類型的功能細胞，來達到修復組織器官的目的。”

破解這一生物學的奧秘，對人類本身意義深遠。顯而易見的一點是，在老齡化日趨嚴重的當下，“一個關鍵的社會問題是我們能不能實現健康的老齡化？”包括鄧宏魁在內的該領域科學家認為，提升人的再生能力，能為解決衰老過程引起而目前傳統醫學不能解決的重大疾病提供一種新的手段。

生命科學領域朝著這一目標已經嘗試了幾十年。上世紀60年代，戈登在爪蟾中開發了細胞核移植技術；1997年，英國Roslin研究所的伊恩·維爾穆特（Ian Wilmut）團隊利用該技術制備了克隆羊“多莉”，證明了哺乳動物高度分化的體細胞可以被逆轉為早期胚胎的初始狀態，并獲得了發育為整個動物個體的能力。2006年，山中伸彌報道了使用轉基因的方式可以將小鼠成體細胞重編程為多潛能干細胞，被稱為誘導多潛能干細胞（iPS細胞）。

鄧宏魁對澎湃新聞記者表示，核移植技術可以稱為第一代技術。該技術將一種體細胞的細胞核注入去除細胞核的卵子，通過人工方法激活后再移植到代孕母體發育成個體。

值得一提的是，就在2018年1月，頂級學術期刊《細胞》（Cell）的一篇封面文章向外界宣布，和人類最為接近的靈長類動物食蟹猴的克隆體誕生。該項突破性成果由中國科學院神經科學研究所孫強、蒲慕明領導的研究團隊完成，兩只克隆猴取名為“中中”和“華華”。 

但體細胞核移植也面臨多重制約。鄧宏魁表示，“如果要對人的細胞進行試驗，第一，需要用到人的卵母細胞，它的獲得比較困難；第二，核移植以后，發育到人的早期胚胎時需要把它破壞掉，然后從里面取出內細胞團，制備胚胎干細胞，它在倫理上存在問題和爭議。”

山中伸彌在2006年報道的方法則被認為是細胞重編程領域的第二代技術。山中伸彌等人把4個轉錄因子（Oct4、Sox2、Klf4、cMyc）通過逆轉錄病毒載體轉入小鼠的成纖維細胞，使其變成多功能干細胞，也由此創立了誘導多潛能干細胞（iPS細胞）。

“它不需要用到卵母細胞，也沒有胚胎發育環節，可以直接把體細胞重編程為多潛能細胞，這樣就解決倫理上的爭議了。”鄧宏魁進一步談到，山中伸彌開創的方法也同時實現了“個體化”，“任何一個普通的病人，理論上他的細胞都可以制備成多潛能干細胞。” 

然而，這種遺傳學的方法同樣并不完美。比如，通過病毒等方式把基因導入進去，可能會有潛在的遺傳風險。這也是目前該方法在臨床應用上最大的擔憂，即安全性的問題。

無論是體細胞核移植技術，還是轉錄因子介導，這些都依賴于細胞內源物質，難以做到標準化。業內也希望，能有更規范化、更標準化的方法應用于臨床轉化。

新一代細胞重編程技術：化學重編程

在鄧宏魁看來，逆轉“生命時鐘” 的一種較為理想的方式是依靠外源刺激來實現細胞的重編程，例如化學小分子的刺激。小分子化合物是日常服用藥物的主要成分，相對于細胞質和基因等細胞物質更安全可控。

“如果利用化學小分子的話，可以通過非常簡單的組合方式，對多個靶點、多個信號通路同時調控。除了組合非常靈活，還可以調控小分子的濃度，處理的時間，可以實現時空上的分階段的精準調控。”鄧宏魁如此描述這種新一代重編程技術的優勢。 

另外，相比傳統方法，小分子誘導體細胞重編程技術作為非整合方法，規避了傳統轉基因操作引發的安全問題，有望成為更安全的臨床治療手段。

鄧宏魁提到，其團隊自2007年開始研究化學重編程技術，直至2013年，他們在《科學》雜志發表了小鼠化學重編程工作。自那時起，眾多國際團隊在小鼠化學重編程工作的啟發下也進行了大量嘗試，卻一直未能解決人類成體細胞的化學重編程問題。

鄧宏魁團隊也經歷了長時間的摸索，但小鼠身上的“經驗”并不能快速復制到人類細胞研究中。鄧宏魁在回顧過去近十年的研究歷程時感嘆，“這比我想象的要難的多。”

