逆轉衰老，攻克失明？《自然》《科學》兩文連發

本文來自微信公眾號：環球科學（ID：huanqiukexue），作者：羅丁豪，題圖來自：unsplash

失明和視覺衰弱困擾著全球9億人，而且人類視覺系統的復雜程度阻礙了治療手段的研發。首先，將視覺資訊從視網膜運送到大腦的視神經一旦受傷，就無法再生；其次，即使想要繞過視神經，直接在人腦中”植入視覺”，科學家也還面臨著技術上的重重困難，

幸運的是，這周發表于《自然》的一項研究成功逆轉衰老，為治療青光眼提出了新方案；而在《科學》的另一篇論文中，研究者則通過在獼猴腦中植入電極，創造了精細的”人工視覺”。

這些思維和技術變革，必將為失明的治療和康復帶來曙光，

小鼠的視網膜鋪片；藍色標記視神經節細胞，綠色標記Klf4轉錄因子的表達。圖片來源：呂垣澄

視覺是人類五感中最重要的官能，為我們的日常決策提供了大量寶貴的資訊，外界物體將光線反射到我們的眼中，投射到我們的視網膜上；感光細胞（photoreceptors）將光信號轉變為電化學信號，由視神經（optic nerve）送過視交叉（optic chiasm），最后輻射到視覺皮層上，大腦從這些信號中構建出只屬于我們自己的視覺世界，

視覺環路（簡化示意圖），圖片來源：Mandelstam, AJNR，翻譯制圖：羅丁豪

但正如中樞神經系統（Central Nervous System）中的其它部位一樣，視神經也會在出生后迅速失去再生（regeneration）的能力，因此在人類和其他哺乳動物中，視神經損傷一旦發生，就不可逆轉。

許多情況都能導致視神經損傷。以衰老為例，視神經在老年人中容易因老化出現損傷，這種視神經損傷可以從根源上切斷視網膜與視覺皮層的資訊交流，從而造成不可逆的失明。類似的損傷也能由事故造成，嚴重的跌落、暴力事件一旦傷及頭部，都有可能造成外傷性視神經損傷，由于其不可逆的特性，視神經損傷的康復通常要求患者改變自己的生活習慣，并使用輔助工具，例如導盲犬和白手杖，目前常用的治療方案效果都不甚理想，因此患者一旦失明，就會給自己和親友帶來持續的負擔。這種影響著全球將近4千萬患者的感官障礙亟需新的治療方案，

幸運的是，我們或許離新的治療方案已經不遠了，本周，發表于《自然》《科學》雜志的兩篇論文，采用了兩種不同的思路，為失明的治療帶來了好消息。

逆轉衰老

細胞內的遺傳資訊主要被編織在DNA的雙螺旋內，由A、T、C和G四類堿基構成，只有通過將DNA有規律地表達（express）成蛋白，細胞才能維持特定、正常的運作。要調控DNA的表達規律，細胞可以采用表觀遺傳的方法，在不改變DNA序列的情況下，通過改變DNA分子的物理結構，使得不同基因的表達“難度”不同，從而調控細胞內不同蛋白的水平，

甲基化通常會抑制基因的表達。圖片來源：美國國立衛生研究院（NIH），翻譯制圖：羅丁豪

衰老不是一件好事，對于細胞來說也如此。隨著年歲增長，細胞內會出現越來越多的表觀遺傳噪音（epigenetic noise），擾亂蛋白表達規律，促使衰老的細胞失去其獨特“身份”。DNA甲基化（methylation）是研究最廣的表觀遺傳過程，過去的研究顯示，甲基化規律的擾動是衰老的標志性特征。一些學者由此提出了DNA甲基化鐘（DNA methylation clock）的概念，并進一步推斷，如果能將甲基化鐘“往回撥”，我們也許能逆轉衰老，重置細胞的生命周期。

哈佛醫學院的戴維·辛克萊（David Sinclair）就是這些學者中的一員。在周三發表于《自然》的一篇研究中，辛克萊團隊想要嘗試通過“回撥”甲基化鐘的方式，逆轉衰老造成的視神經損傷，他們想拿青光眼（glaucoma）這一困擾全世界7千萬人的疾病練手，并準備好了一個“秘密武器”，

這個秘密武器叫“山中因子”（Yamanaka factors），在2012年為日本科學家山中伸彌贏得了諾貝爾獎。山中因子包含Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc四個轉錄因子。如同照著菜譜做菜，你只需要往培養皿中“加入”這四個轉錄因子，就能重編程（reprogramming）已經分化成熟的哺乳動物細胞，使其變為誘導性多能干細胞（induced pluripotent stem cell，簡稱iPSC）——這相當于讓成年細胞“回爐重造”，賦予它們重新做胞的機會。

通過表達山中因子（Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc），可以將衰老細胞重編程為iPSC，圖片來源：Passaro & Testa, Front. Cardiovasc. Med.，翻譯制圖：羅丁豪

然而問題在于，如果要把這一套菜譜一字不變地搬到活體細胞上，就會導致嚴重后果，在活體內誘導山中因子的常用方法，是直接“啟動”編碼這四個轉錄因子的基因。但此前的許多研究顯示，一旦這些基因表達過量，就會誘發畸胎瘤，嚴重時還會導致死亡。

辛克萊團隊的呂垣澄博士想要解決這個問題。通過多年的試錯，他終于確定了最易致癌的c-Myc轉錄因子，并將其從四個轉錄因子中剔除，再將剩余的三個轉錄因子（Oct4、Sox2和Klf4，簡稱OSK）用病毒載體包裝起來，用注射的方式送入青光眼小鼠的視神經節細胞（retinal ganglion cell，簡稱RGC）內，通過用顯微鏡觀察不同小鼠的視神經，他們得以評估OSK注射的效果。

