小小干細胞如何在生物醫學“興風作浪”

干細胞研究是在上世紀90年代后期開始熱起來的。自上世紀80年代中期以來，發育生物學家一直都在實驗室使用人類胚胎癌（EC）細胞，但是對小鼠胚胎干細胞（ESCs）和胚胎生殖細胞的研究，已經讓研究人員看到了希望：他們能夠制備來自人類的多能干細胞，而不會有EC細胞的異常基因組。在新的千年之前，一些研究人員正瘋狂地朝著這個目標努力。

在美國，聯邦資金對人類胚胎研究的限制，嚴重阻礙了這些研究的進展，但在1998年十一月，由Geron生物醫藥公司私人資金支持的兩個實驗室獲得成功。威斯康星大學麥迪遜分校的發育生物學家James Thomson和同事們，從捐贈的人類IVF胚胎分離并培養出了干細胞（Science，282:1145-47，1998），而約翰霍普金斯大學大學John Gearhart率領的另一個團隊，從捐贈的胚胎組織中獲得了人胚胎生殖細胞（PNAS，95:13726-31，1998）。

利用人類胚胎和胎兒來衍生多能干細胞，引起了公眾的強烈抗議。Gearhart說：“很明顯，我們一旦公布，就會天下大亂。”當時，兩個極端陣營迅速興起。他回憶說：“對一些人來說，我是那個提供所有這些治療的人。而其他人則將我我視為殺害嬰兒的魔鬼。”Gearhart說，幾個月后，他和Thomson在國會作證時辯護自己的工作，而約翰霍普金斯大學移除了Gearhart實驗室的指示牌，以保護他和他的家人免于抗議者的威脅。為了幫助學員了解這些辯論，Gearhart甚至將倫理學家和哲學家帶進了他的實驗室。

公眾的抗議持續了幾年，但科學研究仍在進行。盡管令人擔憂的政治背景，多能性干細胞的研究依舊引發了從發育生物學到遺傳學、從藥物發現到再生醫學的快速發展。

干細胞來源
在1981年，多能干細胞是從小鼠胚胎中分離的（Nature，292:154-56；PNAS，78:7634-38），新的細胞系帶來了兩大進展：培育大量的細胞用于研究轉基因小鼠的發育和制備。多倫多兒童醫院發育生物學家Janet Rossant說：“小鼠胚胎干細胞改變了整個哺乳動物遺傳學。如果我們能從培養物中取出一個細胞，用遺傳學手段操縱它――改變它，敲除基因，添加基因，做任何你想做的事，并把它放回胚胎，孕育出小鼠，那么真的是革命性的。”

在接下來的17年里，生物學家們開發了各種程序和培養條件，從小鼠胚胎干細胞衍生出多個不同的細胞類型，包括造血細胞、肌肉細胞、神經元，但研究人員一直想在人類細胞中重復這個壯舉。在1998年，Thomson和Gearhart從人類胚胎和胎兒組織中分離出了多能干細胞，然而，干細胞研究進入了一個領域：人類細胞療法似乎唾手可得。

與此同時，在愛丁堡大學Roslin學院，胚胎學家Ian Wilmut和他的同事們將一個乳腺細胞的細胞核，插入一個綿羊的卵細胞，從而有了克隆羊多莉的誕生，表明哺乳動物卵母細胞所含的因子，可能完全重編程一個完全分化的細胞的DNA（Nature，385:810-13，1997）（復制多莉羊科學家轉向人類胚胎發展 ）。后來，細胞融合實驗表明，人類胚胎干細胞也含有重編程因子，可以使體細胞基因組恢復到多能的胚胎狀態（Science，309:1369-73，2005）。研究人員預計，一旦得以確定，這些重編程因子就可以將任何分化細胞轉換成胚胎干細胞樣的狀態，并能夠回避使用人類胚胎進行研究的大多數爭議。

