攻克單能干細胞療法難題！科學家實現肌肉干細胞體內外高效擴增

肌肉有力量，生命才會有力量。在《戰狼》、《星際大戰》等電影里，精彩的打斗場面牽動著觀眾的心，主角和反派拳拳到肉的打斗更令人血脈上涌。正反派的打斗之所以扣人心弦，跟近身搏擊密不可分，最精彩的情節便是摒棄一切武器和裝備后，人與人之間力量與智慧的較量。

肌肉力量，是決定勝負的關鍵因素，肌肉有力量，從生物學和醫學上來講，肌肉干細胞功不可沒。肌肉干細胞可以分化發育為成肌細胞，成肌細胞相互融合形成肌纖維，是骨骼肌的基本構成。另外，當肌肉受損時，肌肉干細胞則會被激活進而增殖分化并對受損肌肉進行修復。但由于老齡化肌肉萎縮以及一些疾病的影響，可能會導致肌肉干細胞的再生修復能力下降喪失，最終導致病人癱瘓甚至死亡。

圖 | 生命力量源于肌肉（來源：Pixabay）

干細胞技術被人們寄予厚望，它可以通過調控細胞擴增和分化修復人體損傷組織或抵抗衰老，是戰勝人類疾病的最強大的武器之一。因此，該領域的重大突破總能引起學界震動，且能給患者治療帶來新希望。

其中，最知名的當屬 2012 年諾貝爾生理 / 醫學獎獲得者日本京都大學教授山中伸彌（Shinya Yamanaka）研發的誘導多能干細胞 (Induced pluripotent stem cells，iPSCs) 技術。該發現開辟了一個新的研究領域，并且為肌肉疾病、心血管疾病、神經系統疾病及各類絕癥的治療帶來了新方法。

“其實，在肌肉治療方面，Yamanaka 的方法仍存在步驟較多的不足，首先從皮膚上取一些細胞，然后將其轉換為多功能干細胞，最后才能變成骨骼肌肉細胞，這一方法雖然可行，但周期長，轉化到臨床牽涉到許多步驟和因素的優化，困難很多，而且這些細胞并不成熟，通常無法有效生成正常肌肉。” 美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）生物工程系主任、美國生物工程協會會士、國際醫學和生物工程學院院士李松表示。

干細胞技術治療肌肉的關鍵在于需要攻克肌肉干細胞供應不足的問題，也就是要徹底實現肌肉干細胞的分離、體外培養和大量擴增。只有這樣，才能真正釋放干細胞療法的臨床應用潛力。

李松團隊通過多年研究，發現兩個獨特的小分子藥物 “雞尾酒” 組合 ——Forskolin（一種腺苷酸環化酶 – cAMP 激活劑）、以及 RepSox（一種選擇性 TGFβR-1/ALK5 抑制劑），該組合可在體外有選擇性地高效誘導擴增肌肉干細胞。

他們還通過細胞粘附、轉基因小鼠及單細胞測序等生物技術，鑒定出皮膚組織中的表達 Pax7（一個肌肉干細胞標記蛋白）的細胞亞群是小分子藥物擴增的干細胞的主要細胞來源。

圖 | 李松團隊在 Nature Biomedical Engineering 上發表的論文截圖（來源：Nature Biomedical Engineering）

該研究成果于 2021 年 3 月 18 日在 Nature Biomedical Engineering 在線發表，論文標題為《體外與原位化學誘導擴增肌肉干細胞實現肌肉再生》（Skeletal muscle regeneration via the chemical induction and expansion of myogenic stem cells in situ or in vitro），方俊博士和 Junren Sia 博士是共同第一作者。

仿照 “雞尾酒” 做法，團隊 “擺平” 干細胞治療

所謂的 “雞尾酒”，指的是從大量小分子藥物中篩選出來多種有效小分子，就像醫生常說的開方子或藥物配方一樣，將藥物組合起來使用以獲得更好的治療效果，同樣小分子的組合和劑量優化過程，也像雞尾酒一樣，需要調配才能獲得最佳的口感，在疾病治療上，就是獲得最佳的治療效果。

基于小分子藥物 “雞尾酒” 的發現，他們進一步采用干細胞植入和藥物釋放兩種方法來治療肌肉損傷疾病。

干細胞植入治療中采用了三種動物模型 —— 成年、老年小鼠及肌肉營養不良 mdx 小鼠。通過把體外小分子誘導擴增的皮膚來源的肌肉干細胞（CiMCs）注射到心肌毒素（CTX）損傷的肌肉中，發現移植的干細胞在一個月后可以生成新的肌肉纖維，并成功融合到損傷肌肉中，從而顯著降低肌肉的纖維化，改善了三種動物的肌肉功能（神經信號傳到、肌肉的力量和肌肉重量），此外肌肉組織得到了很好的再生修復。

圖 | CiMCs 的體內植入促進肌肉再生（來源：受訪者）

實驗過程中他們發現，在三種動物模型里，CiMCs 處理肌肉的平均等長強直力顯著高于相應的對照組，而且肌肉質量也更大。肌肉治療中，他們通過 DsRed 標記被移植的 CiMCs 和真皮細胞（對照組），四周后 CiMCs 可以融合形成具有中心核的新生肌纖維，但對照組細胞則沒有這種效果。

值得注意的是，在 CiMCs 移植的 mdx 肌肉中檢測到 CiMCs 融合進入大量肌營養不良蛋白陽性肌纖維。另外，組織學分析顯示，與對照組相比，CiMCs 處理的肌肉的肌纖維平均橫截面積明顯增加，展示了更多健康肌肉纖維的形成。