他表示，“作為高等動物，人類成體細胞特性和穩態調控的復雜性遠非小鼠成體細胞可比，在表觀遺傳層面上存在重重障礙，嚴重限制了在人類成體細胞中激發細胞可塑性的可能。”

“細胞的身份一旦被鎖定了，它不允許被輕易改變。”這種難度的遞增在以往的研究中也存在，“核移植技術是在上個世紀60年代的克隆蛙身上實現的，而克隆羊是在1997年發表的，經歷了三十幾年。”鄧宏魁表示，一樣的技術在不同物種上實現的時間相差如此之久，主要的原因即在于羊的細胞的穩態遠超過低等動物蛙。而克隆猴“中中”和“華華”的誕生又在克隆羊“多莉”問世逾20余年后才得以實現。

“進化程度越高，克服細胞穩態的難度就像跳高，又高出了一截。”鄧宏魁提到，為了克服人體細胞的穩態，在頭六年的時間里，團隊篩選了多種可能性，“所有的策略都不work。”

與此同時，領域內也普遍認為：人類成體細胞的表觀遺傳限制是極其嚴格的，很可能無法通過化學重編程激發人類成體細胞獲得多潛能性。“其實某種意義上來說，難點也在于這種觀念，就是說認為這件事情是不太可能的。”鄧宏魁表示。

破題思路仍然來源于低等動物，“它們是怎么實現再生的？”鄧宏魁談到，團隊回到了這一本質問題。蠑螈等低等動物在受到外界損傷后其體細胞會自發的改變本身的特性，進而通過被稱為“去分化”的過程獲得一定的“可塑性”，借助這一可塑的中間狀態從而實現肢體的再生。 

研究團隊假設，重新建立這種可塑狀態是小分子解鎖人類體細胞“身份”，并允許生成人多潛能干細胞的關鍵。受此啟發，研究團隊把工作主要分成了兩個步驟。“第一步不是實現多潛能干細胞，而是去模擬低等動物這條路，如果第一步實現了，后面一步實現多潛能干細胞可能就很容易了。”在鄧宏魁看來，第一步是真正具有跨越意義的一步，“這或可以真正打開人類再生醫學的大門。”

使用化學小分子實現人CiPS細胞的成功誘導。

沿著上述思路，研究團隊進行了大量化學小分子的篩選和組合，最終發現高度分化的人成體細胞在特定的化學小分子組合的作用下，同樣可以發生類似低等動物中去分化的現象，并獲得具有一定可塑性的中間狀態。在此基礎上，研究團隊最終實現了人CiPS細胞的成功誘導。

總體而言，他們通過創造一個中間的可塑性狀態來實現人類體細胞的化學重編程，并獲得了和胚胎干細胞高度相似的人CiPS細胞。整個化學重編程軌跡分析揭示了早期中間可塑性狀態的產生，在此過程中發生化學小分子誘導的細胞去分化現象。比對分析發現，該過程與蠑螈肢體再生的去分化過程相似，激活了與發育和再生相關的關鍵基因。

化學小分子誘導人類體細胞在早期階段去分化，產生中間可塑性狀態。

更重要的是，研究團隊還發現了調控這一類再生過程和細胞可塑性的關鍵信號通路，即JNK通路是化學重編程的主要障礙，抑制JNK通路對于通過抑制炎癥信號來誘導細胞可塑性和再生相關程序是必不可少的。因此，JNK通路可能成為研究人類再生的新靶點。

鄧宏魁認為這是一種更為精準可控的細胞命運調控方法。化學小分子操控的方式，“把重編過程變成了像火車可以停靠一樣，它可以停在任何一個階段，也就說是一個可以精細調控的過程。”

“打開了人的再生醫學的大門”

鄧宏魁認為，在安全、易操作、可精細調控等優勢下，CiPS細胞誘導技術有望真正打開人類的再生醫學的大門。

研究團隊認為，與傳統的技術體系相比，CiPS細胞誘導技術突破了此前iPS技術面臨的限制，具有廣闊的臨床應用前景。具體來看，安全性方面，之前在小鼠CiPS細胞中已經證明，其攜帶的遺傳突變顯著少于傳統iPS細胞，產生的嵌合體小鼠在長達6個月的觀察期內不產生腫瘤且全部健康存活。同時，人CiPS細胞分化來源的胰島細胞移植入小鼠和非人靈長類動物模型體內，經過長期觀察未發現腫瘤形成。“iPS細胞在臨床應用上最大的擔憂就是安全性問題，所以這個領域還是希望能看到新的更安全的方式。”

