修復衰老大腦時代來臨?自然最新封面:重編程視神經恢復視力

衰老對我們身體的所有細胞和器官都有負面影響，大腦也不例外。科學家們早就知道，神經元和其他細胞的再生能力會隨著時間的推移而減弱，但導致這種退化的分子變化卻一直是個謎。

當地時間12月3日，國際頂級學術期刊《自然》（Nature）以封面報導的形式發表了一項研究，研究團隊利用基因治療誘導小鼠眼睛的神經元重編程到一個更年輕的狀態，讓它們重新獲得視力再生和恢復的能力。研究還進一步揭示了衰老機制，為青光眼等年齡相關的神經元疾病的治療指出了新的潛在靶點。

該研究題為「Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision」，由來自美國哈佛醫學院、耶魯大學醫學院、麻薩諸塞州綜合醫院、加利福尼亞大學洛杉磯分校、澳大利亞新南威爾斯大學等研究團隊聯合完成，通訊作者為澳大利亞籍遺傳學家、哈佛醫學院遺傳系終身教授兼Paul F. Glenn衰老生物學中心聯合主任David A. Sinclair。

該論文的第一作者為Sinclair實驗室的前博士生、哈佛醫學院遺傳學研究員呂垣澄（Yuancheng Lu），Sinclair和哈佛醫學院眼科學系、附屬波士頓兒童醫院終身教授何志剛，哈佛醫學院眼科學系、附屬麻省眼耳醫院副教授Bruce R. Ksander和助理教授Meredith S. Gregory-Ksander共同指導了這項研究。

哈佛大學官網針對上述研究發布的一篇新聞稿在評價時提到兩次「第一」：這項研究第一次證明，有可能安全地對眼部神經細胞等複雜組織重新編程，使其回到早期年輕狀態；第一次成功嘗試逆轉青光眼引起的視力下降，而不僅僅是阻止它的發展。

「我們的研究表明，可以安全地逆轉視網膜等複雜組織的年齡，並恢復其年輕的生物學功能。」Sinclair表示。他領導的團隊同時提醒說，在進行任何人體實驗之前，這些發現還需要在進一步的研究中得到複製，包括在不同的動物模型中。

儘管如此，他們補充說，研究結果提供了一個概念證明，並為設計一系列與年齡有關的人類疾病的治療方法提供了途徑。Sinclair說，「如果通過進一步的研究得到證實，這些發現可能會對青光眼等與年齡有關的視力疾病的治療，以及對疾病的生物學和醫學治療領域產生變革。」

《自然》還同期刊發了一篇「新聞與觀點」文章，史丹福大學醫學院的Andrew D. Huberman探討了研究結果是否能推及到人類的問題。他指出，雖然文中描述的轉錄因子的作用仍需在人類中進一步驗證，但研究結果提示，它們或能重編程不同物種的大腦神經元。

「這一發現一定會引起科學家極大的興奮，不僅在視力恢復領域，而且在大腦神經元和其他細胞類型等研究領域。」Huberman寫道，「幾十年來，人們一直在爭論，理解正常的神經發育過程將在某一天帶來修復衰老或受損大腦的工具。呂垣澄及其同事們的研究表明：那個時代已經到來。」

我們為什麼變老？

視網膜神經節細胞（RGCs）雖然存在顱骨外的眼睛內，但它們是真正的一種大腦神經元，它們能將伸長的部分（稱為軸突）從眼睛連接到大腦。一般來說，這些軸突如果在發育早期受損，是可以存活下來並再生的，但在發育成熟後就不能了。

有證明表示，這種變化是RGCs本身固有的，而不是因為周圍細胞發生變化導致。

研究團隊的工作首先需要理解「我們為什麼變老」這一複雜問題。人體內的大多數細胞含有相同的DNA分子，但最後呈現的功能顯然大相逕庭。為了達到這種程度的特化，這些細胞必須只讀取特定於它們類型的基因。這種調控功能也就屬於表觀基因組的範疇，表觀基因組被認為是一種以特定模式開啟和關閉基因而不改變基因潛在DNA序列的系統。

這一理論假設：隨著時間的推移，表觀基因組的改變會導致細胞讀取錯誤的基因並產生功能障礙，從而導致衰老性疾病。表觀基因組最重要的變化之一是DNA甲基化，在DNA甲基化轉移酶（DNMT）的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）為甲基供體，將甲基轉移到DNA分子中特定鹼基上的過程。這一過程被形象地稱為給DNA「戴帽子」，在不改變DNA分子一級結構的情況下調節基因組的功能，在生命活動中起著重要作用。

