《自然》重磅長文‖ 人類胚胎幹細胞如何引發一場革命

醫學資訊

科學雜談

NO.0024

Mar.

24

「經過20年的希望、承諾和爭議，人胚胎幹細胞正在重塑生物學觀念，甚至開始進入臨床」

------DAVID CYRANOSKI

從人胚胎幹細胞衍生來的玫瑰花簇樣的神經元，在培養過程中聚集呈球狀。

Credit: Brivanlou Lab/Rockefeller University

1998年，當研究專家首次報道出怎樣獲得人胚胎幹細胞的時候，Dieter Egli 剛開始讀研究生，打那之後的20多年中，這種多能性細胞已經成為他職業生涯中不可或缺的一部分。

現在在紐約市哥倫比亞大學的生物學家已經利用它們來探索成年細胞中的DNA如何能夠重新編程為胚胎狀態，並解決有關糖尿病發展和治療的問題。他甚至幫助開發了一種全新的人類胚胎幹細胞，可以簡化對不同人類基因的研究。

Figure 1: Derivation of haploid human ES cells.

Dieter Egli因為卓有成效的研究成為了這個領域的領軍人物，這是一個受到資金限制和熱衷於沒有道德包袱的競爭性技術挑戰的領域。儘管如此，許多專家說，人類胚胎幹細胞現在比以往任何時候都顯得更加重要。Egli 說：「我對胚胎幹細胞非常感興趣，我毫無疑問的說胚胎幹細胞未來將有史無前例的發現，這些發現將改變人類的生活。」

胚胎幹細胞（Embryonic stem, ES）為早期發育的研究提供了史無前例的信息。正如回顧宇宙大爆炸的天文學家去洞察宇宙的基本信息一樣，生物學家們仔細研究了這些引人注目的實物中的分子，以期為了解單個原始細胞是如何轉化成數萬億具有複雜排列和功能的細胞提供線索。科學家們已經知道了如何將這些細胞轉化成數十種代表體內各種組織和器官的成熟細胞類型。利用這些成熟的細胞進行藥物檢測、模擬疾病以及目前越來越多的體內注射治療。

從2010年開始嘗試利用幹細胞修復脊髓損傷以來，已經有十多個臨床試驗用胚胎幹細胞來治療帕金森氏病和糖尿病。早期的結果表明，一些方法正在發揮作用：本周一份期待已久的報告顯示，兩名患有破壞視覺銳度的老年性黃斑變性的人，移植幹細胞後視力有所改善。Egli 說：「在某種意義上，我們並不覺得吃驚，因為20年前我們已經預料到了，但是仍然令我們吃驚的是這種預期正在變為現實。」

初步開始

1981年，研究者開始從小鼠胚胎中分離培養幹細胞，很快就意識到這項有趣研究的潛力，幹細胞既可以自我複製又可以轉化成為體內200多種細胞中任何一種。但在靈長類動物身上，要達到這一目的並不容易。威斯康星大學麥迪遜分校的生物學家 James Thomson花了14年的時間才在猴子身上實現了這一目標。三年後，湯姆森再次使用未用於生育治療的捐贈胚胎，創造了世界上第一個人類ES細胞系。

Martin, G. R.Proc. Natl Acad. Sci. USA78, 7634–7638 (1981).

這一發現引發了一場倫理風暴。大多來自宗教界的批評人士認為胚胎是構成人類的一部分，並希望阻止任何涉及破壞胚胎的研究。2001年，美國總統喬治·布希將政府資金僅限制研究少數幾個現有的ES細胞繫上。這一決定實際上迫使那些有意在美國進行這項研究的人尋求私人或州的資助，並經常創建兩個實驗室，一個用於胚胎幹細胞的研究，另一個用於美國聯邦政府資助項目的研究。在其他的國家如德國和義大利，完全禁止建立人胚胎幹細胞系的研究。

Nerve cells derived from human stem cells, in work supported by the California Institute for Regenerative Medicine.

