肌肉有力量，生命才會(huì)有力量。在《戰(zhàn)狼》、《星際大戰(zhàn)》等電影里，精彩的打斗場(chǎng)面牽動(dòng)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(jié)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(fù)的關(guān)鍵因素，肌肉有力量，從生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上來講，肌肉干細(xì)胞功不可沒。肌肉干細(xì)胞可以分化發(fā)育為成肌細(xì)胞，成肌細(xì)胞相互融合形成肌纖維，是骨骼肌的基本構(gòu)成。另外，當(dāng)肌肉受損時(shí)，肌肉干細(xì)胞則會(huì)被激活進(jìn)而增殖分化并對(duì)受損肌肉進(jìn)行修復(fù)。但由于老齡化肌肉萎縮以及一些疾病的影響，可能會(huì)導(dǎo)致肌肉干細(xì)胞的再生修復(fù)能力下降喪失，最終導(dǎo)致病人癱瘓甚至死亡。

圖 | 生命力量源于肌肉（來源：Pixabay）

干細(xì)胞技術(shù)被人們寄予厚望，它可以通過調(diào)控細(xì)胞擴(kuò)增和分化修復(fù)人體損傷組織或抵抗衰老，是戰(zhàn)勝人類疾病的最強(qiáng)大的武器之一。因此，該領(lǐng)域的重大突破總能引起學(xué)界震動(dòng)，且能給患者治療帶來新希望。

其中，最知名的當(dāng)屬 2012 年諾貝爾生理 / 醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者日本京都大學(xué)教授山中伸彌（Shinya Yamanaka）研發(fā)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (Induced pluripotent stem cells，iPSCs) 技術(shù)。該發(fā)現(xiàn)開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，并且為肌肉疾病、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及各類絕癥的治療帶來了新方法。

“其實(shí)，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(xì)胞，然后將其轉(zhuǎn)換為多功能干細(xì)胞，最后才能變成骨骼肌肉細(xì)胞，這一方法雖然可行，但周期長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化到臨床牽涉到許多步驟和因素的優(yōu)化，困難很多，而且這些細(xì)胞并不成熟，通常無法有效生成正常肌肉?！?美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）生物工程系主任、美國(guó)生物工程協(xié)會(huì)會(huì)士、國(guó)際醫(yī)學(xué)和生物工程學(xué)院院士李松表示。

干細(xì)胞技術(shù)治療肌肉的關(guān)鍵在于需要攻克肌肉干細(xì)胞供應(yīng)不足的問題，也就是要徹底實(shí)現(xiàn)肌肉干細(xì)胞的分離、體外培養(yǎng)和大量擴(kuò)增。只有這樣，才能真正釋放干細(xì)胞療法的臨床應(yīng)用潛力。

李松團(tuán)隊(duì)通過多年研究，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)特的小分子藥物 “雞尾酒” 組合 ——Forskolin（一種腺苷酸環(huán)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(dǎo)擴(kuò)增肌肉干細(xì)胞。

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

圖 | 李松團(tuán)隊(duì)在 Nature Biomedical Engineering 上發(fā)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(fā)表，論文標(biāo)題為《體外與原位化學(xué)誘導(dǎo)擴(kuò)增肌肉干細(xì)胞實(shí)現(xiàn)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(tuán)隊(duì) “擺平” 干細(xì)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(yī)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?jī)?yōu)化過程，也像雞尾酒一樣，需要調(diào)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(fā)現(xiàn)，他們進(jìn)一步采用干細(xì)胞植入和藥物釋放兩種方法來治療肌肉損傷疾病。

干細(xì)胞植入治療中采用了三種動(dòng)物模型 —— 成年、老年小鼠及肌肉營(yíng)養(yǎng)不良 mdx 小鼠。通過把體外小分子誘導(dǎo)擴(kuò)增的皮膚來源的肌肉干細(xì)胞（CiMCs）注射到心肌毒素（CTX）損傷的肌肉中，發(fā)現(xiàn)移植的干細(xì)胞在一個(gè)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(dòng)物的肌肉功能（神經(jīng)信號(hào)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(fù)。

圖 | CiMCs 的體內(nèi)植入促進(jìn)肌肉再生（來源：受訪者）

實(shí)驗(yàn)過程中他們發(fā)現(xiàn)，在三種動(dòng)物模型里，CiMCs 處理肌肉的平均等長(zhǎng)強(qiáng)直力顯著高于相應(yīng)的對(duì)照組，而且肌肉質(zhì)量也更大。肌肉治療中，他們通過 DsRed 標(biāo)記被移植的 CiMCs 和真皮細(xì)胞（對(duì)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(duì)照組細(xì)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(cè)到 CiMCs 融合進(jìn)入大量肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白陽性肌纖維。另外，組織學(xué)分析顯示，與對(duì)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(jié)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(jìn)了衰老和 DMD 小鼠肌肉的再生。

藥物釋放是另外一種更簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了藥物的局部釋放。當(dāng)成年和老年受損肌肉注射了載藥顆粒之后，原位肌肉干細(xì)胞擴(kuò)增比較明顯，并成功促進(jìn)了成年、老年小鼠肌肉的原位再生修復(fù)。

圖 | 載藥納米顆粒促進(jìn)肌肉再生（來源：受訪者）

免疫熒光染色顯示，在 FR-nps 處理和對(duì)照組（不載藥顆粒）處理的小鼠中，Pax7?衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量迅速增加，在第 3 天達(dá)到峰值，在第 28 天逐漸恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。然而，與對(duì)照組相比，F(xiàn)R-nps 處理的肌肉在第 3 天和第 7 天與對(duì)照組相比有更多的增殖型衛(wèi)星細(xì)胞。

