原文以How human embryonic stem cells sparked a revolution為標題

發(fā)布在2018年3月20日的《自然》新聞特寫上

原文作者：David Cyranoski

1998年，Dieter Egli正要開始讀研究生，這一年研究人員們首次發(fā)現(xiàn)了如何獲得人胚胎干細胞。此后的20十年，多產(chǎn)細胞一直是他的職業(yè)生涯的一部分。Dieter Egli現(xiàn)在是美國哥倫比亞大學(xué)的一名生物學(xué)家，他利用這些細胞來探索成體細胞中的DNA如何能夠被重新編程為胚胎狀態(tài)，并解決有關(guān)糖尿病發(fā)展和治療的問題。他甚至幫助開發(fā)了一種全新的人胚胎干細胞，以簡化對人類基因功能的研究。

源于人類胚胎干細胞的神經(jīng)簇，在培養(yǎng)物中組裝成球體。

Brivanlou Lab/Rockefeller University

廣泛的研究使Dieter Egli成為胚胎干細胞生物學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，這一領(lǐng)域既面臨經(jīng)費限制的挑戰(zhàn)，也面臨非統(tǒng)一道德規(guī)范下的技術(shù)競爭熱潮的挑戰(zhàn)。盡管如此，許多人還是認為現(xiàn)今人胚胎干細胞比以往任何時候都更重要。 Egli說：“我對胚胎干細胞感到非常興奮，它們將帶來前所未有的發(fā)現(xiàn)，將改變生活，我對此毫不懷疑。” 

胚胎干細胞（ES）為早期發(fā)育提供了空前重要的信息。就像天文學(xué)家回望大爆炸以探尋對宇宙的基本見解一樣，生物學(xué)家不斷探索這些細胞中的分子，希望弄清單個原始細胞如何變成數(shù)以萬億的細胞，并具有令人眼花繚亂的排列組合形式和功能的?？茖W(xué)家們已經(jīng)掌握了如何將胚胎干細胞轉(zhuǎn)化為代表身體各種組織和器官的幾十種成熟細胞類型。這些細胞被用于測試藥物，模擬疾病，并且越來越多地作為治療手段被注射到體內(nèi)。

從2010年嘗試利用胚胎干細胞修復(fù)脊髓損傷開始，已經(jīng)有十幾個臨床試驗利用胚胎干細胞產(chǎn)生的細胞來治療帕金森病和糖尿病等疾病。初步結(jié)果表明，一些方法正在發(fā)揮作用，本周一份期待已久的報告顯示，兩名因老年性黃斑變性而視力受損的患者，經(jīng)治療視力得到了改善。

Egli說：“從某種角度來說，這并不讓人驚訝，因為20年前我們就期待如此，但我仍驚訝于這一切正在變成現(xiàn)實?！?nbsp;

探索初期

1981年，研究人員設(shè)法從小鼠胚胎培養(yǎng)出了干細胞。他們很快就認識到這些細胞的研究潛力，它們既可以自我復(fù)制，又可以分化成為體內(nèi)200多種細胞的任一種。但是從靈長類動物分離培養(yǎng)胚胎干細胞并不容易實現(xiàn)。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的生物學(xué)家James Thomson花了14年時間才在猴子身上實現(xiàn)了這一目標。三年后，Thomson使用未用于生育治療的捐贈胚胎，又一次成功創(chuàng)造了世界上第一個人胚胎干細胞系。

Thomson的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了道德風(fēng)暴。批評者主要來自于宗教界，他們認為胚胎等同于人類，并希望阻止任何涉及毀滅胚胎的研究。 2001年，時任美國總統(tǒng)喬治·布什限制政府資助對已有的幾個胚胎干細胞系的研究。該決定有效地迫使那些有意在美國進行胚胎干細胞研究的研究人員去尋求來自私人或州的資助。這些研究人員通常創(chuàng)建兩個實驗室， 一個用于胚胎干細胞研究，另一個用于受美國聯(lián)邦政府資助的研究。而在包括德國和意大利在內(nèi)的其他國家，生產(chǎn)胚胎干細胞的行為則徹底被禁止。

盡管如此，胚胎干細胞研究在沒被禁止的國家仍繼續(xù)進行著。澳大利亞、新加坡、以色列、加拿大和美國等國的研究人員很快就報道了他們將胚胎干細胞轉(zhuǎn)化成神經(jīng)元、免疫細胞和跳動的心臟細胞。

