重塑生物學概念——人胚胎幹細胞是如何引發革命的？

經過了20年的希望、承諾和爭議，人胚胎幹細胞正在重塑生物學概念，並開始進入臨床。

撰文：David Cyranoski

源於人類胚胎幹細胞的神經簇，在培養物中組裝成球體。| 圖片來源：Brivanlou Lab/Rockefeller University

1998年，Dieter Egli正要開始讀研究生，這一年研究人員們首次發現了如何獲得人胚胎幹細胞（human embryonic stem cells）。此後的二十年，多產細胞一直是他職業生涯的一部分。Dieter Egli現在是美國哥倫比亞大學的一名生物學家，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，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胚胎幹細胞，以簡化對人類基因功能的研究。

廣泛的研究使Dieter Egli成為胚胎幹細胞生物學領域的領導者，這一領域既面臨經費限制的挑戰，也面臨非統一道德規範下的技術競爭熱潮的挑戰。儘管如此，許多人還是認為現今人胚胎幹細胞比以往任何時候都更重要。 Egli說：「我對胚胎幹細胞感到非常興奮，它們將帶來前所未有的發現，將改變生活，我對此毫不懷疑。」

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

從2010年嘗試利用胚胎幹細胞修復脊髓損傷開始，已經有十幾個臨床試驗利用胚胎幹細胞產生的細胞來治療帕金森病和糖尿病等疾病。初步結果表明，一些方法正在發揮作用，不久前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，經治療視力得到了改善。

Egli說：「從某種角度來說，這並不讓人驚訝，因為20年前我們就期待如此，但我仍驚訝於這一切正在變成現實。」

探索初期

1981年，研究人員設法從小鼠胚胎培養出了幹細胞。他們很快就認識到這些細胞的研究潛力，它們既可以自我複製，又可以分化成為體內200多種細胞的任一種。但是從靈長類動物分離培養胚胎幹細胞並不容易實現。威斯康星大學麥迪遜分校的生物學家James Thomson花了14年時間才在猴子身上實現了這一目標。三年後，Thomson使用未用於生育治療的捐贈胚胎，又一次成功創造了世界上第一個人胚胎幹細胞系。

Thomson的發現引發了道德風暴。批評者主要來自於宗教界，他們認為胚胎等同於人類，並希望阻止任何涉及毀滅胚胎的研究。 2001年，時任美國總統喬治·布希限制政府資助對已有的幾個胚胎幹細胞系的研究。該決定有效地迫使那些有意在美國進行胚胎幹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建兩個實驗室， 一個用於胚胎幹細胞研究，另一個用於受美國聯邦政府資助的研究。而在包括德國和義大利在內的其他國家，生產胚胎幹細胞的行為則徹底被禁止。

儘管如此，胚胎幹細胞研究在沒被禁止的國家仍繼續進行著。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幹細胞轉化成神經元、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幹細胞的計劃（體細胞核移植正是製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的動態細胞。研究人員們開始談論在培養皿中研究複雜的遺傳疾病，並以修理工給汽車換零件的方式替換失效的器官和組織。開始並不順利，特別是在2005年，調查人員發現韓國科學家黃禹錫謊稱以這種方式分離了幹細胞。但在2013年，俄勒岡健康與科學大學的幹細胞研究員Shoukhrat Mitalipov領導的研究小組最終取得了成功。

然而，在最初的15年里，大部分胚胎幹細胞研究集中於利用這些細胞來了解多功能性——幹細胞轉化成為任何細胞的驚人能力。科學家們逐漸摸清了可實現這一功能的分子信號通路。Mitalipov說：「我們從胚胎幹細胞中了解到多功能性。」

誘導多功能幹細胞（iPS）的發現可以說是2000年代再生醫學和生物學研究領域最大的突破。2006年，日本京都大學的幹細胞生物學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至胚胎樣狀態。次年，他和Thomson在人類細胞中也實現了這一過程。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幹細胞，同時又免於陷入倫理困境。

許多人曾預測誘導多功能幹細胞很快會在研究中取代胚胎幹細胞，但這一情況並未發生。有關胚胎幹細胞的論文發表數量在2006年之後迅速增長，並且自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多功能幹細胞與之進行比較。並且即使在今天，也有人懷疑誘導多功能幹細胞的安全性。北京中國科學院動物研究所的幹細胞生物學家周琪表示，正是對誘導多功能幹細胞會導致腫瘤的擔憂，使他選擇使用胚胎幹細胞進行了十多項臨床試驗。

