从不可再生到iPSC，心肌再生的潜力可能远超过你的想象

或许你曾经困惑过，人类全身的器官几乎都有可能癌变，但为什么很少听到原发于心脏的癌症？这其实是由心脏和心肌细胞的特殊性决定的。自2010年以来的研究表明，哺乳动物的心肌细胞在出生后一周就快速退出细胞周期，失去再生能力，自然也不可能像普通癌细胞一样无限分裂。但是，不会癌变的背面是另一个极端——成年人类的心肌在损伤后就无法再生，并最终导致心力衰竭。

在过去的十年间，人类在探索如何促进心肌再生的问题上，已经取得了可观的进展。许多控制心肌细胞再生的关键性分子及信号通路被逐一发现，其中最著名的包括Hippo-Yap通路，Nrg1-ErbB2通路和Hif1a通路等。伴随心肌细胞分裂的一大表型为心肌细胞的去分化。然而，成年哺乳动物心肌细胞去分化的终点到底在哪里——是回到新生时期的未成熟心肌细胞，还是胚胎时期的祖细胞，甚至是更早的多能干细胞，一直没有人给出明确的答案。

成年哺乳动物的心肌受损后无法再生

近期，来自德国马克斯·普朗克研究所的科学家通过在小鼠心肌细胞中直接诱导细胞重编码因子（OSKM，Yamanaka factors），成功将小鼠体内的心肌细胞去分化，甚至引发了心脏中的原发性肿瘤。这一突破性发现宣告了心肌细胞在体内被诱导去分化为iPS cell的可能性，从这个角度看，它们被重编程（reprogramming）的潜力，在本质上与其他细胞并无区别¹。

在这项研究中，研究人员构建了能在心肌细胞中通过多西环素（Doxycycline）诱导，特异性过表达OSKM的转基因小鼠。RNA测序显示，当OSKM被连续过表达6天、12天后，小鼠心肌细胞的转录组出现了不同程度的逆转，在PCA plot上表现得更接近于胚胎及新生时期的心肌细胞转录组，具体表现为与细胞周期相关的基因上调、与脂肪酸代谢相关的基因下调等。而当OSKM被过表达6天，停止过表达6天后，小鼠的心肌细胞转录组能够回到与正常成年小鼠相似的状态，这表明OSKM引发的小鼠心肌细胞去分化在一定时间范围内是可逆的（如下图所示）。

周期性OSKM过表达可引发可逆的小鼠心肌细胞去分化 

基于上述心肌细胞去分化的表型，科研人员发现，当OSKM在纯合、杂合转基因小鼠中的过表达时间分别达到3周和7周时，小鼠心脏内部出现原发性肿瘤。细胞谱系研究也表明，这些表达Nanog的癌细胞确实来源于心肌细胞，并可以不断分裂形成稳定表达Nanog的细胞克隆（如下图所示）。

长期OSKM过表达诱导心脏原发肿瘤

同时，他们也提取了小鼠原代心肌细胞进行体外培养，发现小鼠心肌细胞形态由规则的棒状变成不规则的任意形态并分裂。有趣的是，由于心肌细胞本身的多核形，科学家们记录到了心肌细胞由单核到单核、多核到多核、多核到单核，以及十分罕见的两个子细胞核数不等的多种分裂模式，这也是之前所有与心肌细胞再生的研究中未曾被记录和讨论的现象（如下图所示）。

OSKM过表达的心肌细胞在体外分裂

最后，为了证明周期性OSKM诱导的心肌细胞去分化和分裂是否具有治疗意义，研究人员在心肌梗死小鼠模型（MI）中过表达OSKM。核磁共振成像（MRI）及组织学分析显示，不论是在MI之前，MI过程中，还是MI之后过表达OSKM，OSKM均可以有效降低MI模型中小鼠心肌细胞死亡（纤维化）区域，同时维持小鼠的心脏功能（射血分数，EF%），如下图所示。

OSKM过表达对小鼠MI模型具有治疗作用

本研究一经发表，立刻在心肌再生领域引起了轩然大波。首先，客观来说，这项研究所基于的背景和假设并不罕见。OSKM在再生医学中的研究价值已经在神经系统、视网膜、骨骼肌等众多组织中被报道。

早在10年前，已有研究人员在新生小鼠的心肌细胞中体外诱导了OSKM，并证明只需其中三个因子（OSK），就可以在体外将心肌细胞转化为iPS细胞2。在本文发表之前不久，来自英国曼彻斯特大学的研究人员也发现，由腺病毒携带的OSKM过表达可以在体外培养的新生大鼠心肌细胞和小鼠体内心脏引起部分去分化，这些发现分别被发表在两本期刊上3,4。

从这个角度讲，这项研究可以说是对之前所有在哺乳动物心肌细胞中过表达OSKM的集大成者，全面考察了OSKM的短期、长期、周期性过表达对体外、体内的心肌细胞造成的影响。同时，本研究也首次报道了OSKM作为心肌再生的潜力和风险：OSKM绝不是一个单纯的治疗手段，稍一不慎，心肌细胞的周期调控就有可能失控，带来许多难以预料的副作用。就如同下图里显示的那样，Waddington大山的阳面若是再生医学的曙光，其阴面可能就是潜在的隐患——过度去分化让细胞失去原有功能、因细胞周期调控不当可能导致的患癌风险，都是我们需要更为重视的险恶的爪牙。

Waddington Landscape，细胞分化的路径

参考文献：

1.Chen Y, Lüttmann FF, Schoger E, Schöler HR, Zelarayán LC, Kim KP, Haigh JJ, Kim J, Braun T. Reversible reprogramming of cardiomyocytes to a fetal state drives heart regeneration in mice. Science. 2021 Sep 24;373(6562):1537-1540. doi: 10.1126/science.abg5159. Epub 2021 Sep 23. PMID: 34554778.

2.Rizzi, R., et al. "Post-natal cardiomyocytes can generate iPS cells with an enhanced capacity toward cardiomyogenic re-differentation." Cell Death & Differentiation 19.7 (2012): 1162-1174.

3.Kisby T, de Lázaro I, Stylianou M, Cossu G, Kostarelos K (2021) Transient reprogramming of postnatal cardiomyocytes to a dedifferentiated state. PLOS ONE 16(5): e0251054. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0251054

4.Kisby, Thomas, et al. "Adenoviral Mediated Delivery of OSKM Factors Induces Partial Reprogramming of Mouse Cardiac Cells In Vivo." Advanced Therapeutics 4.2 (2021): 2000141.

撰文 |一颗

编辑 | 小耳朵