造血干細胞歸巢記

先導(dǎo)細胞(玫紅色)引導(dǎo)造血干細胞(紅色)歸巢進入血管微環(huán)境。

剛剛過去的11月，42歲的中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究院研究員、中國科學(xué)院大學(xué)博士生導(dǎo)師潘巍峻迎來其科研生涯的“高光”時刻——帶領(lǐng)研究團隊歷時6年，破解了一個公認(rèn)的世界級科學(xué)難題，在國際上首次揭秘新生造血干細胞在活動物體內(nèi)的歸巢全過程，登上國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志。

《自然》雜志高級編輯兼團隊帶頭人Natalie Le Bot給出這樣的評價：“他們的研究，史無前例地揭示了造血干細胞是如何在活動物體內(nèi)實現(xiàn)歸巢的。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院院長李林則告訴記者，“這一由中國科學(xué)家獨立完成的原創(chuàng)性成果，是細胞命運可塑性研究在活動物體的一項成功嘗試，在生命科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛的借鑒意義。”

令人驚訝的是，做出這一成果的科研團隊，其平均年齡只有27.2歲。在11月舉行的成果發(fā)布會上，潘巍峻公布了他事先算好的這一數(shù)字，并頗為自豪地曬出了團隊合影，上面洋溢著笑容和朝氣，“請大家看，這就是我和我的90后們!”

在接受中國青年報⋅中青在線記者采訪時，潘巍峻說，他的身邊能夠凝聚這樣一批90后很讓人欣慰，“學(xué)術(shù)研究本身是一種值得回味的歷程，其本質(zhì)是對未知世界懷有興趣，即便百轉(zhuǎn)千折，始終不失勇氣、執(zhí)著與冷靜。而這些年輕人身上有這些特質(zhì)。”

共聚焦顯微鏡活體觀察造血干細胞歸巢。

鳳凰只有回到自己棲居的梧桐樹，才能行使其使命

走進潘巍峻位于上海營養(yǎng)與健康研究院的實驗室，首先映入眼簾的是五顏六色的紙條，黃色紙條寫著實驗魚的出生日期，紅色紙條提示“多喂食”，白色紙條則寫著實驗數(shù)據(jù)，這些琳瑯滿目的記錄之中，藏著一個和人們生活并不遠的關(guān)鍵詞：造血干細胞。

所謂造血干細胞，是指血液系統(tǒng)中的“始祖細胞”，或者稱為“萬能細胞”。其神奇之處在于，造血干細胞具有自我更新能力，可以分化成為紅細胞、白細胞、血小板等各個類型細胞，因此，被廣泛應(yīng)用于血液、免疫和腫瘤等疾病的治療。

中科院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所研究員、中國科學(xué)院大學(xué)博士生導(dǎo)師景乃禾告訴記者，造血干細胞是最早應(yīng)用于臨床治療的一種干細胞。一個典型的例子就是白血病，這類疾病大部分原因歸根溯源就是造血機能出現(xiàn)障礙，隨著干細胞移植技術(shù)的不斷發(fā)展，白血病有望不再是人人聞之色變的“血癌”。

不過，這一切的前提是，造血干細胞的正確“歸巢”。

所謂“歸巢”，是指造血干細胞在循環(huán)中游走，尋找其最適宜的微環(huán)境的過程，而只有尋找到自己的“家”，干細胞才能有效地發(fā)揮其功能。潘巍峻打了個比方，“就好像鳳凰只有回到自己棲居的梧桐樹，才能行使自己的使命與功能。”

不過，有關(guān)造血干細胞如何歸巢，科學(xué)上知之甚少。

景乃禾說，骨髓移植通常會從供髓者中獲取幾千萬個細胞，這其中，造血干細胞約有幾百萬個，而真正成功歸巢的造血干細胞則更少，客觀上造成了一定程度的細胞浪費。

科研人員觀察斑馬魚。

換句話說，一旦理解了造血干細胞的“歸巢”過程，就不再需要抽取如此眾多的細胞，可大大提升骨髓移植效率。

也因此，當(dāng)復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院血液科副教授陳彤第一次聽到造血干細胞歸巢成果的消息，“非常驚喜”，她希望這項成果能盡快應(yīng)用于臨床，“先導(dǎo)細胞可以為造血干細胞歸巢打開方便之門，這預(yù)示著今后可能在臨床上大幅提高造血干細胞移植的成功率。”

這也是為何潘巍峻團隊要研究這一問題。

如果只會緊跟熱點，無非是重新證實別人的重要性

目標(biāo)已經(jīng)明確：就是要摸清楚造血干細胞這只“鳳凰”的“歸巢”路線，以及其停留位置和時間的規(guī)律。

這其中的難點在于，造血干細胞“回家”是一個時間、空間跨度都相當(dāng)大的生命過程，已有的生物學(xué)研究系統(tǒng)，都難以做到在宏觀和微觀水平同時解析該過程。

用潘巍峻的話說，顯微鏡只能解決“顯微”的問題，但生物體的生命過程是個宏觀現(xiàn)象，這一點又如何解決呢?