許多關於胚胎幹細胞的研究致力於使這些細胞更易於操作。最初分離培養胚胎幹細胞是一個困難重重的過程，挑單細胞培養並使之生長成新種群的成功率不到1%。一些技術進步改變了這一點。例如，2007年，位於日本神戶的RIKEN發育生物學中心的笹井芳樹發現了一種名為ROCK抑製劑的分子，它能夠使胚胎幹細胞從繁殖的群落中分離出來時免於死亡。這使建立新細胞群落的成功率提高到27%。

瑞典隆德大學的細胞生物學家Malin Parmar說：「這從根本上改變了你能做到的事」。Parmar使用胚胎幹細胞為一項帕金森病臨床試驗分化培養神經元，他表示這種技術進步為胚胎幹細胞研究帶來了「一個新的黃金時代。」

現在，胚胎幹細胞可以快速、可靠和無限地生產。且目前這些細胞以某種方式避免了轉化為人們所擔心的癌症。東京大學的幹細胞生物學家中內啟光說，「我們仍然不知道這些細胞為什麼或如何」維持這種平衡，他一直試圖從胚胎幹細胞和誘導多功能幹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幹細胞培養器官。如果有合適的細胞信號分子和3D環境，胚胎幹細胞甚至可以在培養皿中發育成類器官。這一能力對於研究人員，如俄亥俄州辛辛那提兒童醫院的James Wells來說至關重要。他正在培養腸類器官用於測試藥物，也許有一天還會用於器官移植。

胚胎幹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，芝加哥的生殖醫生們開始通過體外受精產生的因有遺傳缺陷而不會被用於生育治療的胚胎來製造胚胎幹細胞系。這使得該團隊可以創建地中海貧血、亨廷頓病、馬凡氏綜合征、肌營養不良和其他遺傳病的細胞模型。2007年，研究人員利用胚胎幹細胞確定了導致脆性X染色體綜合征中的認知障礙的分子變化。

研究人員表示，憑藉能夠從任何有疑似遺傳病的人體中培養幹細胞的能力，誘導多功能幹細胞在培養皿中進行疾病研究這一領域有更大前景。但許多研究者仍然認為胚胎幹細胞在這一領域具有很強的潛力。由於一些條件會導致成體細胞的損傷，從而無法從這些細胞培養出信息完整的誘導多功能幹細胞，在這種情況下胚胎幹細胞仍然可以起到支持作用。

例如，2008年，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（ALS）的患者中培養得到了誘導多功能幹細胞系。根據以往對胚胎幹細胞的研究，Eggan知道如何將多能細胞誘導分化成為受該疾病所影響的運動神經元。當他對來自患者的誘導多功能幹細胞做同樣的處理時，他可以快速比較這兩類細胞。來自患者的誘導多功能幹細胞比來自非患者的誘導多功能幹細胞更活躍。 Eggan說：「我們通過對胚胎幹細胞所做的所有工作來更好地理解運動神經元」。 現在，一種可以降低來自患者的誘導多功能幹細胞的興奮度的抗癲癇藥物正在進行人體測試。預計未來兩個月會有結果。

當Egli和耶路撒冷希伯來大學的Nissim Benvenisty利用正常染色體數目的一半得到了胚胎幹細胞系時，他們推翻了人類生物學一直以來的觀念。研究人員現在開始在這些「單倍體」胚胎幹細胞上使用基因編輯工具來了解基因如何在發育中發揮作用。Egli表示，由於只有一套基因，這些細胞可以提供更直觀的結果。

並非所有利用胚胎幹細胞進行的疾病研究的工作都進展順利。哈佛幹細胞研究所的Douglas Melton花費了15年的時間，將胚胎幹細胞轉化為具有功能的β細胞——可以檢測葡萄糖併產生胰島素的胰腺細胞。然後，他發現正常胚胎幹細胞分化產生的胰腺細胞與1型或2型糖尿病患者的誘導多功能幹細胞產生的胰腺細胞之間沒有任何區別。 他說：「我們知道遺傳易感性的存在，但這並不意味著你可以在體外看到它」。

