多能干细胞技术为人类抗衰老带来曙光

坤明

——记中国科学院生物物理研究所研究员刘光慧和他的抗衰老研究
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: X/ i- d8 P" Z' q# v5 z) E" ]■本报记者 李惠钰 ■李腾  E' h! _) A3 [7 Y8 T/ b
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日前，在中国科学院生物物理研究所，举办了中国首届衰老及老年病的细胞分子机理学术研讨会。数十名衰老研究领域的著名专家学者齐聚于此，分别从分子、细胞、个体以及人口健康等多个层次，就有关衰老生物学及老年病机制研究展开了激烈的讨论。! w$ C9 Z6 A& ]4 e
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这场不可多得的学术盛宴的主要组织者，是2012年刚刚入选中国国家“青年千人计划”的中国科学院生物物理研究所（以下简称“生物物理所”）研究员刘光慧。
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: v- A0 [5 X4 w6 h作为生物物理所“人多能干细胞与衰老&疾病研究”课题组组长，刘光慧带领的科研团队采用诱导型多能性干细胞（iPSC）技术，建立了第一个人类儿童早衰症的研究模型，并在患者iPSC中首次实现安全有效的遗传突变矫正。% n  f. l; C' {* `0 b" c. T
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最近，刘光慧作为中方代表，同美国、西班牙科学家首次结合多能干细胞和基因组靶向修饰技术，揭示了帕金森氏症随机体老化而逐渐发病的机理。目前，该研究成果已在《自然》杂志发表。* Q; e% A2 G/ @6 x. M, q2 M

" q% Y/ v1 K5 f) |揭开人类衰老研究之谜的“金钥匙”
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据统计，截至2011年底，我国60岁及60岁以上的老年人已经接近1.85亿，占全国总人数的13.7%。其中，呈现部分失能和完全失能的老年人多达3300万，预计到2015年，这一数目还将继续攀升。
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如何避免“未富先老”，已然成为我国亟待解决的重大社会问题。衰老及相关疾病的研究也日趋成为国际生物医学专家们攻关的热点，对于衰老和老年病的研究，过去大多利用转基因小鼠模型，可是小鼠的分子遗传学背景和衰老过程却与人类具有相当大的区别。为此，刘光慧研究组在国际上率先将研究体系转化到研究人类自身的衰老相关疾病上来。: b# Y( I8 m9 c1 v% o
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“人的平均寿命为几十年，因此不可能在实验室中追踪并研究人类衰老的全程。”刘光慧说，“更重要的是，对于人类衰老研究至关重要的特定细胞类型，如老化的神经和心血管细胞，基本是无法从健康人的活体组织中分离得到的。”
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6 }/ \; _6 s1 X4 K$ M9 b& N可喜的是，刘光慧研究组经过反复的实验和论证，终于获得揭示人类衰老之谜的“金钥匙”。他们利用体细胞重编程技术，成功地拨回了机体发育和衰老的时钟，使得衰老的人类皮肤细胞“返老还童”为人类胚胎时期的多能干细胞。这些年轻的干细胞再经过定向分化，在实验室中摇身一变为老年人自身的神经或心血管细胞，后者进而成为刘光慧团队研究人类衰老和老年病的重要工具。! Y- P8 s9 D+ t; r1 n
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对于iPSC的研究，2012年诺贝尔生理学或医学奖获得者山中伸弥的研究组最先取得了产生iPSC的重大突破，而对于再生医学而言，山中伸弥关于iPSC的重大发现实现了个体化临床治疗的第一步，即在体外衍生出治疗性自体多能干细胞。刘光慧团队所攻克的则是利用多能干细胞进行基因治疗的另一个重要环节，即在iPSC细胞里进行靶向基因“修复”，纠正病人基因组中的致病遗传突变。
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4 Y. \2 g" _- L/ w$ M! G9 f4 f“我们非常欣慰地看到，我们首创的方法可以在患者iPSC中高效安全地原位修复遗传或自发产生的基因突变。”刘光慧说，“经过基因修复的患者iPSC将不再具有内在的致病因素，因而理论上可以用于后续的个体化移植治疗。”1 I- S7 M$ V8 i# m: {, H: K  Q, G

