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）就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