1月19日，里克·克劳斯纳（Rick Klausner）和汉斯·毕晓普（Hans Bishop）联合公开启动了一项名为Altos Labs的衰老研究计划，该计划获得了包括科技投资者尤里·米尔纳（Yuri Milner）和亚马逊创始人杰夫·贝佐斯（Jeff Bezos）在内的支持者提供的30亿美元初始资金。这是近期涌现的投资热潮中的最新举措，这些投资旨在基于表观遗传重编程（修改DNA上的化学标记以开启或关闭基因）的基础研究，构建抗衰老干预措施。12月，加密货币公司Coinbase的联合创始人布莱恩·阿姆斯特朗（Brian Armstrong）和风险投资家布莱克·拜尔斯（Blake Byers）创立了NewLimit，这是一家专注于衰老的生物技术公司，获得了1.05亿美元的初始投资，加州大学旧金山分校的亚历克斯·马森（Alex Marson）和斯坦福大学的马克·戴维斯（Mark Davis）担任顾问。
“山中因子”——四种转录因子（Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4），这些蛋白质可以将完全成熟的细胞重编程为胚胎样状态——的发现为京都大学研究员山中伸弥赢得了2012年诺贝尔奖的共享奖项。这项于2006年描述的发现，通过提供一种新的细胞来源，即类似于胚胎干细胞的细胞，从而改变了干细胞研究，胚胎干细胞能够分化成体内除性细胞外的任何类型的特化细胞。这些诱导多能干细胞（iPSC）的获得不需要人类胚胎。但在最近几年，山中因子也成为另一个新兴领域的焦点：让衰老的时钟倒转。
所谓的“部分重编程”是指将山中因子应用于细胞足够长的时间，以逆转细胞衰老和修复组织，但不会使其回到多能性状态，即细胞可以分化成其他细胞类型的状态。包括斯坦福大学的维托里奥·塞巴斯蒂亚诺（Vittorio Sebastiano）、索尔克研究所的胡安·卡洛斯·伊兹皮苏阿·贝尔蒙特（Juan Carlos Izpisúa Belmonte）和哈佛医学院的大卫·辛克莱（David Sinclair）（见表）领导的几个研究小组已经表明，部分重编程可以显著逆转哺乳动物培养细胞甚至啮齿动物模型中与年龄相关的特征，方法是对抗与衰老相关的表观遗传变化。这些结果激发了人们将动物模型中的见解转化为抗衰老干预措施的兴趣。“这是一场现在已经变成竞赛的追求，”位于英国剑桥的Shift Bioscience首席执行官兼创始人丹尼尔·艾夫斯（Daniel Ives）说。
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Alphabet子公司Calico Life Sciences位于加利福尼亚州南旧金山的首席研究员雅各布·金梅尔（Jacob Kimmel）解释说：“我们之所以投资这个领域，是因为它是我们所知的少数几种可以恢复多种细胞类型年轻功能的干预措施之一。”Life Biosciences的研发主管琼·曼尼克（Joan Mannick）也对此表示认同，她说，当涉及到治疗甚至预防与年龄相关的疾病时，部分重编程可能具有“变革性”的潜力。Life Biosciences是由大卫·辛克莱共同创立的初创公司，正在探索三种山中因子（Oct4、Sox2和Klf4）的再生能力。
尽管Life Biosciences和其他几家初创公司正在研究山中因子，以期逆转人类衰老，但通过重编程实现年轻化的生物学机制在很大程度上仍然神秘莫测。“这些最初的论文提出了一些令人震惊的观察结果，”哈佛干细胞研究所的康拉德·霍赫德林格（Konrad Hochedlinger）说。“但还需要更多的研究来深入研究正在发生的分子和机制过程。”鉴于完全重编程的iPSC很容易形成称为畸胎瘤的肿瘤，科学家们必须确定细胞时钟是否可以在人体内安全地倒转——这意味着通往临床的竞赛很可能是一场马拉松，而不是短跑。