“這就好比上海的人民廣場堵車，并不是在人民廣場上架兩臺攝像頭就能解決的，而是要利用衛(wèi)星等手段，對周邊的交通狀況進行連續(xù)監(jiān)測，有了宏觀數(shù)據(jù)后，再聚焦堵車的重點區(qū)域，研究對策。”潘巍峻打了個比方。

他們決定先從研究方法上著手，摒棄傳統(tǒng)的研究系統(tǒng)。

潘巍峻和他的部分90后隊員。

這是一套全新的、可完整解析體內(nèi)造血干細胞歸巢全過程的研究體系，屬于潘巍峻團隊首創(chuàng)——采用可變色熒光蛋白，建立造血干細胞標(biāo)記系統(tǒng)，在高分辨率共聚焦熒光顯微鏡下，可從宏觀到微觀，生動呈現(xiàn)出新生造血干細胞歸巢全過程。

“這很大膽，沒有人這么做過。”29歲的博士生薛文志，是這項研究成果的共同第一作者，也是潘巍峻回國后招收的第一批博士研究生。在他出生的年代，科學(xué)界就已經(jīng)對造血干細胞進行研究，并有過多次進展報道。最初他也和團隊其他成員一起，沿用傳統(tǒng)方法，反復(fù)嘗試，但最終無果。

事后他感慨道，“我們是站在巨人的肩膀上尋找一個新的突破口，逐步得出新的結(jié)論，建立自己的研究體系，是一個螺旋上升的過程。盡管，這個過程很是坎坷。”

“走前人沒走過的路，必須冒險，這在科學(xué)探索上無可避免。”在潘巍峻看來，倘若只做繼承過去的課題或者只會緊跟學(xué)術(shù)熱點，到最后無非是重新證實別人的重要性，缺少科學(xué)探索的意義。

在早些年，潘巍峻的研究方向偏重細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機制，后期才涉獵遺傳學(xué)和血管生物學(xué)研究，他自謙對于造血干細胞是個“門外漢”，“但也許就是‘初生牛犢不怕虎’，從一開始，我們就勾畫要有一個宏觀的研究視野，這正是和一些國外實驗室‘從局部來推測整體’理念的最大不同。”

他告訴記者，在探索未知的過程中，雖然會遭遇困難，但只要科學(xué)問題方向沒問題，也符合社會倫理，借助一定的研究資源和條件，就有機會去發(fā)現(xiàn)新事物。

“這是一個需要勇氣且很有意思的過程。”潘巍峻說。

等待已久的成果呈現(xiàn)在面前，就像追了很久的女孩突然說她也喜歡你

斑馬魚，是潘巍峻團隊選擇的實驗對象——一種脊椎動物，其神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、腎臟以及主要造血組織，都和人類十分相似，而且，其胚胎全身透明便于觀察。潘巍峻率領(lǐng)科研團隊，把斑馬魚尾部造血組織中造血干細胞停留的時間和空間規(guī)律解析了出來。

最終，這支團隊發(fā)現(xiàn)了造血干細胞歸巢停留具有“熱點區(qū)域”，“造血干細胞從誕生的那一刻起，就具有歸巢能力，而且歸巢之后很活躍，忙著分化增殖，顧不上在‘家’休息。”

令人驚喜的是，他們還意外地發(fā)現(xiàn)了一種全新的微環(huán)境細胞，并將其命名為“先導(dǎo)細胞”——就像去蘭心大戲院看戲，先要買票，如果去晚了，查票員會先驗票，打著電筒引導(dǎo)你到座位后再離開。先導(dǎo)細胞就像這個查票員。

有人將這些成果，形容為對造血干細胞“回家”之路的高清“直播”。但為了這場“直播”大戲，科研人員搭建舞臺、訓(xùn)練演員歷時6年，背后是對造血干細胞停留位置和時間的大量統(tǒng)計、計算、分析，以及數(shù)不清的日日夜夜。

正如Natalie Le Bot所說，“完成這項出色的工作依賴于對基礎(chǔ)研究的長期投入。”

最初，潘巍峻并不確定“路究竟在何方”，有時也懷疑“自己是否膽子太大了”：那是2014年，團隊遇到用什么成像手段來解析歸巢過程的問題，這需要大量對照和重復(fù)實驗。

