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重塑生物学概念——人胚胎干细胞是如何引发革命的?

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  经过了20年的希望、承诺和争议,人胚胎干细胞正在重塑生物学概念,并开始进入临床。

  

  撰文:David Cyranoski

  

  ○源于人类胚胎干细胞的神经簇,在培养物中组装成球体。| 图片来源:Brivanlou Lab/Rockefeller University

  1998年,Dieter Egli正要开始读研究生,这一年研究人员们首次发现了如何获得人胚胎干细胞(human embryonic stem cells)。此后的二十年,多产细胞一直是他职业生涯的一部分。Dieter Egli现在是美国哥伦比亚大学的一名生物学家,他利用这些细胞来探索成体细胞中的DNA如何能够被重新编程为胚胎状态,并解决有关糖尿病发展和治疗的问题。他甚至帮助开发了一种全新的人胚胎干细胞,以简化对人类基因功能的研究。

  广泛的研究使Dieter Egli成为胚胎干细胞生物学领域的领导者,这一领域既面临经费限制的挑战,也面临非统一道德规范下的技术竞争热潮的挑战。尽管如此,许多人还是认为现今人胚胎干细胞比以往任何时候都更重要。 Egli说:“我对胚胎干细胞感到非常兴奋,它们将带来前所未有的发现,将改变生活,我对此毫不怀疑。”

  胚胎干细胞为早期发育提供了空前重要的信息。就像天文学家回望大爆炸以探寻对宇宙的基本见解一样,生物学家不断探索这些细胞中的分子,希望弄清单个原始细胞是如何变成数以万亿的细胞,并具有令人眼花缭乱的排列组合形式和功能。科学家们已经掌握了如何将胚胎干细胞转化为代表身体各种组织和器官的几十种成熟细胞类型。这些细胞被用于测试药物,模拟疾病,并且越来越多地作为治疗手段被注射到体内。

  从2010年尝试利用胚胎干细胞修复脊髓损伤开始,已经有十几个临床试验利用胚胎干细胞产生的细胞来治疗帕金森病和糖尿病等疾病。初步结果表明,一些方法正在发挥作用,不久前一份期待已久的报告显示,两名因老年性黄斑变性而视力受损的患者,经治疗视力得到了改善。

  Egli说:“从某种角度来说,这并不让人惊讶,因为20年前我们就期待如此,但我仍惊讶于这一切正在变成现实。”

  探索初期

  1981年,研究人员设法从小鼠胚胎培养出了干细胞。他们很快就认识到这些细胞的研究潜力,它们既可以自我复制,又可以分化成为体内200多种细胞的任一种。但是从灵长类动物分离培养胚胎干细胞并不容易实现。威斯康星大学麦迪逊分校的生物学家James Thomson花了14年时间才在猴子身上实现了这一目标。三年后,Thomson使用未用于生育治疗的捐赠胚胎,又一次成功创造了世界上第一个人胚胎干细胞系。

  Thomson的发现引发了道德风暴。批评者主要来自于宗教界,他们认为胚胎等同于人类,并希望阻止任何涉及毁灭胚胎的研究。 2001年,时任美国总统乔治·布什限制政府资助对已有的几个胚胎干细胞系的研究。该决定有效地迫使那些有意在美国进行胚胎干细胞研究的研究人员去寻求来自私人或州的资助。这些研究人员通常创建两个实验室, 一个用于胚胎干细胞研究,另一个用于受美国联邦政府资助的研究。而在包括德国和意大利在内的其他国家,生产胚胎干细胞的行为则彻底被禁止。

  尽管如此,胚胎干细胞研究在没被禁止的国家仍继续进行着。澳大利亚、新加坡、以色列、加拿大和美国等国的研究人员很快就报道了他们将胚胎干细胞转化成神经元、免疫细胞和跳动的心脏细胞。