在美國馬薩諸塞州，麻省理工大學的遺傳學家Rudolf Jaenisch給其實驗室大部分成員的任務是，發現這些因子，作為其主要課題的一個小項目。Jaenisch實驗室當時的博士后、現就職于斯坦福大學的Marius Wernig說：“很顯然，這將是一個非常重要的發現，但是同樣清楚的是，它可能并不起作用。”但是，日本京都大學的干細胞生物學家山中伸彌（Shinya Yamanaka），卻比Jaenisch的研究團隊搶先了一步。在2006年，山中伸彌和他的同事描述了四個轉錄因子――Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4，當他們用一個逆轉錄病毒將這些基因轉入細胞的基因組時，可將小鼠成纖維細胞轉換到多能狀態（Cell，126:663-76）。結果被稱為誘導多功能干細胞（iPSCs）。相關閱讀：山中伸彌和iPS細胞創舉；山中伸彌Science解析無慢病毒載體iPS技術。

Jaenisch的研究小組已經有了基因用于四個因子的克隆，并立即開始跟蹤。Wernig回憶說：“從字面上看，把這些東西放在一起，并重復山中伸彌發表的實驗，只是個時間問題。”隨后，山中伸彌發表的實驗也在其他研究起作用（Nature，448:318-24，2007），并快速地人類成纖維細胞生成了iPSCs（Cell，131:861-72，2007；Science，318:1917-20，2007）。

斯克里普斯研究所再生醫學中心主任Jeanne Loring說：“這真的是整個領域的秘訣。制造iPS細胞變得非常簡單。”

簡化流程
自2005年起，使用iPSCs進行研究的實驗室數量穩步增加。但是，將成人細胞恢復到多能狀態的過程并不是完美的，可能有著形成腫瘤的風險，給療法開發設置了一大障礙。將細胞重編程到多能狀態是一個固有的風險；其中一個多能性測試是細胞是否可能產生畸胎瘤。此外，山中伸彌最初發現的一個因子c-myc，是一個原癌基因的產物，該基因能刺激iPSCs中的腫瘤生長（Nature，448:313-17，2007），病毒載體提出了“當轉錄因子被整合到宿主基因組中時，可激活癌基因”的可能性。

早期對于重編程方法的工作包括用新因子代替c-Myc（Nat Biotech，26:101-06，2008）。研究人員還嘗試了其他的傳遞方法，如引入蛋白質或合成的mRNA。但這些替代品仍然是費力的，而且大多數不如逆轉錄病毒重編程那么有效。在iPSCs發展后的幾年，Wernig的研究團隊想出了如何完全跳過多能狀態，將一個分化的細胞類型直接轉換成另一個（Nature，463:1035-41，2010）。

在理論上，直接轉換可能避免多能性細胞的癌癥風險，但研究人員也在尋找一種簡化細胞生成的方法。Rossant說：“你用來獲得特化細胞類型（如肺細胞或肝細胞）的很多分化程序，是相當漫長而繁瑣的。如果可以有快捷方式，做一個直接的轉換，那么可能是非常有用的。”

臨床轉化
一些團隊致力于提高實驗室的干細胞轉換，其他人則關注多能性細胞轉化為臨床的方法。但是，細胞療法一直伴隨著對于質量控制的關注，評論家們想知道，最終分化的細胞如何密切地反映在一個健康的成年人中。弄清不同發育途徑的細節，一直是一個挑戰，Gearhart說：“我們中的許多人認為，我們能夠在幾年內做到這一點，但20年后的現在，我們仍然在努力。”

然而，以干細胞為基礎的再生醫學，最終要接近臨床應用。世界各地的實驗室都使用多能干細胞來產生多種治療性的細胞類型，如胰腺β細胞用于治療糖尿病，和多巴胺能神經元用于治療帕金森。在2010年，Geron生物醫藥公司開始第一個FDA批準的臨床試驗，使用人類胚胎干細胞來治療脊髓損傷，然而在2011年，該項目在招募了僅僅4名患者后因成本高而停工。Astellas再生醫學研究所（原先進細胞技術公司）正致力于為黃斑變性尋找一種ESC療法，并在去年推出了2期臨床試驗。在2014年，RIKEN發育生物學中心的眼科醫生Masayo Takahashi，與山中伸彌合作，開始第一個iPSC臨床試驗，也治療黃斑變性。當研究人員在細胞中發現突變后，該試驗被擱置，但一名患者安全地接受了治療，研究小組計劃恢復試驗。

其他許多以多能性干細胞為基礎的療法，在臨床前研究中已顯示很大前景，但到目前為止，仍然很難取得明確的臨床成功。Loring說：“為了打開再生醫學領域，我們需要有一個成功的試驗。”