【行研】细胞部分重编程延长人类寿命，产业化已在路上

ChatGPT让世界将眼光聚焦在AI上，而OpenAI的CEO Sam Altman还在关注另外一项研究：通过细胞重编程延长人类寿命，他对Retro Biosciences的1.8亿美元投资最近得以向公众披露。除此之外，获得30亿美元投资的Altos实验室和亿万富翁Brian Armstrong创办NewLimit生物技术公司也有着相似的愿景。部分重编程是目前长寿研究中最热门的话题，该领域已成为资本最充足的研究领域之一。

2006年，山中伸弥教授发现了4个转录因子（Oct4、Sox2、Klf4、Cmyc），可以将成熟细胞转化回干细胞， 这个过程被称为重编程。重编程会产生两种影响：

1）去分化（将分化后的细胞转化为干细胞），

2）年轻化（使细胞更年轻）。

我们是否可以在不去分化的情况下获得年轻呢？2010年，Prim Singh提出：可以不“完全”应用山中因子，而是“部分”应用它们，在没有去分化效应的情况下，使细胞恢复活力。这就是部分重编程的诞生。

直到2016年，该理论在小鼠体内取得成功：Ocampo等研究者通过对患有早衰症的小鼠进行部分重编程，能够将小鼠的中位寿命延长33%-50%。同时基于Roux及Olova等人在动物和人类细胞研究，人们发现去分化和年轻化(Rejuvenation)并未有很好的相关性。这使得人们可能找到一种方法来将这两步骤分离，将部分重编程转化为一种可行的治疗方法。

传统意义的部分重编程指的是将山中因子部分应用于细胞，希望细胞能在不改变其身份的情况下恢复活力。随着行业和学术研究的深入，其含义与应用随着采用更多山中因子之外的调控因子以及不同应用场景的拓展，部分重编程领域的应用和研究方向得到了进一步的延展，同时其描述的术语也逐渐发生了变化,比如Rejuvenation 或Revitalization 等。

使细胞发生重编程主要通过两种形式来实现：

1) 递送外源的转录因子系统进入到细胞或动物中。比如可以通过将细胞命运转录因子包装进病毒或mRNA，然后将它们注入细胞或动物中，来传递想要实现的功能。除学术研究外，这一技术路径为多家初创企业所采用，如YouthBio或Altos Labs 等。

2) 激活或调控内源的命运转录因子表达。大多数细胞已有内源的决定命运的转录因子，所需要的就是激活或调控内源的命运转控因子的表达。比如可以通过小分子组合来影响或调控内源细胞命运调控因子的表达，从而实现目标的功能。采用这一方案的代表性公司有Retro Biosciences、昕瑞再生等。

这个领域相对较新，相关文章发表约19篇（详见附录）。

在还没有充分理解衰老的真正含义前，目前的研究主要从转录组、衰老特征、表观遗传时钟三个方面来进行评估。其中衡量年轻化的指标是：寿命的延长、生理上的改善和分子生物标志物的改善。

总的来说，转录组分析比观察特定的衰老标记物更具标准化和系统性，因而通过转录组可以较为全面地进行评估。检查一个细胞是否正在变年轻的方法是观察细胞中所有的基因表达，也就是转录组。对转录组的研究一般包括以下步骤：

a) 获得年轻细胞和年老细胞的转录组;

b) 获得经过部分重编程处理的老细胞的转录组;

c) 使用统计分析来比较年轻细胞、未经处理的老年细胞和处理过的老年细胞的转录组，看看处理有多少能“使细胞恢复活力”。

这些分析包括：Principal component analysis （PCA）：这种分析方法允许我们看到这些干预后的整体表型数据是如何聚类在一起的。如果处理过的老细胞比未处理过的老细胞更接近年轻细胞，那么这就意味着处理方法部分地“恢复”了这些样本中的老年细胞的活力。部分研究甚至创建了独特的转录组年龄评分（Gill 2021，Roux 2021）。

过去由于技术和成本的限制，建立切实可行的高通量转录组分析并非易事，但国际和国内不少研究者与企业均在此方向做了不少尝试。据悉，基于单细胞测序原理，部分先驱企业，依靠其深厚技术积累，已克服了主要障碍，从而使得这一技术的可及性大大提高。

总的来说，部分重编程可使LAKI小鼠(一种早衰小鼠模型)的寿命延长，同时科学界认为部分重编程不仅可以治疗早衰症，也可以影响衰老，原因如下：

1） 首先，早衰症是由Lamin A蛋白突变引起的，突变后蛋白的积累进而影响细胞功能是LAKI小鼠过早衰老的主要原因。然而，部分重编程并没有改变Lamin A突变蛋白的表达或改变积累。因此，治疗后的LAKI小鼠的寿命延长很可能是其他衰老过程得到改善的结果；