  研究人员还讨论了通过体细胞核移植从胚胎中获得干细胞的计划(体细胞核移植正是制造克隆动物如多莉羊的方法),来自成年供体细胞的细胞核被转移到去除细胞核的人卵中。这种“治疗性克隆”是为了无限地提供与细胞供体具有相同DNA的动态细胞。研究人员们开始谈论在培养皿中研究复杂的遗传疾病,并以修理工给汽车换零件的方式替换失效的器官和组织。开始并不顺利,特别是在2005年,调查人员发现韩国科学家黄禹锡谎称以这种方式分离了干细胞。但在2013年,俄勒冈健康与科学大学的干细胞研究员Shoukhrat Mitalipov领导的研究小组最终取得了成功。

  然而,在最初的15年里,大部分胚胎干细胞研究集中于利用这些细胞来了解多功能性——干细胞转化成为任何细胞的惊人能力。科学家们逐渐摸清了可实现这一功能的分子信号通路。Mitalipov说:“我们从胚胎干细胞中了解到多功能性。”

  诱导多功能干细胞(iPS)的发现可以说是2000年代再生医学和生物学研究领域最大的突破。2006年,日本京都大学的干细胞生物学家山中伸弥弄清了如何利用4种遗传因子将成年小鼠细胞恢复至胚胎样状态。次年,他和Thomson在人类细胞中也实现了这一过程。理论上,这个过程与治疗性克隆具有相同的潜在回报:无限量的与患者基因匹配的多功能干细胞,同时又免于陷入伦理困境。

  许多人曾预测诱导多功能干细胞很快会在研究中取代胚胎干细胞,但这一情况并未发生。有关胚胎干细胞的论文发表数量在2006年之后迅速增长,并且自2012年以来以每年2,000篇的速度增长。部分原因是胚胎细胞作为黄金标准,研究人员可以将诱导多功能干细胞与之进行比较。并且即使在今天,也有人怀疑诱导多功能干细胞的安全性。北京中国科学院动物研究所的干细胞生物学家周琪表示,正是对诱导多功能干细胞会导致肿瘤的担忧,使他选择使用胚胎干细胞进行了十多项临床试验。

  许多关于胚胎干细胞的研究致力于使这些细胞更易于操作。最初分离培养胚胎干细胞是一个困难重重的过程,挑单细胞培养并使之生长成新种群的成功率不到1%。一些技术进步改变了这一点。例如,2007年,位于日本神户的RIKEN发育生物学中心的笹井芳树发现了一种名为ROCK抑制剂的分子,它能够使胚胎干细胞从繁殖的群落中分离出来时免于死亡。这使建立新细胞群落的成功率提高到27%。

  瑞典隆德大学的细胞生物学家Malin Parmar说:“这从根本上改变了你能做到的事”。Parmar使用胚胎干细胞为一项帕金森病临床试验分化培养神经元,他表示这种技术进步为胚胎干细胞研究带来了“一个新的黄金时代。”

  现在,胚胎干细胞可以快速、可靠和无限地生产。且目前这些细胞以某种方式避免了转化为人们所担心的癌症。东京大学的干细胞生物学家中内启光说,“我们仍然不知道这些细胞为什么或如何”维持这种平衡,他一直试图从胚胎干细胞和诱导多功能干细胞中获取无限的血小板。

  研究多样化阶段

  研究人员还试图用胚胎干细胞培养器官。如果有合适的细胞信号分子和3D环境,胚胎干细胞甚至可以在培养皿中发育成类器官。这一能力对于研究人员,如俄亥俄州辛辛那提儿童医院的James Wells来说至关重要。他正在培养肠类器官用于测试药物,也许有一天还会用于器官移植。

  胚胎干细胞的新来源也为其他遗传疾病提供了研究工具。例如,2004年,芝加哥的生殖医生们开始通过体外受精产生的因有遗传缺陷而不会被用于生育治疗的胚胎来制造胚胎干细胞系。这使得该团队可以创建地中海贫血、亨廷顿病、马凡氏综合征、肌营养不良和其他遗传病的细胞模型。2007年,研究人员利用胚胎干细胞确定了导致脆性X染色体综合征中的认知障碍的分子变化。