研究人員還討論了通過體細胞核移植從胚胎中獲得干細胞的計劃（體細胞核移植正是制造克隆動物如多莉羊的方法），來自成年供體細胞的細胞核被轉(zhuǎn)移到去除細胞核的人卵中。這種“治療性克隆”是為了無限地提供與細胞供體具有相同DNA的動態(tài)細胞。研究人員們開始談?wù)撛谂囵B(yǎng)皿中研究復(fù)雜的遺傳疾病，并以修理工給汽車換零件的方式替換失效的器官和組織。開始并不順利，特別是在2005年，調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)韓國科學(xué)家黃禹錫謊稱以這種方式分離了干細胞。但在2013年，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的干細胞研究員Shoukhrat Mitalipov領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最終取得了成功。

然而，在最初的15年里，大部分胚胎干細胞研究集中于利用這些細胞來了解多功能性——干細胞轉(zhuǎn)化成為任何細胞的驚人能力?？茖W(xué)家們逐漸摸清了可實現(xiàn)這一功能的分子信號通路。Mitalipov說：“我們從胚胎干細胞中了解到多功能性?！?/p>

誘導(dǎo)多功能干細胞（iPS）的發(fā)現(xiàn)可以說是2000年代再生醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究領(lǐng)域最大的突破。2006年，日本京都大學(xué)的干細胞生物學(xué)家山中伸彌弄清了如何利用4種遺傳因子將成年小鼠細胞恢復(fù)至胚胎樣狀態(tài)。次年，他和Thomson在人類細胞中也實現(xiàn)了這一過程。理論上，這個過程與治療性克隆具有相同的潛在回報：無限量的與患者基因匹配的多功能干細胞，同時又免于陷入倫理困境。

許多人曾預(yù)測誘導(dǎo)多功能干細胞很快會在研究中取代胚胎干細胞，但這一情況并未發(fā)生。有關(guān)胚胎干細胞的論文發(fā)表數(shù)量在2006年之后迅速增長，并且自2012年以來以每年2,000篇的速度增長。部分原因是胚胎細胞作為黃金標準，研究人員可以將誘導(dǎo)多功能干細胞與之進行比較。并且即使在今天，也有人懷疑誘導(dǎo)多功能干細胞的安全性。北京中國科學(xué)院動物研究所的干細胞生物學(xué)家周琪表示，正是對誘導(dǎo)多功能干細胞會導(dǎo)致腫瘤的擔(dān)憂，使他選擇使用胚胎干細胞進行了十多項臨床試驗。

許多關(guān)于胚胎干細胞的研究致力于使這些細胞更易于操作。最初分離培養(yǎng)胚胎干細胞是一個困難重重的過程，挑單細胞培養(yǎng)并使之生長成新種群的成功率不到1%。一些技術(shù)進步改變了這一點。例如，2007年，位于日本神戶的RIKEN發(fā)育生物學(xué)中心的笹井芳樹發(fā)現(xiàn)了一種名為ROCK抑制劑的分子，它能夠使胚胎干細胞從繁殖的群落中分離出來時免于死亡。這使建立新細胞群落的成功率提高到27%。

瑞典隆德大學(xué)的細胞生物學(xué)家Malin Parmar說：“這從根本上改變了你能做到的事”。Parmar使用胚胎干細胞為一項帕金森病臨床試驗分化培養(yǎng)神經(jīng)元，他表示這種技術(shù)進步為胚胎干細胞研究帶來了“一個新的黃金時代?！?nbsp;

現(xiàn)在可以快速、可靠和無限地生產(chǎn)胚胎干細胞。且目前這些細胞以某種方式避免了轉(zhuǎn)化為人們所擔(dān)心的癌癥。東京大學(xué)的干細胞生物學(xué)家中內(nèi)啟光說，“我們?nèi)匀徊恢肋@些細胞為什么或如何”維持這種平衡，他一直試圖從胚胎干細胞和誘導(dǎo)多功能干細胞中獲取無限的血小板。

研究多樣化階段

研究人員還試圖用胚胎干細胞培養(yǎng)器官。如果有合適的細胞信號分子和3D環(huán)境，胚胎干細胞甚至可以在培養(yǎng)皿中發(fā)育成類器官。這一能力對于研究人員，如俄亥俄州辛辛那提兒童醫(yī)院的James Wells來說至關(guān)重要。他正在培養(yǎng)腸類器官用于測試藥物，也許有一天還會用于器官移植。

胚胎干細胞的新來源也為其他遺傳疾病提供了研究工具。例如，2004年，芝加哥的生殖醫(yī)生們開始通過體外受精產(chǎn)生的因有遺傳缺陷而不會被用于生育治療的胚胎來制造胚胎干細胞系。這使得該團隊創(chuàng)建地中海貧血、亨廷頓病、馬凡氏綜合征、肌營養(yǎng)不良和其他遺傳病的細胞模型。2007年，研究人員利用胚胎干細胞確定了導(dǎo)致脆性X染色體綜合征中的認知障礙的分子變化。