Xianmin Zeng/Buck Inst

儘管如此，這項研究還是向前有所推進。澳大利亞、新加坡、以色列、加拿大和美國等國的調查人員很快報告說，他們已經將胚胎幹細胞誘導分化為神經元、免疫細胞和會跳動的心臟細胞。

研究人員還討論了利用獲得克隆動物如多利羊採用的體細胞核移植的方法從胚胎中分離幹細胞的計劃，其基本原理是將成年供體細胞的核移入已經去核的人卵子中。「治療性克隆」的基本原理說明這種方法可以提供無限與供體細胞相同DNA的動態細胞源。

Dolly, the first mammal cloned from an adult cell, was born 5 July 1996. But she was created five months earlier, in a small room at the Roslin Institute, outside Edinburgh, UK. //Jeff J. Mitchell/Reuters

他們開始討論在一個皿中研究複雜的遺傳性疾病，並且替代不能發揮功能的器官和組織，如同機器替換零部件一樣。研究中有幾個錯誤的開端，特別是在2005年，研究人員發現韓國科學家Woo Suk Hwang 欺騙性地聲稱自己利用上述方法分離到了幹細胞。直到2013年，波特蘭俄勒岡健康與科學大學的幹細胞研究員Shoukhrat Mitalipov 領導的一個團隊才最終成功獲得幹細胞。

Snuppy, the first cloned dog (left), was one of Woo Suk Hwang』s successes. Today (right) Hwang regularly delivers cloned animals at an institute near Seoul.

然而，在最初的15年中，許多ES-細胞的研究集中於了解幹細胞分化為任何類型細胞的這種驚人的多能性方面。科學家們一點一點地理解了幹細胞可以分化為多種細胞的可能分子途徑。「我們從ES細胞中理解了多能性，」Mitalipov 說。

誘導多能幹細胞(IPS)的發現可以說是21世紀以來，再生醫學和生物研究中最大的創新。2006年，日本京都大學的幹細胞生物學家Shinya Yamanaka 研究了如何利用四種遺傳因子將成年小鼠細胞恢復至胚胎樣狀態。第二年，他和 Thomson在人類細胞中取得了同樣的成果。從理論上講，這一過程提供了與治療性克隆相同的具有潛力的回報，即可以無限供應一種與患者基因匹配的多能性細胞，但沒有道德上的困惑。

許多人預測iPS細胞很快就會取代胚胎幹細胞，但這並沒有發生。相反，胚胎幹細胞出版物的數量在2006年後迅速增長，並且自2012年以來保持了每年約為2000這樣的增長速度。部分原因是ES細胞是研究人員比較iPS細胞的金標準。甚至在今天，也有人懷疑使用iPS細胞的安全性。北京中科院動物研究所幹細胞生物學家周琪說，由於擔心ips細胞會引起腫瘤，促使他使用ES細胞進行正在策劃的十多個臨床試驗。

Shinya Yamanaka won a Nobel prize for his work on reprogramming adult cells to an embryonic-like state.

Illustration by Andy Potts; Photo: Chris Goodfellow/Gladstone Inst.

關於ES細胞的大部分研究都是為了讓他們更容易工作。胚胎幹細胞衍生是一個繁瑣的過程：從培養皿中將一個克隆挑選出來，並生長成為一個新的群體。一些新的方法改進了這一點。例如，在2007年，日本神戶的RIKEN發育生物學中心的Sasai Yoshiki Sasai 發現了一種叫做ROCK的抑製劑，它可以防止ES細胞在移除克隆時死亡。他們建立新克隆的成功率達到了27%。瑞典隆德大學的細胞生物學家Malin Parmar 說：「它從根本上改變了你能做的事情。」Parmar正在使用ES細胞來獲取帕金森病臨床試驗中的神經元，他說這些技術的進步為ES細胞研究開創了一個「新的黃金時代」。

這些細胞現在可以快速、可靠和無限期地獲得。然而，他們還是很小心的以某種方式避免轉變成其他人擔心出現的癌症。Hiromitsu Nakauchi 是東京大學幹細胞生物學家，他一直致力於研究如何無限的從ES細胞和iPS細胞衍生出血小板。他表示,「我們仍然不知道為什麼或如何保持它們的這種平衡。」

時間多樣化

研究人員也在努力培育器官。提供合適的信號分子和3D環境，ES細胞甚至可以在培養皿中就可以形成複雜的組織，即熟知的類器官。ES細胞的這種能力對於研究者來說非常重要。比如俄亥俄州辛辛那提兒童醫院的James Wells，他正在開發用於藥物測試的腸道器官，也許有一天會研究腸道器官的移植。

Stem cells can be coaxed into forming organized clusters called organoids, such as this brain model.