  研究人员表示,凭借能够从任何有疑似遗传病的人体中培养干细胞的能力,诱导多功能干细胞在培养皿中进行疾病研究这一领域有更大前景。但许多研究者仍然认为胚胎干细胞在这一领域具有很强的潜力。由于一些条件会导致成体细胞的损伤,从而无法从这些细胞培养出信息完整的诱导多功能干细胞,在这种情况下胚胎干细胞仍然可以起到支持作用。

  例如,2008年,哈佛大学的Kevin Eggan从患有神经退行性疾病肌萎缩侧索硬化症(ALS)的患者中培养得到了诱导多功能干细胞系。根据以往对胚胎干细胞的研究,Eggan知道如何将多能细胞诱导分化成为受该疾病所影响的运动神经元。当他对来自患者的诱导多功能干细胞做同样的处理时,他可以快速比较这两类细胞。来自患者的诱导多功能干细胞比来自非患者的诱导多功能干细胞更活跃。 Eggan说:“我们通过对胚胎干细胞所做的所有工作来更好地理解运动神经元”。 现在,一种可以降低来自患者的诱导多功能干细胞的兴奋度的抗癫痫药物正在进行人体测试。预计未来两个月会有结果。

  当Egli和耶路撒冷希伯来大学的Nissim Benvenisty利用正常染色体数目的一半得到了胚胎干细胞系时,他们推翻了人类生物学一直以来的观念。研究人员现在开始在这些“单倍体”胚胎干细胞上使用基因编辑工具来了解基因如何在发育中发挥作用。Egli表示,由于只有一套基因,这些细胞可以提供更直观的结果。

  并非所有利用胚胎干细胞进行的疾病研究的工作都进展顺利。哈佛干细胞研究所的Douglas Melton花费了15年的时间,将胚胎干细胞转化为具有功能的β细胞——可以检测葡萄糖并产生胰岛素的胰腺细胞。然后,他发现正常胚胎干细胞分化产生的胰腺细胞与1型或2型糖尿病患者的诱导多功能干细胞产生的胰腺细胞之间没有任何区别。 他说:“我们知道遗传易感性的存在,但这并不意味着你可以在体外看到它”。

  细胞复兴

  Melton仍计划研究由胚胎干细胞制成的β细胞。他希望可以将这些细胞移植到1型糖尿病患者的体内,以终止或至少减少他们对胰岛素注射的依赖。这项工作的最后一道障碍是引入细胞,使它们不遭免疫系统破坏。Melton在美国剑桥市创立了Semma Therapeutics公司,目标是通过将细胞封装在可使营养进入和胰岛素放出的小袋中——但免疫细胞无法进入,以此跨越最后一道障碍。他预计在三年内开始临床试验。加利福尼亚州圣迭戈的ViaCyte公司在重新设计了封装技术后,不久前重启了其于2014年启动的一项类似的临床试验。而其他公司,例如丹麦的Novo Nordisk公司正在启动利用从胚胎干细胞分化而来的细胞治疗糖尿病的研究项目。

  在临床领域,许多人认为诱导多功能干细胞最终会战胜胚胎干细胞。一个潜在的优势是诱导多功能干细胞可以产生具有与患者相同DNA的细胞和组织,因此在移植时不会引起免疫反应。但对于大多数遗传病,包括1型糖尿病,从患者得到的诱导多功能干细胞含有致病突变,并且必须对细胞进行改造以用于治疗。

  接下来是成本问题。加利福尼亚州斯克利普斯研究所的干细胞生物学家Jeanne Loring表示,制备一个用于临床治疗的诱导多功能干细胞系大约需要100万美元。如果以使用患者自身的细胞为目的,目前这一价格是令人望而却步的,但Loring预计价格将会下降,她正在开发诱导多功能干细胞用以治疗帕金森病。