山中伸弥的技术甚至可以从百岁捐赠者身上生成生物学上年轻的干细胞，在过去的15年中得到了广泛的研究。马克斯·普朗克分子遗传学研究所的亚历山大·迈斯纳（Alexander Meissner）说，大多数iPSC重编程都归结为重写表观遗传标记——基因组的化学修饰，例如在DNA或组蛋白蛋白质上添加甲基，组蛋白蛋白质充当DNA的包装。这个过程影响哪些基因被激活，哪些基因随着细胞衰老而倾向于改变。“你抹去了所有看起来像衰老或任何异常特征的这些标记，并且[细胞]基本上被重置为基线‘完美’表观基因组，”迈斯纳说。
这种重编程重新配置了基因表达网络，这些网络可以打开和关闭基因，从而逆转与年龄相关的细胞特征。但一些研究人员假设，部分重编程可能使细胞变得更年轻，而无需将细胞完全推回到未分化的胚胎状态，从而减少肿瘤发生的可能性。
2016年，伊兹皮苏阿·贝尔蒙特及其同事对早衰症的小鼠模型进行了基因改造——早衰症是一种由突变的层粘连蛋白引起的过早衰老疾病，层粘连蛋白构成细胞支持结构。他们这样做是为了表达四种山中因子。他的团队通过用药物多西环素治疗动物来调节这些因子的表达，多西环素已被编程为控制基因表达的调节“开关”。这种条件开关被证明至关重要，因为当这些因子持续表达时，小鼠会在几天内因器官衰竭而死亡。但是，通过在短暂的间隔内激活这些因子，研究人员能够延长早衰症小鼠的预期寿命，并在多个器官中恢复年轻的功能。
为了估计组织或细胞的年龄，加州大学洛杉矶分校的史蒂夫·霍瓦特（Steve Horvath）开发了一种“表观遗传时钟”——一种使用来自不同细胞和组织的DNA甲基化来估计生物年龄的方法。2019年，爱丁堡大学的塔米尔·钱德拉（Tamir Chandra）及其团队表明，部分重编程可以在细胞最终失去其身份之前拨回这个时钟。但钱德拉警告说，“我不相信存在因果关系”，而且这个时钟可能只是细胞年轻化更广泛过程的读数。迈斯纳同样指出，许多这些表观遗传变化似乎都位于远离已知基因或调控元件的地方。
部分重编程实验被证明是有希望的，并促使其他学术团体在不同的衰老动物模型中采用类似的方法。2020年，辛克莱的团队重置了表观基因组，使用腺相关病毒（AAV）载体递送三种山中基因来恢复小鼠的视力——他们排除了c-Myc，因为它具有已知的致癌特性。转录因子在视网膜神经节细胞中的表达逆转了小鼠的视力丧失，促进了老年小鼠视神经损伤或青光眼后的轴突再生。至关重要的是，即使在三种山中基因持续表达的情况下，研究人员也没有看到细胞身份丧失的迹象。
同样的情况会发生在人体细胞中吗？塞巴斯蒂亚诺的团队表明，基于mRNA的四种山中因子加上两种辅助因子（LIN28和NANOG）的表达可以提高重编程效率，可以逆转老年人的各种细胞类型（培养的成纤维细胞、内皮细胞和软骨细胞）的表观遗传和炎症特征，并恢复其再生潜力。“我们现在已经在近20种不同的人体细胞类型中看到了这一点，”塞巴斯蒂亚诺说。
多家公司涌现出来，以这些开创性的研究为基础进行发展：塞巴斯蒂亚诺共同创立了Turn Biotechnologies，辛克莱创立了Life Biosciences，据报道，伊兹皮苏阿·贝尔蒙特将加入Altos Labs。Calico的金梅尔以及其他初创公司，包括Shift Bioscience、Retro Biosciences、YouthBio Therapeutics和AgeX（最初是迈克尔·韦斯特（Michael West）的BioTime的子公司），也都在研究部分重编程的年轻化潜力。
但是，通往安全有效的人类衰老干预措施的道路不太可能通过全身递送山中因子来实现。直接注射的风险太高，因为可能导致细胞回到胚胎的、去分化的状态，从而诱发恶性肿瘤。“要充分降低这种风险将非常困难，”金梅尔说。
