逆转衰老,攻克失明?《自然》《科学》两文连发
2020-12-04 20:58

逆转衰老,攻克失明?《自然》《科学》两文连发

本文来自微信公众号:环球科学(ID:huanqiukexue),作者:罗丁豪,题图来自:unsplash


失明和视觉衰弱困扰着全球9亿人,而且人类视觉系统的复杂程度阻碍了治疗手段的研发。首先,将视觉信息从视网膜运送到大脑的视神经一旦受伤,就无法再生;其次,即使想要绕过视神经,直接在人脑中"植入视觉",科学家也还面临着技术上的重重困难。


幸运的是,这周发表于《自然》的一项研究成功逆转衰老,为治疗青光眼提出了新方案;而在《科学》的另一篇论文中,研究者则通过在猕猴脑中植入电极,创造了精细的"人工视觉"。


这些思维和技术变革,必将为失明的治疗和康复带来曙光。


小鼠的视网膜铺片;蓝色标记视神经节细胞,绿色标记Klf4转录因子的表达。图片来源:吕垣澄


视觉是人类五感中最重要的官能,为我们的日常决策提供了大量宝贵的信息。外界物体将光线反射到我们的眼中,投射到我们的视网膜上;感光细胞(photoreceptors)将光信号转变为电化学信号,由视神经(optic nerve)送过视交叉(optic chiasm),最后辐射到视觉皮层上。大脑从这些信号中构建出只属于我们自己的视觉世界。


视觉环路(简化示意图)。图片来源:Mandelstam, AJNR,翻译制图:罗丁豪


但正如中枢神经系统(Central Nervous System)中的其它部位一样,视神经也会在出生后迅速失去再生(regeneration)的能力。因此在人类和其他哺乳动物中,视神经损伤一旦发生,就不可逆转。


许多情况都能导致视神经损伤。以衰老为例,视神经在老年人中容易因老化出现损伤,这种视神经损伤可以从根源上切断视网膜与视觉皮层的信息交流,从而造成不可逆的失明。类似的损伤也能由事故造成,严重的跌落、暴力事件一旦伤及头部,都有可能造成外伤性视神经损伤。由于其不可逆的特性,视神经损伤的康复通常要求患者改变自己的生活习惯,并使用辅助工具,例如导盲犬和白手杖。目前常用的治疗方案效果都不甚理想,因此患者一旦失明,就会给自己和亲友带来持续的负担。这种影响着全球将近4千万患者的感官障碍亟需新的治疗方案。


幸运的是,我们或许离新的治疗方案已经不远了。本周,发表于《自然》《科学》杂志的两篇论文,采用了两种不同的思路,为失明的治疗带来了好消息。


逆转衰老


细胞内的遗传信息主要被编织在DNA的双螺旋内,由A、T、C和G四类碱基构成。只有通过将DNA有规律地表达(express)成蛋白,细胞才能维持特定、正常的运作。要调控DNA的表达规律,细胞可以采用表观遗传的方法,在不改变DNA序列的情况下,通过改变DNA分子的物理结构,使得不同基因的表达“难度”不同,从而调控细胞内不同蛋白的水平。 


甲基化通常会抑制基因的表达。图片来源:美国国立卫生研究院(NIH),翻译制图:罗丁豪


衰老不是一件好事,对于细胞来说也如此。随着年岁增长,细胞内会出现越来越多的表观遗传噪音(epigenetic noise),扰乱蛋白表达规律,促使衰老的细胞失去其独特“身份”。DNA甲基化(methylation)是研究最广的表观遗传过程。过去的研究显示,甲基化规律的扰动是衰老的标志性特征。一些学者由此提出了DNA甲基化钟(DNA methylation clock)的概念,并进一步推断,如果能将甲基化钟“往回拨”,我们也许能逆转衰老,重置细胞的生命周期。


哈佛医学院的戴维·辛克莱(David Sinclair)就是这些学者中的一员。在周三发表于《自然》的一篇研究中,辛克莱团队想要尝试通过“回拨”甲基化钟的方式,逆转衰老造成的视神经损伤。他们想拿青光眼(glaucoma)这一困扰全世界7千万人的疾病练手,并准备好了一个“秘密武器”。


这个秘密武器叫“山中因子(Yamanaka factors),在2012年为日本科学家山中伸弥赢得了诺贝尔奖。山中因子包含Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc四个转录因子。如同照着菜谱做菜,你只需要往培养皿中“加入”这四个转录因子,就能重编程(reprogramming)已经分化成熟的哺乳动物细胞,使其变为诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cell,简称iPSC)——这相当于让成年细胞“回炉重造”,赋予它们重新做胞的机会。


通过表达山中因子(Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc),可以将衰老细胞重编程为iPSC。图片来源:Passaro & Testa, Front. Cardiovasc. Med.,翻译制图:罗丁豪


然而问题在于,如果要把这一套菜谱一字不变地搬到活体细胞上,就会导致严重后果。在活体内诱导山中因子的常用方法,是直接“启动”编码这四个转录因子的基因。但此前的许多研究显示,一旦这些基因表达过量,就会诱发畸胎瘤,严重时还会导致死亡。


辛克莱团队的吕垣澄博士想要解决这个问题。通过多年的试错,他终于确定了最易致癌的c-Myc转录因子,并将其从四个转录因子中剔除,再将剩余的三个转录因子(Oct4、Sox2和Klf4,简称OSK)用病毒载体包装起来,用注射的方式送入青光眼小鼠的视神经节细胞(retinal ganglion cell,简称RGC)内。通过用显微镜观察不同小鼠的视神经,他们得以评估OSK注射的效果。