Image: J. Knoblich, M. Lancaster, Austrian Acad. Sci.

新的ES細胞來源為遺傳病提供了其他研究工具。例如，在2004年，芝加哥的生殖醫生用有遺傳缺陷，不能用於臨床上不孕治療的體外受精胚胎建立了ES細胞系。這使得研究小組能夠建立地中海貧血的細胞模型，亨廷頓氏疾病細胞模型，Marfan』s 綜合征細胞模型，肌營養不良細胞模型和其他遺傳疾病細胞模型。在2007年，研究人員使用ES細胞來確定導致遺傳性認知障礙的Fragile X綜合征的分子變化。

研究人員說，皿中培養的iPS細胞可用於研究更多的疾病，也就是說有能力從任何一個疑似攜帶有遺傳病的活體中得到幹細胞。但許多研究者仍能看到胚胎幹細胞在這個領域的巨大潛能。某些情況下會造成成體細胞的損害，使得衍生出來的iPS細胞無信息可尋，而胚胎幹細胞則仍具有支持性的作用。

例如，在2008年，馬薩諸塞州坎布里奇哈佛大學的Kevin Eggan 從患有神經退行性疾病肌萎縮側索硬化症的人身上建立了iPS細胞系。從先前ES細胞的研究來看，Eggan 知道如何將多潛能細胞轉化為運動神經元。當他用病人來源的iPS細胞做同樣的工作時，他能夠快速地比較這兩種細胞型。病人的細胞比沒有這種疾病的人激活的更多。「我們充分利用研究ES細胞所做的所有工作來了解運動神經元，」Eggan說。目前正在進行人的檢測試驗中的一種抗癲癇藥物，可以使來自患者的iPS細胞平靜下來，預計在未來兩個月內會有結果。

耶路撒冷希伯來大學的Egli 和Nissim Benvenisty 推翻了人類生物學的長期觀念，他們獲得的ES細胞只有正常染色體數目的一半。目前研究者在這種「單倍體」ES細胞中利用基因編輯工具來研究基因在發育過程中的作用。因為他們只有一套基因，細胞就可以傳遞更多簡單的結果，Egli 說。

ES細胞的疾病研究進展並不都是一帆風順的。坎布里奇哈佛幹細胞研究所的Douglas Melton 用了15年的時間才把ES細胞轉化為有功能性的胰島β細胞，這種細胞對葡萄糖敏感可產生胰島素。他找不到正常ES細胞和1型或2型糖尿病患者的ips細胞分化得到的胰腺細胞之間的任何區別。他說：「我們知道這是一種遺傳易感性，但這並不意味著你可以在體外看到它。」

細胞存活

Melton還計劃用ES細胞得到β細胞。他希望將這些細胞移植到患有1型糖尿病的人身上，以結束或至少減少他們對胰島素注射的依賴。這項工作中最大一個障礙是如何引入細胞，使它們不被免疫系統破壞。Melton在坎布里奇創立的Semma Therapeutics 公司的目標是通過將細胞放置在一個小袋囊中。這個小袋囊可以讓營養物質進入和胰島素分泌出去，但又會阻止免疫細胞的進入。他希望在未來三年內開始臨床試驗。加州聖地亞哥的ViaCyte，在重新設計公司的封裝工藝後，於2014年重新啟動了一項類似的臨床試驗。其他公司，例如丹麥的Novo Nordisk 公司也啟動了使用ES細胞衍生出來的細胞治療糖尿病的項目。

在臨床領域，許多人認為iPS細胞最終會戰勝ES細胞。一個潛在的優勢是它們可以產生與病人相同DNA的細胞和組織。因此，移植時不會引起免疫排斥反應。但是對於大多數遺傳性疾病，包括1型糖尿病，由病人自身獲得的iPS細胞會含有導致疾病發生的突變，並且細胞必須經過修飾後才能獲得一些有益的治療效果。

這樣一來，那就有成本問題了。在加利福尼亞拉霍亞的斯克里普斯研究所的一個幹細胞生物學家Jeanne Loring 說，「製備一個用於臨床使用的單個iPS細胞系將花費大約100萬美元。」如果目標是使用病人自己的細胞，這在目前是禁止的，但Loring預計價格會下降，並致力於研究治療帕金森病的iPS細胞。

