「細胞點金術」改變世界

山中伸彌因對成熟細胞進行編輯從而使其達到胚胎狀態而獲得諾貝爾獎。 Andy Potts製圖

「我們培養出種群了。」

山中伸彌驚訝地看著說這話的一名博士後。 「我們培養出種群了。」高橋和利又一次說道。山中伸彌從桌子後面跳起來，跟著高橋和利走到了他們位於日本京都大學的組織培養室。他們在一個顯微鏡下看到了一小簇細胞群，這是他們5年來的工作成果，山中伸彌甚至也不能確定他們能否實現該目標。

兩周前，高橋和利採集了成年小鼠的皮膚樣本並使其感染了一種病毒，以引入24種經過仔細選擇的基因。現在，那些細胞已經改變。它們看起來像胚胎干（ES）細胞的表現一樣，ES細胞又被稱為「多能」細胞，它們擁有發育成皮膚、神經、肌肉或是任何其他細胞種類的能力。山中伸彌盯著眼前的「細胞點金術」實驗。「當時，我想『一定是發生了什麼錯誤』。」他回憶說。他請高橋和利一次又一次重複了實驗。但每次實驗都成功了。

接下來兩個月，高橋和利將相關的基因縮小到4個，用來回溯組織發育時鐘。2006年6月，山中伸彌在加拿大多倫多的國際幹細胞研究學會年會上報告了這一讓滿堂科學家吃驚得合不攏嘴的研究結果。他將這種細胞稱為「類似ES細胞」，並在隨後稱其為誘導多能幹細胞（iPS細胞）。「很多人不相信。」當時在場的美國麻省理工學院生物學家Rudolf Jaenisch說。但Jaenisch信任山中伸彌，並認為這項研究是「獨創的絕妙」成果。

這種細胞給再生醫學帶來了新的前景：研究人員可能對人體皮膚、血液或其他細胞進行重新編輯，使其成為iPS細胞，然後用其生長肝臟細胞、神經元或是所需要的任何組織用來治療疾病。這種個性化的療法將能夠避免免疫排斥的風險，並能迴避利用胚胎細胞的倫理風險。

但10年之後，iPS細胞的原本目標在部分程度上已經發生了偏移，因為那些療法已經證明很難開展。在僅有1人接受治療之後，利用iPS細胞進行的臨床實驗已經在2015年終止。但是iPS細胞卻通過另一種方式展示了該技術的影響力。它們已經成為對人類疾病進行建模和調查以及篩選藥物的重要工具。

儘管如此，該領域依然在經歷成長的痛楚。隨著越來越多實驗室採用iPS細胞，研究人員仍在與一致性作鬥爭。「最大的挑戰是讓每個人就質量控制達成共識。」加州斯克里普斯研究所幹細胞生物學家Jeanne Loring說，「我們已經掌握了這項技術，我們需要讓人們正確使用它。」

從皮膚到眼睛

呈現其研究結果6周後，山中伸彌和高橋和利發表了負責重編程激成體細胞的基因身份：Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc。接下來1年，包括山中伸彌的實驗室在內，有3個實驗室確定了這一研究結果，並改進了基因修飾方法。又過了半年，山中伸彌和麥迪遜市威斯康星州立大學生物學家James Thomson對人類成體細胞進行了重新編輯。隨後全世界的實驗室蜂擁般湧向該技術，到2009年年底，已經發表了300篇左右關於iPS細胞的論文。

到2012年，當山中伸彌因該成果分享諾貝爾生理學或醫學獎時，全球首例基於iPS細胞的人體臨床治療已經做好了計劃。當山中伸彌首次發表其重新編輯基因的方法時，日本理化研究所（RIKEN）發育生物學中心（CDB）眼科醫生高橋政代一直在嘗試基於ES細胞治療視網膜疾病的方法。她迅速轉向了iPS細胞方向，最終與山中伸彌聯手合作。

2013年，該團隊利用兩名與年齡相關的黃斑變性（可導致失明的一種眼病）患者的皮膚細胞製成了iPS細胞，並用它們了培養視網膜色素上皮（RPE）細胞層用於臨床試驗。不久之後，CDB研究人員利用另一種細胞編輯技術獲得的刺激觸發性多能性獲得（STAP）細胞因涉嫌學術不端被調查，儘管這起事件與iPS細胞臨床試驗沒有關係，但其造成的騷動使高橋政代不能再向前推進研究。「這件事使我所從事的領域平地起波瀾。」她說。然而，她的團隊依然在堅持研究，2014年9月12日，醫生向一名70歲高齡的女性患者右眼移植了首個RPE層。高橋政代表示，這項療法阻止了該患者的黃斑退化，增強了其視物的清晰度。