  到目前为止,研究人员只启动了一项利用诱导多功能干细胞衍生出的细胞进行的人体试验项目。该项目由RIKEN发育生物学中心的眼科专家高桥雅代领导,旨在治疗黄斑变性。但在2014年调查人员决定简化程序,使用供体来源的干细胞而不是患者来源的干细胞,项目因此暂停。该项目于2017年重新启动,但在1月又遇到了另一个障碍,一名实验参与者患视网膜前膜,必须手术剥除。

  黄斑变性一直是胚胎干细胞治疗的热点。在美国,英国,韩国,中国和以色列至少进行过六次临床试验。3月19日,由伦敦治疗失明项目主任、加州大学圣塔芭芭拉分校眼科专家Pete Coffey领导的研究人员报告了一项研究的结果,该研究将由胚胎干细胞制成的细胞片植入两名眼疾患者受损的视网膜中。在植入一年后,两名患者恢复了阅读的能力,尽管恢复过程缓慢。

  明尼苏达州罗切斯特Mayo诊所的眼科医生Alan Marmorstein称这是该领域的“重大进步”。 他说:“这一结果首次有力地表明该方法在人体内有效,并支持在人体其他部位的进一步研究”。Coffey表示,由于科学家们不懈地探索如何最好地将细胞移植到人体内,才最终迎来了这些突破。

  他说:“十年前,我们认为'你只需要放入细胞,细胞就知道该做什么了'。事实并非如此,人们必须以适当的方式控制这些细胞。”许多干细胞领域的研究人员都认为胚胎干细胞的下一个重大临床突破将出现在帕金森病的治疗中。这种疾病是由于神经递质多巴胺的缺失引起的,六家公司和诊所正在准备用胚胎干细胞或诱导多功能干细胞来代替产生多巴胺的神经元。

  一个关键的问题是如何把控移植前多功能细胞的成熟度。在一项始于2016年的澳大利亚试验和一项始于2017年的中国试验中,研究人员使用了未成熟的、不产生多巴胺的神经前体细胞,并声称这些细胞的不成熟性将有助于它们在移植后存活并整合到新宿主的大脑。但是一组被称为GForce-PD的胚胎干细胞和诱导多功能干细胞试验的领导者表示,使用越成熟的细胞,这些细胞越能够可靠地转变成所需的产生多巴胺的细胞,并且失控的可能性越低。

  迈向希望

  胚胎干细胞研究如果能够克服目前面临的障碍,仍然有发展空间。一个大问题是许多种类的细胞仍然难以生产。Melton估计,迄今为止仅有约十种经胚胎干细胞产生的细胞,其功能真正等同于正常人类细胞的功能。一些最具广泛应用价值的细胞,如卵子和精子,在可预见的未来仍然是一个挑战。

  这一领域还面临经费的不确定性。科学家们频繁听说美国总统特朗普可能会对胚胎干细胞研究的联邦资助施加新限制。

  尽管胚胎干细胞的研究历史布满荆棘,但许多研究人员表示,胚胎干细胞已经不止一次,以意外的方式证明了它们的价值。由于胚胎干细胞似乎为研究人类疾病提供了更好的途径,一些研究人员甚至减少了动物模型的使用。 Melton说:“我的座右铭是‘一切以人为本’。”

  山中伸弥表示胚胎干细胞是他进行诱导多功能干细胞研究的驱动力。在研究人员花了近20年从小鼠胚胎干细胞进展到人胚胎干细胞后,Thomson的人胚胎干细胞生产配方使制作小鼠诱导多功能干细胞到人诱导多功能干细胞的间隔缩短到一年。山中伸弥说:“我们确切地知道该如何培养人诱导多功能干细胞。”

  他表示,胚胎干细胞在今天也同样重要,它可以帮助我们更好地理解多功能性的机制和改善多功能细胞的医学应用。他说:“现在人胚胎干细胞的重要性并不比20年前低,并且也不会在未来降低。”

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