然而，DNA甲基化是否會導致細胞內與年齡相關的變化仍不清楚。在這項研究中，研究人員假設，如果DNA甲基化確實控制了衰老，那麼消除它的一些痕跡可能會逆轉活的有機體內細胞的年齡，使它們恢復到更早、更年輕的狀態。

過去的研究已經在實驗室培養皿中培養的細胞中完成了這一假設，但還沒有證明在活的生物體中獲得相同效果。而Sinclair等人的這一新的發現表明，這種方法也可以用在動物身上。

諾獎工作基礎上改良：逆轉細胞老化同時不會致癌

在研究團隊開展工作之前，首先要提到一項諾獎級研究。2006年，日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）團隊發現，通過Oct4, Sox2, Klf4 和 c-Myc 四個轉錄因子（統稱為「山中因子」），可以誘導成年細胞在體外重編程，轉化為誘導性多能幹細胞，即是iPS幹細胞。山中伸彌也憑藉幹細胞領域的研究獲得了2012年諾貝爾生理學或醫學獎。

呂垣澄在山中伸彌的發現基礎上，開發了一種基因療法，可以安全地逆轉活動物體內細胞的年齡。在這項工作中，研究團隊使用AAV腺相關病毒載體，將上述四個「山中因子」中的三個Oct4、Sox2和Klf4導入小鼠的視網膜中。

為何只選擇其中三個？呂垣澄等人的前期研究顯示了兩個重要的挫折。第一，當應用於成年小鼠時，這四種「山中因子」也可能誘發腫瘤生長，使得該方法不安全；第二，這些因子會將細胞狀態重置為最原始的細胞狀態，從而也完全消除了細胞的身份。

呂垣澄及其同事通過對方法進行輕微修改，避開了這些障礙。他們放棄了c-Myc基因，只導入了剩下的三個Oct4、Sox2和Klf4。這種改良的方法最終表現出可以成功地逆轉細胞老化，同時又不會刺激腫瘤生長或失去它們的身份。

在這項研究中，研究團隊將目標鎖定在中樞神經系統的細胞，因為它是身體中最先受到衰老影響的部分。為了測試小鼠的再生能力是否可以在成年小鼠中引入，呂垣澄、Sinclair團隊和何志剛團隊合作，通過AAV將改良的三基因組合導入視神經損傷的成年小鼠的視網膜神經節細胞。

這種治療使受傷後存活的視網膜神經節細胞數量增加了2倍，神經再生增加了5倍。

「在這個項目開始的時候，我們的很多同事都說我們的方法可能會失敗，或者太危險而不能使用。」呂垣澄說，「我們的研究結果表明，這種方法是安全的，可能會對眼睛和其他受衰老影響的器官的治療產生革命性的影響。」

逆轉青光眼和年齡相關性視力下降

小鼠視覺神經損傷的實驗結果使得團隊有信心進一步研究。

他們隨後和Bruce R. Ksander、Meredith S. Gregory-Ksander團隊合作。研究團隊計劃進行兩組實驗：一組測試三基因「雞尾酒」法是否能恢復由青光眼引起的視力下降；另一組測試這種方法是否能逆轉由正常衰老引起的視力下降。

在青光眼小鼠模型中，該治療使神經細胞電活動的增加和視覺敏銳度的顯著提高。值得注意的是，它是在青光眼引起的視力喪失已經發生之後才進行治療。

「科學家們很少能證明在受傷後視覺功能能恢復。」Ksander說，「這種新方法在不需要視網膜移植的情況下，成功逆轉了多種原因導致的小鼠視力喪失，代表了再生醫學的一種新的治療模式。」

這種療法對因正常衰老而視力下降的12個月大的老年老鼠也有類似效果。在對老年小鼠進行治療後，其視神經細胞的基因表達模式和電信號與幼齡小鼠相似，視力得到恢復。當研究人員分析細胞的分子變化時，他們發現了DNA甲基化的反向模式，表明DNA甲基化不僅僅是衰老過程中的一個標記或旁觀者，而是一種驅動衰老的「活性物質」。

Sinclair說，「這告訴我們，時鐘不僅僅代表時間，如果你把時鐘的指針回撥，時間也會倒流。」

研究團隊表示，如果這項發現在進一步的動物實驗中得到證實，他們將在2年內開始臨床試驗，以測試該方法對青光眼患者的療效。而在截至目前的研究中，用三基因方法對小鼠進行了為期一年的全身治療，沒有顯示出副作用。