: h1 y0 b6 w8 g5 R, V, j% m* ]) Q刘光慧表示，iPSC基因打靶的技术除了能够纠正遗传突变外，还能够在人的胚胎干细胞系里创建一个点突变，即“knock-in技术”（遗传敲入技术），通过该技术可以在体外创建任何遗传背景明确的病人特异的人类胚胎干细胞系，为人类疾病分子遗传学的研究提供了可行性。
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4 m0 Y) K$ P8 f: i“我们原则上可以根据意愿改造人类基因组的遗传密码。例如，我们可以在实验室中将用于移植治疗的干细胞改造成为能抵抗疾病的‘超级’状态，然后再用这样的干细胞为再生医学服务。”刘光慧说。2 Z( v! I5 A- Y7 @  m* l

' D9 t4 r1 w$ d% [广阔的应用前景
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" e3 i5 y) l1 E5 R% a1 C& b8 f2012年9月，“Current Opinion in Cell Biology”在线发表了刘光慧研究组题为“iPSC technology to study human aging and aging-related disorders”的特邀综述文章，深入讨论了利用iPSC进行人类衰老及其相关疾病研究的可行性及其应用前景。# ^5 y5 \0 ^- C' w$ ^% n

; r; r7 |( I) w8 X9 ^" y文章着重指出，早衰症和多种老年病患者来源的iPSC可作为人类衰老研究的实验材料。此外，文章还重点解析了用iPSC模型研究神经退行性疾病（包括帕金森氏症、阿尔茨海默氏症和肌萎缩性侧索硬化等）的种种范例，突出了这些模型作为机理研究和药物验证平台的可能性和优势。
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刘光慧表示，iPSC可用于一些疾病的分子机理、药物筛选、衡量药物毒性等多项研究。“在没有iPSC技术之前，实现这些个体化医学目标都是不可想象的，因为只有获得了病人自己的‘受损’细胞进行体外分析，才能真正发展出有效的预防和治疗策略。”刘光慧说。0 C, l5 S' i* E0 F

2 j/ t- j0 K- I4 u  \% o) h刘光慧指出，基因组靶向编辑技术、器官分化培育技术以及定向移植技术的应用将进一步促进人类iPSC衰老和疾病模型的发展，这些新型的研究工具将对理解人类衰老机制以及发展“健康衰老”的防治策略产生重要的影响。/ c7 v. H7 o1 Y
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世界瞩目的突破性进展, b" W6 @* ^" w3 P: k
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自2009年开始，刘光慧研究组就开启了利用iPSC技术，研究儿童早衰症的分子机理的征程。如今，他们已经成为世界上第一个利用儿童早衰症iPSC研究人类衰老分子标记物的研究团队。他们利用儿童早衰症iPSC衍生的中胚层细胞，研究人类加速衰老的细胞分子机制，并成功利用HDAdV介导的基因打靶技术，原位矫正了儿童早衰症相关的基因突变，从而在实验室中“逆转”了加速老化的病理表型。9 T; h( N6 b# f" P; U: L. \( ?7 e

2 l+ W+ E8 @' u2 Q, N" g这也是国际上首次结合干细胞和基因打靶技术，在实验室的培养皿中研究人类衰老过程的科学尝试。人类的衰老需要长达近百年的时间，而刘光慧研究组利用iPSC技术在培养皿中用数月，甚至数天的时间就可以重现人类衰老过程并揭示其机理，这在衰老研究领域里是一个崭新的概念和突破。1 \# w8 Q9 r5 |5 Y% w6 n* X5 |

. S/ Z" ^, R' `& D8 X2011年，上述两项研究成果分别在《自然》及干细胞研究领域权威杂志《细胞—干细胞》上发表。5 `# {( N. P, F& S: I9 b. b

  U5 p3 f& D, w1 i3 v在研究儿童早衰症的同时，刘光慧研究组利用iPSC技术，开始对携带帕金森氏症致病基因LRRK2突变的患者神经细胞展开了研究。3 L5 A* N, N* k+ A( e$ _/ s
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帕金森氏症又称“震颤麻痹”，是一种在老龄群体中高发的中枢神经系统退行性疾病。目前，学术界对帕金森氏症神经细胞退行性病变的原因和发病机理尚不明确。揭示帕金森氏症的分子机理，也一直是中外科学家不懈努力的目标。( x' ^- n& k' D3 ^7 Z3 s4 R