但當該實驗室準備開展第二例臨床實驗時，山中伸彌的團隊在兩名患者的iPS細胞和由其得到的RPE細胞中發現了細微的基因變異。並沒有跡象表明，這些突變會與腫瘤形成相關聯，然而「為了確保安全性」，山中伸彌建議高橋政代暫緩第二例臨床實驗。她照做了。

這項實驗的停止也給對該領域感興趣的其他研究人員踩了剎車，加州大學戴維斯分校幹細胞生物學家Paul Knoepfler說，「全世界都在看它會怎樣發展。」但英國牛津大學研究幹細胞管理和製作的專家David Brindley表示，iPS細胞走向臨床面臨的難題並不稀奇，一項科學發現走向臨床和商業化應用需要花費20年左右的時間，所以iPS細胞「也在沿著大約同樣的軌跡前行」。

提高技術精確度

儘管iPS細胞療法遭遇了挫折，但該技術在其他領域的研究卻欣欣向榮。製作iPS細胞的方法「比5年前更加先進、精確」，Knoepfler說。

但大多數重新編輯技術效率都不高：只有一小部分細胞最終得到成功編輯。像所有細胞系一樣，iPS細胞的每個細胞株之間都存在差異。這使其很難在實驗中被控制。

紐約市洛克菲勒大學神經學家Marc Tessier-Lavigne和紐約幹細胞基金會的同事在利用阿爾茨海默氏症和額顳葉痴呆早期患者的組織樣本生成的iPS細胞進行研究時就面臨這個挑戰。他們很快意識到應該將患者的iPS細胞和那些對照健康組的人生成的iPS細胞進行對比，可能是因為遺傳背景或基因表達差別懸殊的結果，那些細胞在培養皿中的表現完全不同。「所以我們把目光聚焦在基因編輯方面。」Tessier-Lavigne說。

近年來，CRISPR-Cas9基因編輯技術非常受歡迎，它讓研究人員能夠將與疾病關聯的突變引入一項iPS細胞樣本中，並將其與原始的未經編輯的細胞系進行對比。Jaenisch的實驗室就將CRISPR-Cas9和iPS細胞一起使用。「我們可以做任何想要的基因編輯操作。」他說。

更加精確的新基因編輯方法已經證明非常有價值。例如，今年4月，Tessier-Lavigne實驗室的兩名研究人員展示了一項技術，能夠利用CRISPR向iPS細胞引入具體位點的基因突變，並僅編輯一個基因的單個複本，而不是兩個。這使他們能夠產生擁有阿爾茨海默氏症關聯基因突變的精確結合體，並用於研究疾病的效應。

但是因為iPS細胞類似於胚胎細胞，它們在研究痴獃等晚發性疾病時並不那麼理想。因此，研究人員正在探索新方法，給細胞增加壓力或引入讓細胞過早成熟的蛋白質。「這是個尚未得到解決的合理的擔憂，但是有一系列方法可以嘗試解決它。」Tessier-Lavigne說。

依然任重道遠

iPS細胞可模仿早期人體發育的事實已經被證明在其他領域也具有價值，如發現孕婦感染寨卡病毒是否會導致小頭症，其作用機制如何。馬里蘭州約翰斯·霍普金斯大學神經學家Guo-li Ming和同事利用iPS細胞建立了大腦類組織（類似發育器官的三維組織）。當研究人員將其暴露在寨卡病毒中時，他們發現病原體會傾向於感染新形成神經元的神經幹細胞，導致更多神經幹細胞死亡以及大腦皮層神經元容積的減少，類似於小頭症。

其他研究團隊曾利用iPS細胞建造微腸道、微肝臟等類器官，利用iPS細胞做出的與疾病相關聯的發現仍在逐漸增多。其中包括青光眼中的基因複製如何導致神經細胞群的死亡，概括與亨廷頓氏症相關的遺傳和細胞突變等。

此外，iPS細胞在藥物發現方面也有一些成功的應用，該方法提供了大量來自患者的細胞，可用於篩選及檢測試驗性藥物。例如，2012年，用採集自神經細胞發育疾病患者的細胞生成的神經幹細胞，被用於篩選近7000種小分子以及鑒定一種可治療該疾病的潛在藥物。

現在，該領域正通過檢查基因組、基因表達模式等信息，聚焦於系統地辨別細胞系的身份和安全性。今年3月，劍橋歐洲iPS細胞庫啟動了標準化的iPS細胞索引，可用於疾病建模。山中伸彌也參與了儲存iPS細胞以用於未來治療。

然而，他表示未來最大的挑戰不是科學方面的。研究人員需要來自製葯產業和政府的大力支持，以推進細胞療法；對於藥物發現和疾病建模來說，研究人員必須持之以恆，要有耐心。他表示，iPS細胞只會縮短髮現藥物的過程，而不會跳過這一過程。「沒有任何魔法。無論是用iPS細胞還是任何其他新技術，仍有很長的路要走。」（紅楓）

《中國科學報》 (2016-07-19 第3版 國際)