其次，在個體化制備方面，研究團隊目前已在不同年齡個體來源的體細胞類型上都可實現穩定誘導人CiPS細胞。

而在細胞標準化制備方面，化學小分子具有操作簡單，時空調控性強，作用可逆，合成儲存方便，易于標準化生產等一系列特點，使得人CiPS細胞在標準化和規模化生產方面有著不可替代的優勢。

值得一提的是，今年的2月4日，鄧宏魁團隊和中國醫學科學院/北京協和醫學院彭小忠研究組及天津市第一中心醫院沈中陽研究組合作在《自然-醫學》（Nature Medicine）了一項研究，他們建立了人CiPS細胞向胰島細胞的分化制備方案，獲得了功能成熟的人CiPS細胞來源的胰島細胞；進一步將其移植入非人靈長類糖尿病動物模型中，系統驗證了人CiPS細胞分化的胰島治療糖尿病的安全性和有效性。

德國馬克斯·普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所的Anne Grapin-Botton等人在《Cell Stem Cell》就鄧宏魁等人的上述研究發表了一篇評論文章。文章寫道，小鼠一直是測試多能干細胞來源的β細胞的金標準，然而在臨床試驗中，小鼠和人類之間存在很大的差距。而將人CiPS細胞分化來源的胰島細胞移植到恒河猴身上，并檢驗其臨床可行性，是鄧宏魁等人這項工作的關鍵價值。

在此前的這項研究中，研究團隊觀察到，人CiPS細胞分化胰島移植入糖尿病模型小鼠體內，可以有效逆轉糖尿病，而且在長達48周的觀察周期中，所有移植小鼠中均未觀察到移植細胞致瘤現象。在猴子中則觀察到，接受細胞移植的糖尿病猴的C肽（胰島素分泌標記物）釋放能夠響應餐食或葡萄糖刺激。在4只長期跟蹤觀察的糖尿病模型猴上，糖化血紅蛋白（HbA1c）與移植前峰值相比，下降了2%以上。HbA1c是臨床常用的指標，用于綜合評價糖尿病患者的中長期的血糖控制情況。

“我們CiPS細胞誘導技術的應用，已經實現了將分化細胞移植到了猴子模型上，這方面超越了傳統的iPS細胞。”鄧宏魁表示，其團隊在胰島分化方面有近20年的研究基礎，再和化學重編程技術相結合，“保證了我們在這方面工作的領先。”

在他看來，胰島細胞的移植是所有應用方向中最好的突破口之一，并且在臨床中已經開展大量實踐。“臨床應用需要滿足三點，第一要把多潛能干細胞做出來，第二把分化細胞做出來，第三還需要有成熟的移植技術。”鄧宏魁團隊在這三點上已經準備了近二十年，對于開展CiPS細胞來源的胰島細胞移植的條件日漸成熟。

目前橫亙在胰島移植面前的第一大難題就是胰腺供者器官短缺。全軍器官移植研究所所長、海軍軍醫大學附屬長征醫院器官移植暨肝臟外科主任、上海市胰島移植臨床質控暨培訓基地主任殷浩在接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者采訪時即表示，相對于肝臟和腎臟等器官移植，胰腺供者匱乏的形勢較為嚴峻，“中國現在一年器官捐獻者大概有5000人，各類器官最終能治療幾萬個人,但這5000個胰腺實際上最后能用的只有幾百個。”

鄧宏魁透露，在糖尿病猴子模型上試驗之后，目前正在積極推進臨床。“因為在猴子上的結果很好，我們還是很有信心的。”盡管目前這些初步的跡象表明，這項技術在安全性上有優越性，他同時強調，“安全性依然是最關鍵的，這個還要經過仔細的長期的對比研究，但小分子的優化有巨大空間。”

人CiPSCs技術在生物醫學領域的應用前景。

值得一提的是，這一化學重編程方法是繼 “細胞核移植”和“轉錄因子表達”之后的新一代的、由我國自主研發的人多潛能干細胞制備技術，同時解決了我國干細胞和再生醫學的發展中底層技術上的“瓶頸”問題。

“經歷了好幾代學生，我們堅信這件事是特別有意義的，特別值得付出，要把它闖出來。十年磨一劍，從概念到技術都是我們自己在摸索，而且還要得到國際上的承認，這都需要花很長的時間。”鄧宏魁最后表示。