綜上所述，這些結果表明移植的 CiMCs 能維持其成肌能力，并能成功植入和再生肌肉，尤其重要的是促進了衰老和 DMD 小鼠肌肉的再生。

藥物釋放是另外一種更簡單便利的治療肌肉疾病的方法。他們把小分子組合藥物載入生物可降解納米顆粒（FR-nps），從而實現了藥物的局部釋放。當成年和老年受損肌肉注射了載藥顆粒之后，原位肌肉干細胞擴增比較明顯，并成功促進了成年、老年小鼠肌肉的原位再生修復。

圖 | 載藥納米顆粒促進肌肉再生（來源：受訪者）

免疫熒光染色顯示，在 FR-nps 處理和對照組（不載藥顆粒）處理的小鼠中，Pax7衛星細胞數量迅速增加，在第 3 天達到峰值，在第 28 天逐漸恢復到基礎水平。然而，與對照組相比，FR-nps 處理的肌肉在第 3 天和第 7 天與對照組相比有更多的增殖型衛星細胞。

另外，在轉基因動物模型（Pax7-creER:Rosa26-eYFP）實驗中，他們發現 FR-nps 處理的肌肉在第 3 天含有更多的 eYFP細胞，這進一步表明 FR-nps 擴增了損傷肌肉中的 Pax7細胞，從而更好地促進了肌肉的修復和再生。

此外，與對照組相比，FR-nps 處理的成年和老年小鼠的肌肉顯示出較少的纖維化和更低的炎性巨噬細胞，這表明 FR “雞尾酒” 還可通過阻止纖維化和炎癥反應促進肌肉再生，類似于之前在 CiMCs 移植中的發現。

圖 | 載藥納米顆粒通過促進原位衛星細胞的擴增改善肌肉修復（來源：受訪者）

提及這項研究的亮點與突破，方俊博士總結了以下幾點：

第一：發現了兩個小分子藥物（即 Forskolin 和 RepSox），可以在體外選擇性、高效誘導擴增皮膚來源的肌肉干細胞。

第二：采用體外大量擴增肌肉干細胞成功治療老齡化和 DMD 肌肉損傷。采用小分子誘導擴增皮膚組織獲得肌肉干細胞治療疾病的最大優點在于皮膚細胞具有豐富的來源，易于獲取，不會導致嚴重二次手術損傷。這種體外獲得干細胞可以和生物材料支架結合，治療大的創傷或者治療遺傳性肌肉疾病。

第三：采用藥物釋放納米顆粒，實現原位促進肌肉干細胞的擴增修復肌肉。這種辦法使用起來更加便利，有利于規模化生產和儲存，更容易獲得臨床批準，尤其是在老年肌肉疾病的治療中更加有優勢。

科研柳暗花明，產業化未來可期

李松告訴 DeepTech，他們開展該研究的初衷是想結合生物化學和生物物理的方法來促進細胞重組。細胞是生命的最基本的功能單位，采用小分子藥物通過調理、改變或重編程細胞命運，是一種便利的、有效的、可規模化的治療疾病和修復組織的方法，也是當前的一個研究熱點。

此前，該團隊于 2016 年從加州大學伯克利轉到加州大學洛杉磯分校，在伯克利時，采用化學小分子重編程生成多功能干細胞效率很低，重復性也不好。但博士生 Junren Sia 做了一些初期的研究，發現了上面兩個小分子藥物處理皮膚細胞后可以獲得肌肉細胞并促進成年小鼠的肌肉再生。

到加州大學洛杉磯分校后，李松在 UCLA 第一個博士后方俊繼續這項研究。方俊發現，當初小分子誘導肌肉直接重編程的設想是不成立的，而皮膚中某種干細胞才是小分子藥物起作用的原因。

于是，他開展了大量的研究證明了皮膚中的細胞亞群，當選出這種細胞亞群，再用小分子處理后，發現肌肉干細胞的誘導擴增效果得到極大的提高，也驗證了這一新的設想。然后，才有了后續的一系列治療肌肉疾病的研究。

圖 | 富集的真皮肌原細胞有助于化學擴增的 CiMCs（來源：受訪者）

李松說，“對于科研人員而言，要學會做到善于取舍，能夠及時甄別判斷，究竟是堅持這一方向繼續探索下去，還是盡早轉換思路，就像我們這次的研究，實際上就是相當于從‘垃圾桶’里面撿了一個東西出來，這就是常說的 ‘當上帝關了這扇門，一定會為你打開另一扇門’。”

近年來，李松在 SCI 學術期刊上發表論文百余篇，他帶領的科研團隊主要從事力學生物學、生物材料、細胞工程、免疫工程（如 COVID-19 的治療）及再生醫學（如心血管、神經、肌肉等）等方面的研究。

對于此次肌肉干細胞的研究，他表示：“此次研究工作涉及面很廣，包括細胞生物學、分子生物學、化學藥物釋放到動物模型再生等等，既有醫學，又有工程，所以需要進行跨學科整合，這也正是生物醫學工程這種前沿交叉學科的魅力所在。”

圖 | 美國加州大學洛杉磯分校生物工程系教授李松（來源：受訪者）

在臨床轉化方面，李松表示這項研究極具應用潛力，“我們的研究將為這些肌肉疾病提供更佳的治療方法，我們已經申請了專利，相信會有很好的產業化前景。” 他說。

基于這兩種方法各自的優勢，今后，可以根據臨床的需求，選擇合適的方法來治療疾病。接下來，團隊將進一步優化 “雞尾酒” 成分和治療方案，實現更有效和更大范圍的肌肉修復，并希望通過開展臨床前和臨床研究，最終實現研究成果的轉化和造福大量的肌肉疾病患者。