美国华盛顿大学医学院的科学家开发出一种被称为“飞行数据记录器”的新工具，用来记录细胞发育的过程，照亮细胞身份转换的过程，即从一种类型向另一种类型进化时的路径。

科学家们希望在有朝一日能够使用需要肝移植患者的皮肤细胞，并引导皮肤细胞沿着一条已知路径生长，最终生成新的肝脏。如果没有细胞追踪设备，研究人员虽然能够详细地研究原始细胞和最终细胞，但细胞身份转换的途径在很大程度上是未知的。

这项研究于12月5日发表在《Nature》上。研究通讯作者、发育生物学助理教授Samantha A. Morris博士说：“人们对再生医学的潜力非常感兴趣，比如在实验室中培养组织或器官用于新药测试，甚至在未来能够用于器官移植。但是我们需要理解重编程过程是如何进行的。我们想要知道将皮肤细胞转化为心脏细胞的过程是否与转化为肝细胞或脑细胞的过程相同。将一种细胞类型转换为其他细胞类型所需的特殊条件是什么？我们设计这个工具的目的就是为了解答这些问题。”

研究人员称，该工具能够揭示出细胞“重编程”的路径，这些路径可能涉及将皮肤细胞还原为不同类型的干细胞，然后这些干细胞可以分化成新的肝脏或其他重要器官。在诸多潜在应用中，该工具也可被用于癌症研究，记录正常细胞发育成肿瘤细胞的错误过程。

利用飞行数据记录器，研究人员进行了一系列实验发现了惊人的细节，这些细节与细胞成功完成转化的特定路径相关。这些新信息能帮助科学家们确定细胞所需的最佳“飞行前条件”，以便将细胞暴露于其中，从而增加它们成功完成旅程的可能性。科学家们想要确定正确的飞行计划，确保所有的细胞都能到达正确的目的地。

图片来源：《Nature》

Morris说：”现在细胞重编程效率非常低。如果我们将一个细胞群（比如皮肤细胞）转化为另一种细胞群（比如肠细胞），大概只有1%的细胞可以被成功重编程。因为成功率极低，所以科学家们认为这很可能是一个随机过程，一些细胞随机地实现了一系列正确的步骤。我们反其道而行，该技术使我们可以在重编程过程的早期就确定细胞是否进入了正确的路径，是否所有相关的兄弟细胞和它们的后代都处于同一阶段，做着相同的事情。“

图片来源: Matt Miller

这项技术利用了病毒的天然特性，将名为“细胞标签”的微小DNA“条形码”插入每个细胞。随着细胞分裂，它们独特的条形码被传递给所有后代细胞。在28天细胞重编程窗口期内的几个设定时间点，新的条形码被添加。研究人员分析了细胞样本，以确定细胞在这个路径点在做什么。细胞标签技术能够追踪哪些细胞拥有共同祖先，以及共同祖先在该谱系（比如一个家族树）中可以追溯到多远。事实上，除了单次飞行追踪，Morris及其团队还利用该工具建立了复杂的细胞家族树。在这个家族树中，所有被成功重编程的细胞都可以追溯到它们的早期祖先。

这项研究表明，细胞在收到重编程指令时细胞所处的状态已经为其是否成功奠定了基础。这与细胞在第一次被指令重编程时向许多不同方向运动的假设相矛盾。

Morris说：”如果我们能解开细胞重编程所需的初始条件，就能以更高的效率将细胞转化成我们想要的类型。我们希望实现100%的效率，这对于再生医学领域来说是非常令人兴奋的。“

目前，研究人员可能已经确认了其中一种条件。他们发现，如果在细胞中开启某种称为Mettl7a1的基因，那么与该基因无活性的细胞相比，它们成功重编程的可能性是其三倍。根据Morris的说法，另一项有趣的发现是，那些未能成功进行重编程的细胞并不只是最终遍布整个图谱。它们似乎会聚在同一死胡同，趋向于恢复到原来的细胞类型。

她说：”我们目前只发现了这一种结局，但是随着技术改善，我认为重编程失败的细胞也会有多种结果。“

研究人员研究了小鼠皮肤细胞，将它们暴露于一种分子鸡尾酒中，这种分子鸡尾酒能触发细胞的DNA打开，开启新的基因，并将皮肤细胞重新编程为另一种细胞类型，称为诱导内胚层祖细胞。

这类细胞能同时产生肝细胞和构成小肠的细胞。一个潜在应用案例：Morris想要培育微型肠道来帮助患有短肠综合征的早产儿。已知过早出生的婴儿有很高的患病风险，这种疾病会导致肠内组织的死亡。为了阻止这种损伤，一些婴儿需要手术切除那部分肠道，导致肠道变短。

Morris 说：“由于部分肠道被移除，这些婴儿失去了吸收营养的能力。如果我们最终可以从这些细胞的人类版本中培育替代肠道，那将是一个惊人的进步。”

Morris与华盛顿大学的技术管理办公室合作为该技术申请专利。全世界各地的研究团队已经表示出兴趣将Morris的细胞标签技术用于他们自己的研究。

”我们非常高兴，并且乐于鼓励癌症研究团队采用这项技术。”Morris说：“通过这种方法，他们可以找出哪些细胞变成了癌细胞并及时追踪它们的祖先，确定它们的最初状态。“