研究人員表示，憑借能夠從任何有疑似遺傳病的人體中培養(yǎng)干細胞的能力，誘導(dǎo)多功能干細胞在培養(yǎng)皿中進行疾病研究這一領(lǐng)域有更大前景。但許多研究者仍然認為胚胎干細胞在這一領(lǐng)域具有很強的潛力。由于一些條件會導(dǎo)致成體細胞的損傷，從而無法從這些細胞培養(yǎng)出信息完整的誘導(dǎo)多功能干細胞，在這種情況下胚胎干細胞仍然可以起到支持作用。

例如，2008年，哈佛大學(xué)的Kevin Eggan從患有神經(jīng)退行性疾病肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）的患者中培養(yǎng)得到了誘導(dǎo)多功能干細胞系。根據(jù)以往對胚胎干細胞的研究，Eggan知道如何將多能細胞誘導(dǎo)分化成為受該疾病所影響的運動神經(jīng)元。當(dāng)他對來自患者的誘導(dǎo)多功能干細胞做同樣的處理時，他可以快速比較這兩類細胞。來自患者的誘導(dǎo)多功能干細胞比來自非患者的誘導(dǎo)多功能干細胞更活躍。 Eggan說：“我們通過對胚胎干細胞所做的所有工作來更好地理解運動神經(jīng)元”。 現(xiàn)在，一種可以降低來自患者的誘導(dǎo)多功能干細胞的興奮度的抗癲癇藥物正在進行人體測試。預(yù)計未來兩個月會有結(jié)果。

當(dāng)Egli和耶路撒冷希伯來大學(xué)的Nissim Benvenisty利用正常染色體數(shù)目的一半得到了胚胎干細胞系時，他們推翻了人類生物學(xué)一直以來的觀念。研究人員現(xiàn)在開始在這些“單倍體”胚胎干細胞上使用基因編輯工具來了解基因如何在發(fā)育中發(fā)揮作用。Egli表示，由于只有一套基因，這些細胞可以提供更直觀的結(jié)果。

并非所有利用胚胎干細胞進行的疾病研究的工作都進展順利。哈佛干細胞研究所的Douglas Melton花費了15年的時間，將胚胎干細胞轉(zhuǎn)化為具有功能的β細胞——可以檢測葡萄糖并產(chǎn)生胰島素的胰腺細胞。然后，他發(fā)現(xiàn)正常胚胎干細胞分化產(chǎn)生的胰腺細胞與1型或2型糖尿病患者的誘導(dǎo)多功能干細胞產(chǎn)生的胰腺細胞之間沒有任何區(qū)別。 他說：“我們知道遺傳易感性的存在，但這并不意味著你可以在體外看到它”。

細胞復(fù)興

Melton仍計劃研究由胚胎干細胞制成的β細胞。他希望可以將這些細胞移植到1型糖尿病患者的體內(nèi)，以終止或至少減少他們對胰島素注射的依賴。這項工作的最后一道障礙是引入細胞，使它們不遭免疫系統(tǒng)破壞。Melton在美國劍橋市創(chuàng)立了Semma Therapeutics公司，目標是通過將細胞封裝在可使營養(yǎng)進入和胰島素放出的小袋中——但免疫細胞無法進入，以此跨越最后一道障礙。他預(yù)計在三年內(nèi)開始臨床試驗。加利福尼亞州圣迭戈的ViaCyte公司在重新設(shè)計了封裝技術(shù)后，不久前重啟了其于2014年啟動的一項類似的臨床試驗。而其他公司，例如丹麥的Novo Nordisk公司正在啟動利用從胚胎干細胞分化而來的細胞治療糖尿病的研究項目。

在臨床領(lǐng)域，許多人認為誘導(dǎo)多功能干細胞最終會戰(zhàn)勝胚胎干細胞。一個潛在的優(yōu)勢是誘導(dǎo)多功能干細胞可以產(chǎn)生具有與患者相同DNA的細胞和組織，因此在移植時不會引起免疫反應(yīng)。但對于大多數(shù)遺傳病，包括1型糖尿病，從患者得到的誘導(dǎo)多功能干細胞含有致病突變，并且必須對細胞進行改造以用于治療。

接下來是成本問題。加利福尼亞州斯克利普斯研究所的干細胞生物學(xué)家Jeanne Loring表示，制備一個用于臨床治療的誘導(dǎo)多功能干細胞系大約需要100萬美元。如果以使用患者自身的細胞為目的，目前這一價格是令人望而卻步的，但Loring預(yù)計價格將會下降，她正在開發(fā)誘導(dǎo)多功能干細胞用以治療帕金森病。