這一做，就是一年半的時間。

回憶起那段時光，薛文志說，“太難熬了，甚至想放棄!”由于建立成像系統(tǒng)時，沒有考慮到光毒性，實驗結(jié)果大多是一些假象，他們總覺得有些什么不對勁，掙扎了三四個月，最后決定改進實驗條件。

直到2015年，才開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機?？蒲袌F隊第一次在活體內(nèi)觀察到了造血干細胞的行為，眼前的景象“非常生動”。

薛文志記得，當(dāng)時整個團隊為之振奮。仔細研究后，他們很快發(fā)現(xiàn)，最新的景象和傳統(tǒng)文獻里的描述“大不一樣”，這讓他們更加欣喜。

“當(dāng)?shù)却丫玫某晒尸F(xiàn)在你面前，就像是追了很久的女孩子，你向她告白時，驚喜地聽到，她也喜歡你，這是很有成就感和幸福感的瞬間。”在接受中國青年報⋅中青在線記者采訪時，薛文志給出這樣一個比喻。

接下來又是3年的實驗，反復(fù)驗證。2017年年末，潘巍峻團隊向《自然》雜志投了論文，從投稿到接收僅用了6個月。

“這樣的知遇，只有中國才有”

不同于人們對90后的某些刻板印象，潘巍峻對團隊里這些年輕人的評價是“特別能吃苦，超級拼”。

干細胞一個小小的“回家”行為，異常復(fù)雜，科研人員通過儀器設(shè)備所看到的，既有真正的“回家”，也有假象的“路過”。90后團隊去偽存真，總結(jié)出一個規(guī)律，即只有那些停留30分鐘以上的，才能稱其為“回家”或者“歸巢”。

這就需要長時間持續(xù)地觀察。實驗趕進度時，潘巍峻和他的3位博士生即此次論文的3位共同第一作者李丹彤、薛文志和李美“三班倒”：有人負(fù)責(zé)白天，有人負(fù)責(zé)從深夜盯到凌晨，有人則從凌晨爬起來負(fù)責(zé)盯到太陽曬到頭頂，“每天只睡4到6個小時，就連走路也在全速開動腦筋”。

“要保護他們對科研的興趣，還有熱情，在此基礎(chǔ)上建立信心，最終堅定攻克問題的信念。”潘巍峻告訴記者，正如“先導(dǎo)細胞”一樣，導(dǎo)師也有“導(dǎo)”之義——不是代替學(xué)生完成每一件事，而是用正確的方式引導(dǎo)他們?nèi)オ毩⑺伎迹瑘F結(jié)協(xié)作，敢于為科研獻身。

頗為有趣的是，潘巍峻將這些年始終不言放棄的科學(xué)研究歷程，也稱之為一種“歸巢”。

他的科研經(jīng)歷始自上世紀(jì)90年代，在華東理工大學(xué)完成本科階段學(xué)習(xí)后，1999年進入中科院上海生化細胞所學(xué)習(xí)，2005年起留學(xué)美國，先后在耶魯大學(xué)和美國國立衛(wèi)生研究院從事博士后工作。2012年，時隔7年他再次回到中科院。

至今，潘巍峻都很懷念，2012年年初回國的那段日子。那時，他經(jīng)常為這樣一個問題輾轉(zhuǎn)反側(cè)：如果科學(xué)研究要做30年，在起點處，應(yīng)該做什么?

那一年，他才36歲。

他把目標(biāo)鎖定在“造血干細胞歸巢”這項研究上?；貒?，他的實驗室剛起步就得到了支持。不僅如此，在他帶領(lǐng)90后團隊的背后，還有一支資深的科學(xué)顧問。

潘巍峻向記者反復(fù)提到一句話，“這樣的知遇，只有中國才有。”他說，科研其實是無數(shù)個普通日夜的積累，科研人員要做的是沉下心來，在不斷地摸索中前行。而這，需要一個好的科研環(huán)境。

他感慨道，人的命運、行為、使命，與細胞常常有著異曲同工之妙，每進入一處新的環(huán)境，就會接觸到很多人、很多事、很多機會、很多知識與信息，并逐漸感受到自己的使命，最終找到特定的位置施展才能——這就像體內(nèi)的造血干細胞類群定向分化，最終形成行使特定功能的成熟細胞，實現(xiàn)人生的“歸巢”。

潘巍峻自認(rèn)為幸運的是，他最終完成“歸巢”所在地，是生他養(yǎng)他的祖國。

本文圖片由中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究院、中國科學(xué)院科技攝影聯(lián)盟提供

中國青年報⋅中青在線記者 邱晨輝

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