另外，在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型（Pax7-creER:Rosa26-eYFP）實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn) FR-nps 處理的肌肉在第 3 天含有更多的 eYFP?細(xì)胞，這進(jìn)一步表明 FR-nps 擴(kuò)增了損傷肌肉中的 Pax7?細(xì)胞，從而更好地促進(jìn)了肌肉的修復(fù)和再生。

此外，與對(duì)照組相比，F(xiàn)R-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(xì)胞，這表明 FR “雞尾酒” 還可通過阻止纖維化和炎癥反應(yīng)促進(jìn)肌肉再生，類似于之前在 CiMCs 移植中的發(fā)現(xiàn)。

圖 | 載藥納米顆粒通過促進(jìn)原位衛(wèi)星細(xì)胞的擴(kuò)增改善肌肉修復(fù)（來源：受訪者）

提及這項(xiàng)研究的亮點(diǎn)與突破，方俊博士總結(jié)了以下幾點(diǎn)：

第一：發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)小分子藥物（即 Forskolin 和 RepSox），可以在體外選擇性、高效誘導(dǎo)擴(kuò)增皮膚來源的肌肉干細(xì)胞。

第二：采用體外大量擴(kuò)增肌肉干細(xì)胞成功治療老齡化和 DMD 肌肉損傷。采用小分子誘導(dǎo)擴(kuò)增皮膚組織獲得肌肉干細(xì)胞治療疾病的最大優(yōu)點(diǎn)在于皮膚細(xì)胞具有豐富的來源，易于獲取，不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重二次手術(shù)損傷。這種體外獲得干細(xì)胞可以和生物材料支架結(jié)合，治療大的創(chuàng)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(shí)現(xiàn)原位促進(jìn)肌肉干細(xì)胞的擴(kuò)增修復(fù)肌肉。這種辦法使用起來更加便利，有利于規(guī)模化生產(chǎn)和儲(chǔ)存，更容易獲得臨床批準(zhǔn)，尤其是在老年肌肉疾病的治療中更加有優(yōu)勢(shì)。

科研柳暗花明，產(chǎn)業(yè)化未來可期

李松告訴 DeepTech，他們開展該研究的初衷是想結(jié)合生物化學(xué)和生物物理的方法來促進(jìn)細(xì)胞重組。細(xì)胞是生命的最基本的功能單位，采用小分子藥物通過調(diào)理、改變或重編程細(xì)胞命運(yùn)，是一種便利的、有效的、可規(guī)模化的治療疾病和修復(fù)組織的方法，也是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

此前，該團(tuán)隊(duì)于 2016 年從加州大學(xué)伯克利轉(zhuǎn)到加州大學(xué)洛杉磯分校，在伯克利時(shí)，采用化學(xué)小分子重編程生成多功能干細(xì)胞效率很低，重復(fù)性也不好。但博士生 Junren Sia 做了一些初期的研究，發(fā)現(xiàn)了上面兩個(gè)小分子藥物處理皮膚細(xì)胞后可以獲得肌肉細(xì)胞并促進(jìn)成年小鼠的肌肉再生。

到加州大學(xué)洛杉磯分校后，李松在 UCLA 第一個(gè)博士后方俊繼續(xù)這項(xiàng)研究。方俊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初小分子誘導(dǎo)肌肉直接重編程的設(shè)想是不成立的，而皮膚中某種干細(xì)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(xì)胞亞群，當(dāng)選出這種細(xì)胞亞群，再用小分子處理后，發(fā)現(xiàn)肌肉干細(xì)胞的誘導(dǎo)擴(kuò)增效果得到極大的提高，也驗(yàn)證了這一新的設(shè)想。然后，才有了后續(xù)的一系列治療肌肉疾病的研究。

圖 | 富集的真皮肌原細(xì)胞有助于化學(xué)擴(kuò)增的 CiMCs（來源：受訪者）

李松說，“對(duì)于科研人員而言，要學(xué)會(huì)做到善于取舍，能夠及時(shí)甄別判斷，究竟是堅(jiān)持這一方向繼續(xù)探索下去，還是盡早轉(zhuǎn)換思路，就像我們這次的研究，實(shí)際上就是相當(dāng)于從‘垃圾桶’里面撿了一個(gè)東西出來，這就是常說的 ‘當(dāng)上帝關(guān)了這扇門，一定會(huì)為你打開另一扇門’。”

近年來，李松在 SCI 學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文百余篇，他帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)主要從事力學(xué)生物學(xué)、生物材料、細(xì)胞工程、免疫工程（如 COVID-19 的治療）及再生醫(yī)學(xué)（如心血管、神經(jīng)、肌肉等）等方面的研究。

對(duì)于此次肌肉干細(xì)胞的研究，他表示：“此次研究工作涉及面很廣，包括細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)藥物釋放到動(dòng)物模型再生等等，既有醫(yī)學(xué)，又有工程，所以需要進(jìn)行跨學(xué)科整合，這也正是生物醫(yī)學(xué)工程這種前沿交叉學(xué)科的魅力所在?！?/p>

圖 | 美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校生物工程系教授李松（來源：受訪者）

在臨床轉(zhuǎn)化方面，李松表示這項(xiàng)研究極具應(yīng)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(jīng)申請(qǐng)了專利，相信會(huì)有很好的產(chǎn)業(yè)化前景?！?他說。

基于這兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)，今后，可以根據(jù)臨床的需求，選擇合適的方法來治療疾病。接下來，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化 “雞尾酒” 成分和治療方案，實(shí)現(xiàn)更有效和更大范圍的肌肉修復(fù)，并希望通過開展臨床前和臨床研究，最終實(shí)現(xiàn)研究成果的轉(zhuǎn)化和造福大量的肌肉疾病患者。

來源：麻省理工科技評(píng)論