即使是iPSC专家也不清楚重编程细胞何时达到“不归路点”并恢复到完全胚胎样状态。在霍赫德林格的经验中，时间范围“可能从一周到重编程后仅两三天不等”。金梅尔和Calico的衰老研究副总裁辛西娅·凯尼恩（Cynthia Kenyon）最近发表的一篇未经同行评审的预印本进一步强调了这一过程的不确定性，表明即使是短暂的山中因子激活也可能导致人体细胞基因表达发生变化，表明细胞身份丧失。这不仅仅是一个学术问题——这种方法的根本安全性取决于答案。事实上，畸胎瘤的形成是评估重编程iPSC细胞多能性的常用指标。“一旦单个细胞转化成iPSC，这个单个细胞就足以形成肿瘤，”霍赫德林格说。
目前尚不清楚在恰当的时间引入最佳的山中因子组合是否可以完全减轻畸胎瘤的风险。曼尼克说，辛克莱研究小组用c-Myc以外的三种山中因子治疗的小鼠在治疗后近一年半的时间里一直没有出现肿瘤。但是，将这项研究转化为人体应用需要设定更高的标准。“安全是我们目前正在处理的最重要的事情，”塞巴斯蒂亚诺说。
为了最大限度地降低将细胞重编程为多能状态的风险，Life Biosciences最初专注于一种经过充分研究的组织：眼睛。曼尼克说，公司的临床前研究表明，与其他组织相比，眼睛提供了一个更安全的起点，因为该组织中很少有细胞增殖。
Turn Biotechnologies则专注于皮肤，塞巴斯蒂亚诺认为皮肤在美容适应症以及更严重的与年龄相关的问题（如伤口愈合受损）方面具有潜力。他补充说，皮肤的可及性和详细的了解也有助于加速转化。Turn使用基于脂质纳米颗粒的mRNA递送来制备塞巴斯蒂亚诺研究小组的六种重编程因子混合物：Oct4、Sox2、Klf4、Oct-4、LIN28和NANOG。尽管这些因子无法进行外部调节，但Turn的mRNA的短半衰期应将其活性限制在几天内。Turn正在探索的另一个选择是在体外重编程细胞，这将使实验室能够在将细胞返回患者之前对细胞进行质量控制。
霍赫德林格认为，将c-Myc排除在重编程组合之外可能是有利的。但他强调，Life Bioscience的混合物中的另外两种山中因子，Sox2和Oct4，也与癌症有关。即使是保持其身份的细胞，肿瘤也可能仍然是一种风险。衰老的细胞通常在其一生中获得许多突变；钱德拉指出，这些突变不会因年轻化而消失，有些突变可能是因为它们赋予了细胞增殖或生存优势而被选择出来的。“它们已经在某种程度上朝着癌症迈进了一步，”他说。“那么，如果它们看到山中因子会发生什么呢？”
一些公司已经开始将目光投向山中因子之外。Shift Bioscience正在寻找替代方案，利用机器学习来识别有助于逆转生物衰老但不会导致多能性的基因。“我们基本上认为我们已经看到了细胞重编程过程中的年轻化途径，”艾夫斯说。“这些基因看起来很安全，而且它们似乎不会影响细胞身份。”他补充说，Shift仍在充实这些与年轻化相关的基因网络，然后将着手测试这些基因的不同组合在多种细胞类型中的安全性和有效性。
实际上，山中因子可能作为研究衰老和年轻化的基础生物学的工具比作为治疗手段更有价值。迈斯纳说：“我怀疑在任何个体中诱导这些多能性因子是否是一个好主意。”金梅尔同样认为，当前的重编程方法在临床应用方面受到限制，并补充说，Calico主要从事这项工作是为了探索关于衰老的基本问题。“目前，这并不是我们在临床上考虑的事情，”他说。
由于有如此多的未解之谜，该领域的公司需要为长期投资做好准备。拥有亿万富翁支持的资金雄厚的公司——如Altos，该公司正在旧金山湾区、圣地亚哥和英国剑桥建立研究所——可能在这方面具有优势。钱德拉说，已经与该公司签约的同事“没有被施加任何压力去交付任何东西，除了在最初的五到十年里做好科学研究”。
最重要的是，那些追求年轻化疗法的人知道需要管理期望。“这个信息需要明确——这不是关于延长寿命，”塞巴斯蒂亚诺说。“我们关心的是提高人们的健康寿命……这样你就不用在虚弱的状态下活很长时间。”
本文经许可转载，并于2021年1月19日首次发表。