2 z  D8 ^& [9 ?以前的研究大多利用iPSC模型来“确证”已知体系中的疾病机理或表型，刘光慧团队同其美国和西班牙的合作者则首次利用iPSC模型来揭示未知疾病的表型和机理。他们利用iPSC技术发现了一个全新的帕金森氏症相关的神经干细胞表型，并首次揭示了核膜异常，以及脑内神经干细胞渐进性功能衰退在帕金森氏症发生发展中的作用，大大扩展了人们对该病的认识。9 I/ s- }0 @7 r( D5 T

( u. k$ T- Z# \/ p! H目前，这一研究成果在《自然》杂志上发表，该成果首次揭示了帕金森氏症神经干细胞随着衰老过程而发生的退行性病变，为诊断、预防与治疗帕金森氏症提供了新的潜在靶点。
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一心一意
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推动中国衰老和抗衰老研究事业. {* x5 P% w: v# T$ e
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如今，社会上对机体衰老的认识普遍存在一个误区，即认为“机体的衰老和老年病主要是由环境因素引起的”，过分强调了生活习惯、饮食和运动等外因对衰老过程的影响，而忽略了遗传因素对衰老及老年病的实质性作用。
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+ i& c) C- r- J5 i% T0 S刘光慧认为，必须要认识到衰老是一个生物学过程和进程，而衰老相关疾病则是该生物学过程的具体表现形式。只有清楚地认识了人类自身的衰老过程和机理，揭示遗传因素与环境因素的相互作用规律，才能发现延缓衰老和治疗衰老相关疾病的新靶点和新方法。9 {5 x- k/ C& h6 q1 _

# V8 \1 M2 {, v. f. C可以说，衰老是生命领域的根本问题，是生命不可或缺的环节，然而国内衰老研究在生物学机制方面的探索却相对匮乏。. F& o. \4 F6 [- G% d

0 I: `+ D: l. Y; Z5 f“在欧美国家有着很好的衰老研究和资助的机构，为其衰老研究提供基础保障。但是这在中国却非常罕见，甚至在国家设立的科研项目里，与衰老基础生物学研究相关的都是相对较少的。”刘光慧坦言。
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; M2 J2 E2 s% W  t# F3 o0 M据了解，美国等发达国家已斥资相继成立了多个大型衰老研究机构，许多著名美国大学也设立有专门的衰老研究中心。美国还设有专门针对衰老研究的资助机构，如隶属于美国国立卫生研究院的NIA、Glenn衰老研究基金会、Ellison医学研究基金会以及多个私人捐助的基金组织，如儿童早衰症基金会等。9 y/ L9 H  t) q& [" l
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这些受政府大力支持的研究和资助机构为欧美等国家的衰老研究注入了生机和活力，提供了巨大的支撑和保证。相比之下，虽然中国具有世界上最大的老龄化群体，来自国家层面和社会层面对衰老基础研究的支持力度却非常有限，远不足以保障衰老相关的科研实践和成果转化。
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在刘光慧看来，衰老和抗衰老研究是利国利民的大事情。为了能将中国的衰老研究推上一个新的高度，刘光慧联合了多位国内衰老研究领域的专家共同组织了本届“衰老及老年病细胞分子机理学术研讨会”。希望借此契机集合众多衰老领域专家的力量，共同推动我国衰老研究的进程。
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) ~  ?$ P9 K- ?然而，解开人类衰老之谜是生命科学领域里一个巨大的科研难题，需要多学科交叉，不同思路的相互碰撞，以及各领域科学家的不懈努力和精诚合作，更需要国家长期稳定的科研投入和支持。
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为此，刘光慧和所有与会专家共同呼吁国家加大对衰老基础生物学研究的科研投入和支持。例如，成立中国自己的衰老研究团队共同攻克衰老相关重大科学问题，加大衰老基础研究的投入力度等。
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) N& h4 }' b3 t2 o/ ~可以说，哪个国家最先实现了衰老基础研究的突破和临床转化，哪个国家将最先解决人口老龄化并获得民族的可持续发展。在实现中华民族伟大复兴的今天，我国的衰老基础生物学研究刻不容缓。2 |3 N; ^4 P  j% q
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《中国科学报》 (2013-01-01 第43版 专题)1 f1 d: |( }! _/ u( n+ l" b