犹如奇迹一般,在青光眼小鼠的眼内,视神经竟然重新长出来了。“就像在看着水母重新长好受伤的部位一样,”吕垣澄说,“(整个过程)令人屏息。” 


视神经创伤5周后,12月大的小鼠重新长出了视神经(下)。图片来源:Lu et al., Nature,翻译制图:罗丁豪


现在,问题从“OSK是否能诱导受伤的视神经再生”,变为了“这种再生,是否与甲基化钟的‘回拨’有关”。为此,吕垣澄等人测量了核糖体(ribosome,细胞合成蛋白的场所)DNA的甲基化程度,发现青光眼造成的视神经损伤会导致视神经的DNA甲基化剧增——这是细胞衰老的重要标志。注射OSK则可以激活两种去甲基酶(Tet1和Tet2),有效减缓甚至逆转DNA甲基化,从而使视神经重新进入生长期。


至此,科学家终于打破了视神经损伤不可逆的神话。


人工视觉


祸不单行,喜事成双。今天,在发表于《科学》的另一项研究中,来自荷兰神经科学研究所(Netherland Institute for Neuroscience)的彼得·罗埃弗塞马(Pieter Roelfsema)团队也带来了治疗失明的好消息。与辛克莱团队不同的是,罗埃弗塞马等人并未从视神经入手,而是想绕过视觉环路,直接在接受视觉信息的视觉皮层里下功夫。


他们走的路子并不新。早在70年前,麦吉尔大学的神经外科医生怀尔德·彭菲尔德(Wilder Penfield)尝试对视觉皮层进行电刺激,以唤起所谓的“光幻视”(phosphene,指在没有光刺激的情况下看到的视幻觉)。彭菲尔德的成功激发了许多科学家的兴趣。于是自70年代开始,学界掀起了研究皮层视觉假体(cortical visual prosthesis,简称CVP)的热潮。


CVP的概念简单易懂:既然刺激视觉皮层能直接唤起视觉,那我们应该可以设计一种绕过视觉环路,直接“翻译”外界视觉信息,再将其直接送入视觉皮层的仿生假体。这就相当于利用人工手段,在大脑中“重现”外界信息。但要做到这点,我们需要拥有足够精准的刺激方式,还要有大量的电极。在过去的研究中,科学家都无法建立起足够大、足够复杂的刺激电极阵列,因而只能诱导大片的光幻视,缺乏细节精度——看到一大片光可没用,细节才是视觉信息最有用的部分。


这项新研究则不同:罗埃弗塞马团队成功在两只猕猴的初级视觉皮层(V1)和纹外皮层之一(V4)中植入了1024枚电极,大大改善了刺激精度。不但如此,他们还利用行为实验,确认了这些电极阵列确实能有效引导光幻视。 


罗埃弗塞马团队在两只猕猴的V1、V4皮层植入了1024个电极。图片来源:Chen et al., Science


V1皮层有一个有趣的性质:在正常情况下,视网膜上的光刺激会以视网膜拓扑映射(retinotopic mapping)的方式,投射到V1上。这也就意味着,能在视网膜上形成字母“L”的光刺激,在V1里也会激活形同“L”的神经元阵列。利用这个性质,罗埃弗塞马等人训练了视觉完好的猕猴,例如让他们在看到“T”的时候看向屏幕上方,在看到“L”的时候则看向下方。接着,他们会在猕猴的V1皮层中重复同样的刺激。


实验结果喜人:其中一只猕猴能在第1次刺激时就看向正确的方向,另一只也只用了3次刺激就能精准完成任务。


为了保证猕猴是因为看到了“L”和“T”(而不是看到了其他形状的图形)才能准确完成任务,研究人员还进行了无规律的随机刺激,并发现如果图形是随机的,猕猴就不能在这么短的时间(1、3次刺激)内学会看向正确的方向。这说明用电极精确诱导光幻视不仅可行,其视觉精度还非常高,足以让猕猴分辨出“L”和“T”之间的细微差别。


A:字母辨认任务范式;B:2只猕猴的表现。图片来源:Chen et al., Science,翻译制图:罗丁豪


在理想情况下,CVP应该能准确解读外界的视觉信号,并精准刺激视觉皮层细胞,在失明患者中实现对外界视觉事件的“高保真实时转播”。罗埃弗塞马团队打算再接再厉,寻找提高刺激精度的方法,继续向能达到应用程度的CVP迈进。


未来可期


尽管好消息频出,不论是辛克莱团队的“甲基化钟重置技术”,还是罗埃弗塞马团队的CVP,都面临着一些尚未解决的难题。尽管辛克莱团队利用三种山中因子降低了DNA甲基化水平,其背后的分子机制仍不明晰。而对于罗埃弗塞马团队来说,人体应用必将带来更严格的安全要求;现有的CVP都属于有线系统,而如果要实现人体长期、安全植入,就需要开发出无线的高精度CVP。这些都将是巨大的思维和技术挑战。同时,这些技术都只适用于出生后失明的患者;对于先天性失明患者来说,视神经的修补和V1皮层刺激都不能让他们“看见”视觉刺激。


幸运的是,随着近期的技术突破,失明的治疗获得了学界越来越多的关注。这些关注带来的技术和思路进展,必将为视觉疾病的治疗带来巨大变革。


本文来自微信公众号:环球科学(ID:huanqiukexue),作者:罗丁豪

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com
如对本稿件有异议或投诉,请联系tougao@huxiu.com
正在改变与想要改变世界的人,都在 虎嗅APP

相关推荐