到目前為止，研究人員僅啟動了一項來源於iPS細胞的人體試驗，也 已經被叫停。該項目由RIKEN中心發育生物學的眼科醫生Masayo Takahashi 主持開展，旨在治療黃斑變性，但在2014年，當研究人員決定簡化程序和使用供體來源的幹細胞而不是患者自身的幹細胞時項目被叫停。該項目在2017年再次啟動，但在一月份的時候又遇到了另外一個障礙，一名參與患者的眼睛出現了一層膜，不得不手術移除。

Masayo Takahashi (right) and Yasuo Kurimoto have made great progress with transplants derived from induced pluripotent stem cells.

Kyodo News via Getty Images

黃斑變性已成為ES細胞治療的熱門疾病。在美國、英國、韓國、中國和以色列，至少進行了六次臨床試驗。3月19號由倫敦治療失明項目主管和加州大學聖塔芭芭拉分校的眼科醫生Pete Coffey 領導的研究人員使用由ES細胞製成的一片細胞植入兩個人受損的視網膜中。手術一年後，參與患者儘管閱讀速度很慢，但依舊錶明恢復了閱讀能力。

位於明尼蘇達州羅切斯特的梅奧診所的眼科醫生Alan Marmorstein 稱這是該領域「向前邁出的一大步」。「這是第一次對人體有效的有力指示，它必定支持身體其他部位做進一步的研究，」他說。Coffey 說，這些突破最終會到來的，因為科學家們正在研究如何最好地將這些細胞植入人體。「10年之前，我們認為你只需要把細胞放進去，細胞就知道該怎麼做，這不是真的，他們必須以某種適當的方式加以控制。」許多在幹細胞領域專家打賭說ES細胞的下一個重大臨床突破將出現在帕金森病中，這種紊亂是由神經遞質多巴胺的喪失引起的。目前六家公司和診所正在加快使用ES細胞或iPS細胞來替代產生多巴胺的神經元。

一個關鍵的問題是，在移植多能細胞之前，多能細胞轉變成為成熟細胞的過程有多久。澳大利亞始於2016年，中國始於2017年分別移植不成熟的不會產生多巴胺的神經前體細胞。研究人員說，這些不成熟的細胞將幫助它們在移植後存活下來，並融入到新宿主的大腦中。但是，一組被統稱為GForce-PD的ES和IPS細胞試驗的領導者表示，越成熟的細胞會更可靠地轉化為產生多巴胺的細胞並且不太可能失去生長控制。

展望

如果胚胎幹細胞研究能克服一些障礙的話，其仍有發展的空間。一個大問題是如何獲得更多細胞類型。Melton估算，到目前為止大約只獲得了十種與人正常細胞功能對等的細胞。一些用途廣泛的細胞的獲得，如卵子和精子，在可預見的將來仍將是一個挑戰。

該領域還面臨資金的不確定性。科學家們經常聽說，美國總統特朗普可能會對聯邦政府資助ES細胞的研究施加新的限制。

但許多研究者表示，儘管ES細胞的研究歷史有些坎坷，但它們的價值卻一再得到證明，而且以一些不可預測的方式證明了它們的價值。一些研究人員甚至縮減了動物模型的使用，因為ES細胞似乎為研究人類疾病提供了更好的途徑。「我的座右銘是，"一直都是人類"，」梅爾頓說。

Yamanaka 說，ES細胞是他自己研究iPS細胞的動力。Thomson 發現了人類ES細胞的秘訣，這使得在僅僅一年的時間就可以實現從小鼠細胞向人類iPS細胞的轉變，然而，從小鼠ES細胞到人類的胚胎幹細胞已經用了近20年的時間。Yamanaka 說：「我們很清楚應該如何培養人類的iPS細胞。」

Yamanaka 說，對於更好地理解多能細胞的機制和改善任何多能細胞的醫學應用來說，ES細胞今天同樣至關重要。他說：「ES細胞的重要性，現在和20年前一樣，我不認為將來會更低。」

參考文獻：

David Cyranoski writes for Nature from Shanghai, China.

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