細胞復興

Melton仍計劃研究由胚胎幹細胞製成的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，以終止或至少減少他們對胰島素注射的依賴。這項工作的最後一道障礙是引入細胞，使它們不遭免疫系統破壞。Melton在美國劍橋市創立了Semma Therapeutics公司，目標是通過將細胞封裝在可使營養進入和胰島素放出的小袋中——但免疫細胞無法進入，以此跨越最後一道障礙。他預計在三年內開始臨床試驗。加利福尼亞州聖迭戈的ViaCyte公司在重新設計了封裝技術後，不久前重啟了其於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幹細胞分化而來的細胞治療糖尿病的研究項目。

在臨床領域，許多人認為誘導多功能幹細胞最終會戰勝胚胎幹細胞。一個潛在的優勢是誘導多功能幹細胞可以產生具有與患者相同DNA的細胞和組織，因此在移植時不會引起免疫反應。但對於大多數遺傳病，包括1型糖尿病，從患者得到的誘導多功能幹細胞含有致病突變，並且必須對細胞進行改造以用於治療。

接下來是成本問題。加利福尼亞州斯克利普斯研究所的幹細胞生物學家Jeanne Loring表示，製備一個用於臨床治療的誘導多功能幹細胞系大約需要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預計價格將會下降，她正在開發誘導多功能幹細胞用以治療帕金森病。

到目前為止，研究人員只啟動了一項利用誘導多功能幹細胞衍生出的細胞進行的人體試驗項目。該項目由RIKEN發育生物學中心的眼科專家高橋雅代領導，旨在治療黃斑變性。但在2014年調查人員決定簡化程序，使用供體來源的幹細胞而不是患者來源的幹細胞，項目因此暫停。該項目於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膜前膜，必須手術剝除。

黃斑變性一直是胚胎幹細胞治療的熱點。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、加州大學聖塔芭芭拉分校眼科專家Pete Coffey領導的研究人員報告了一項研究的結果，該研究將由胚胎幹細胞製成的細胞片植入兩名眼疾患者受損的視網膜中。在植入一年後，兩名患者恢復了閱讀的能力，儘管恢復過程緩慢。

明尼蘇達州羅切斯特Mayo診所的眼科醫生Alan Marmorstein稱這是該領域的「重大進步」。 他說：「這一結果首次有力地表明該方法在人體內有效，並支持在人體其他部位的進一步研究」。Coffey表示，由於科學家們不懈地探索如何最好地將細胞移植到人體內，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，細胞就知道該做什麼了"。事實並非如此，人們必須以適當的方式控制這些細胞。」許多幹細胞領域的研究人員都認為胚胎幹細胞的下一個重大臨床突破將出現在帕金森病的治療中。這種疾病是由於神經遞質多巴胺的缺失引起的，六家公司和診所正在準備用胚胎幹細胞或誘導多功能幹細胞來代替產生多巴胺的神經元。

一個關鍵的問題是如何把控移植前多功能細胞的成熟度。在一項始於2016年的澳大利亞試驗和一項始於2017年的中國試驗中，研究人員使用了未成熟的、不產生多巴胺的神經前體細胞，並聲稱這些細胞的不成熟性將有助於它們在移植後存活並整合到新宿主的大腦。但是一組被稱為GForce-PD的胚胎幹細胞和誘導多功能幹細胞試驗的領導者表示，使用越成熟的細胞，這些細胞越能夠可靠地轉變成所需的產生多巴胺的細胞，並且失控的可能性越低。

邁向希望

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

這一領域還面臨經費的不確定性。科學家們頻繁聽說美國總統特朗普可能會對胚胎幹細胞研究的聯邦資助施加新限制。

儘管胚胎幹細胞的研究歷史布滿荊棘，但許多研究人員表示，胚胎幹細胞已經不止一次，以意外的方式證明了它們的價值。由於胚胎幹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』。」

山中伸彌表示胚胎幹細胞是他進行誘導多功能幹細胞研究的驅動力。在研究人員花了近20年從小鼠胚胎幹細胞進展到人胚胎幹細胞後，Thomson的人胚胎幹細胞生產配方使製作小鼠誘導多功能幹細胞到人誘導多功能幹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人誘導多功能幹細胞。」

他表示，胚胎幹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學應用。他說：「現在人胚胎幹細胞的重要性並不比20年前低，並且也不會在未來降低。」

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