2）其次，部分重编程确实会使得野生型小鼠和人类细胞中与衰老相关的生物标志物的系统性改善，特别是与衰老相关的功能改善(如视力、心脏功能、葡萄糖耐量)。

部分重编程在不同类型组织中的研究

y轴为相关研究的数量

总的来说，部分重编程是一种很有前途的再生干预措施，可以应用于各种器官和组织。尽管目前仍处于起步阶段，但它针对的是一个（可能是普遍的）衰老过程。

目前，就皮肤和肌肉这两种组织类型，部分重编程在小鼠和人类细胞中都其中证明了年轻化效果，该结果在同一物种的多个研究中得到了重复验证，因而不少部分重编程公司管线中都有涉及皮肤这一领域。

在疾病治疗相关领域，研究关注的重点往往是特定组织和器官的年轻化效果，而不是全身年轻化。其中代表性研究如Lu 2020，Chen 2021，Sarkar 2020，和Wang 2021。

他们用不同的使用方案分别研究了部分重编程对视网膜神经节细胞、心肌细胞（心脏细胞）和肌肉干细胞的再生效果。简而言之，部分重编程能够诱导所有这些细胞类型的功能改善。其中包括：改善受伤后视网膜神经节细胞（RGCs）视力和再生能力，改善心脏损伤后的再生能力，以及改善肌肉干细胞损伤后的再生能力。

根据丰富的动物研究，部分重编程已初步展现出了恢复活力的效果和潜力。总的来说，部分重编程的作用也能适用于人类细胞，目前也已在五种重要人类细胞（肌肉干细胞、神经元、软骨细胞、内皮细胞和成纤维细胞）中进行了体外测试。其中对人类肌肉干细胞和神经元展现了治疗潜力，并对人类软骨细胞、内皮细胞和成纤维细胞有恢复活力的作用。

目前大多数方案都是不到4天的处理，也许对不同的人类细胞类型进行更长时间的实验将会观察到更多证据。

部分重编程有时也被称为表观遗传重编程，在重编程过程中，细胞的表观遗传状态发生了巨大的变化，这可能有助于再生。一些研究通过在部分重编程过程中中断表观遗传变化来观察再生效果是否减弱，从而证实了这一点。

这一机制也提示可以寻找除了OSKM之外的，其他可调控细胞命运的其他因子。例如Wang 2021发现Wnt4是在部分重编程后驱动肌肉干细胞再生能力的关键下游因子，因此通过进一步研究可能发现通过影响OSKM的下游的新的因子。 

进行综合性的筛选，将会是寻找并识别出OSKM之外新的因子的重要方法，国内外都有了不错的尝试：例如通过genowide的CRISPR筛选，Shift公司发现了50个新的重编程因子；通过高通量转录组筛选这一自有技术平台，国内昕瑞再生也在多个疾病领域，发现了可实现细胞部分重编程、逆转细胞疾病表型的候选小分子。

随着细胞重编程技术及其应用的高速发展，越来越多的公司现在应用细胞重编程方法来治疗相关的疾病，并希望能使组织、器官甚至整个人恢复活力，其中比较知名的有Retro Bio, Altos Labs, Turn Biotechnologies、YouthBio Therapeutics、NewLimit、Shift Bioscience和昕瑞再生等。此外，2013年谷歌发起的Calico现在也开始专注于细胞重编程。

总的来说，相关企业的核心方法可以分为两类：

1） 使用OSKM和相关组合进行部分重编程，如仅使用OSK或不同的诱导方式等；

2） 使用新的可替代OSKM的转录因子或小分子进行重新编程。

重新编程公司的进展和技术特点

Retro Biosciences

成立于2021年初,他们的目标是找到OSKM之外的替代因子来实现细胞的年轻化，同时将主要着眼于“单细胞多组学，基于机器学习的计算生物学”。

Altos Labs

成立于2021年年中，并以30亿美元的资金招募了一群令人印象深刻的科学巨头。这是迄今为止，专门用于重新编程的最大数额的单一资金。

除了对抗衰老之外，Altos实验室的公司使命还指向了更远大的目标：通过细胞年轻化重编程来扭转可能发生在生命各个阶段的疾病，损伤和残疾。

昕瑞再生

成立于2019年，公司创始团队及核心成员分别来自北京大学、清华大学、复旦大学、香港科技大学，加州理工大学等知名高校。

该公司位于南京，是一家以细胞命运的重塑和再生为原理的创新药研发公司，基于独特的“细胞焕新”药物发现平台，致力于开发组织器官原位再生、纤维化逆转、肿瘤细胞重编程等原理的创新药物，核心技术包括高通量靶向转录谱测序技术、基于细胞影像的机器学习技术，iPS细胞分化及原代细胞培养新技术、先进的小分子靶点及MOA解析技术、计算化学等。

部分重编程作为一种极具潜力的技术呈爆炸性增长，因为人类组织年轻化或焕新的潜在医疗效益是革命性的。尽管由于技术壁垒，国内外相关初创企业并不多，参考目前生物技术的发展轨迹和这一领域新发现的速度，以及进入这一领域的资本数量，未来几年很可能会持续呈现高度繁荣的景象。

参考文献

参考网站

https://www.adanguyenx.com/blog/partial-reprogramming