猶如奇跡一般，在青光眼小鼠的眼內，視神經竟然重新長出來了。“就像在看著水母重新長好受傷的部位一樣，”呂垣澄說，“（整個過程）令人屏息。”

視神經創傷5周后，12月大的小鼠重新長出了視神經（下），圖片來源：Lu et al., Nature，翻譯制圖：羅丁豪

現在，問題從“OSK是否能誘導受傷的視神經再生”，變為了“這種再生，是否與甲基化鐘的‘回撥’有關”。為此，呂垣澄等人測量了核糖體（ribosome，細胞合成蛋白的場所）DNA的甲基化程度，發現青光眼造成的視神經損傷會導致視神經的DNA甲基化劇增——這是細胞衰老的重要標志。注射OSK則可以激活兩種去甲基酶（Tet1和Tet2），有效減緩甚至逆轉DNA甲基化，從而使視神經重新進入生長期，

至此，科學家終于打破了視神經損傷不可逆的神話。

人工視覺

禍不單行，喜事成雙。今天，在發表于《科學》的另一項研究中，來自荷蘭神經科學研究所（Netherland Institute for Neuroscience）的彼得·羅埃弗塞馬（Pieter Roelfsema）團隊也帶來了治療失明的好消息。與辛克萊團隊不同的是，羅埃弗塞馬等人并未從視神經入手，而是想繞過視覺環路，直接在接受視覺資訊的視覺皮層里下功夫。

他們走的路子并不新，早在70年前，麥吉爾大學部的神經外科醫生懷爾德·彭菲爾德（Wilder Penfield）就嘗試對視覺皮層進行電刺激，以喚起所謂的“光幻視”（phosphene，指在沒有光刺激的情況下看到的視幻覺）。彭菲爾德的成功激發了許多科學家的興趣，于是自70年代開始，學界掀起了研究皮層視覺假體（cortical visual prosthesis，簡稱CVP）的熱潮。

CVP的概念簡單易懂：既然刺激視覺皮層能直接喚起視覺，那我們應該可以設計一種繞過視覺環路，直接“翻譯”外界視覺資訊，再將其直接送入視覺皮層的仿生假體，這就相當于利用人工手段，在大腦中“重現”外界資訊，但要做到這點，我們需要擁有足夠精準的刺激方式，還要有大量的電極。在過去的研究中，科學家都無法建立起足夠大、足夠復雜的刺激電極陣列，因而只能誘導大片的光幻視，缺乏細節精度——看到一大片光可沒用，細節才是視覺資訊最有用的部分。

這項新研究則不同：羅埃弗塞馬團隊成功在兩只獼猴的初級視覺皮層（V1）和紋外皮層之一（V4）中植入了1024枚電極，大大改善了刺激精度，不但如此，他們還利用行為實驗，確認了這些電極陣列確實能有效引導光幻視。

羅埃弗塞馬團隊在兩只獼猴的V1、V4皮層植入了1024個電極，圖片來源：Chen et al., Science

V1皮層有一個有趣的性質：在正常情況下，視網膜上的光刺激會以視網膜拓撲映射（retinotopic mapping）的方式，投射到V1上，這也就意味著，能在視網膜上形成字母“L”的光刺激，在V1里也會激活形同“L”的神經元陣列，利用這個性質，羅埃弗塞馬等人訓練了視覺完好的獼猴，例如讓他們在看到“T”的時候看向屏幕上方，在看到“L”的時候則看向下方。接著，他們會在獼猴的V1皮層中重復同樣的刺激，

實驗結果喜人：其中一只獼猴能在第1次刺激時就看向正確的方向，另一只也只用了3次刺激就能精準完成任務，

為了保證獼猴是因為看到了“L”和“T”（而不是看到了其他形狀的圖形）才能準確完成任務，研究人員還進行了無規律的隨機刺激，并發現如果圖形是隨機的，獼猴就不能在這么短的時間（1、3次刺激）內學會看向正確的方向。這說明用電極精確誘導光幻視不僅可行，其視覺精度還非常高，足以讓獼猴分辨出“L”和“T”之間的細微差別。

A：字母辨認任務范式；B：2只獼猴的表現。圖片來源：Chen et al., Science，翻譯制圖：羅丁豪

在理想情況下，CVP應該能準確解讀外界的視覺信號，并精準刺激視覺皮層細胞，在失明患者中實現對外界視覺事件的“高保真實時轉播”。羅埃弗塞馬團隊打算再接再厲，尋找提高刺激精度的方法，繼續向能達到應用程度的CVP邁進。

未來可期

盡管好消息頻出，不論是辛克萊團隊的“甲基化鐘重置技術”，還是羅埃弗塞馬團隊的CVP，都面臨著一些尚未解決的難題。盡管辛克萊團隊利用三種山中因子降低了DNA甲基化水平，其背后的分子機制仍不明晰，而對于羅埃弗塞馬團隊來說，人體應用必將帶來更嚴格的安全要求；現有的CVP都屬于有線系統，而如果要實現人體長期、安全植入，就需要開發出無線的高精度CVP，這些都將是巨大的思維和技術挑戰。同時，這些技術都只適用于出生后失明的患者；對于先天性失明患者來說，視神經的修補和V1皮層刺激都不能讓他們“看見”視覺刺激。

幸運的是，隨著近期的技術突破，失明的治療獲得了學界越來越多的關注，這些關注帶來的技術和思路進展，必將為視覺疾病的治療帶來巨大變革。

本文來自微信公眾號：環球科學（ID：huanqiukexue），作者：羅丁豪