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到目前為止，研究人員只啟動了一項利用誘導(dǎo)多功能干細胞衍生出的細胞進行的人體試驗項目。該項目由RIKEN發(fā)育生物學(xué)中心的眼科專家高橋雅代領(lǐng)導(dǎo)，旨在治療黃斑變性。但在2014年調(diào)查人員決定簡化程序，使用供體來源的干細胞而不是患者來源的干細胞，項目因此暫停。該項目于2017年重新啟動，但在1月又遇到了另一個障礙，一名實驗參與者患視網(wǎng)膜前膜，必須手術(shù)剝除。

黃斑變性一直是胚胎干細胞治療的熱點。在美國，英國，韓國，中國和以色列至少進行過六次臨床試驗。3月19日，由倫敦治療失明項目主任、加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校眼科專家Pete Coffey領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報告了一項研究的結(jié)果，該研究將由胚胎干細胞制成的細胞片植入兩名眼疾患者受損的視網(wǎng)膜中。在植入一年后，兩名患者恢復(fù)了閱讀的能力，盡管恢復(fù)過程緩慢。

明尼蘇達州羅切斯特Mayo診所的眼科醫(yī)生Alan Marmorstein稱這是該領(lǐng)域的“重大進步”。 他說：“這一結(jié)果首次有力地表明該方法在人體內(nèi)有效，并支持在人體其他部位的進一步研究”。Coffey表示，由于科學(xué)家們不懈地探索如何最好地將細胞移植到人體內(nèi)，才最終迎來了這些突破。 

他說：“十年前，我們認為'你只需要放入細胞，細胞就知道該做什么了'。事實并非如此，人們必須以適當(dāng)?shù)姆绞娇刂七@些細胞?！痹S多干細胞領(lǐng)域的研究人員都認為胚胎干細胞的下一個重大臨床突破將出現(xiàn)在帕金森病的治療中。這種疾病是由于神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的缺失引起的，六家公司和診所正在準備用胚胎干細胞或誘導(dǎo)多功能干細胞來代替產(chǎn)生多巴胺的神經(jīng)元。

一個關(guān)鍵的問題是如何把控移植前多功能細胞的成熟度。在一項始于2016年的澳大利亞試驗和一項始于2017年的中國試驗中，研究人員使用了未成熟的、不產(chǎn)生多巴胺的神經(jīng)前體細胞，并聲稱這些細胞的不成熟性將有助于它們在移植后存活并整合到新宿主的大腦。但是一組被稱為GForce-PD的胚胎干細胞和誘導(dǎo)多功能干細胞試驗的領(lǐng)導(dǎo)者表示，使用越成熟的細胞，這些細胞越能夠可靠地轉(zhuǎn)變成所需的產(chǎn)生多巴胺的細胞，并且失控的可能性越低。

邁向希望

胚胎干細胞研究如果能夠克服目前面臨的障礙，仍然有發(fā)展空間。一個大問題是許多種類的細胞仍然難以生產(chǎn)。Melton估計，迄今為止僅有約十種經(jīng)胚胎干細胞產(chǎn)生的細胞，其功能真正等同于正常人類細胞的功能。一些最具廣泛應(yīng)用價值的細胞，如卵子和精子，在可預(yù)見的未來仍然是一個挑戰(zhàn)。

這一領(lǐng)域還面臨經(jīng)費的不確定性。

盡管胚胎干細胞的研究歷史布滿荊棘，但許多研究人員表示，胚胎干細胞已經(jīng)不止一次，以意外的方式證明了它們的價值。由于胚胎干細胞似乎為研究人類疾病提供了更好的途徑，一些研究人員甚至減少了動物模型的使用。 Melton說：“我的座右銘是‘一切以人為本’?！?/p>

山中伸彌表示胚胎干細胞是他進行誘導(dǎo)多功能干細胞研究的驅(qū)動力。在研究人員花了近20年從小鼠胚胎干細胞進展到人胚胎干細胞后，Thomson的人胚胎干細胞生產(chǎn)配方使制作小鼠誘導(dǎo)多功能干細胞到人誘導(dǎo)多功能干細胞的間隔縮短到一年。山中伸彌說：“我們確切地知道該如何培養(yǎng)人誘導(dǎo)多功能干細胞。”

他表示，胚胎干細胞在今天也同樣重要，它可以幫助我們更好地理解多功能性的機制和改善多功能細胞的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。他說：“現(xiàn)在人胚胎干細胞的重要性并不比20年前低，并且也不會在未來降低?！?strong>?

Nature|doi:10.1038/d41586-018-03268-4