人類胚胎幹細胞正重塑生物學概念並開始進入臨床

來自人類胚胎幹細胞的神經「花結」組裝成正在培養的球體。

圖片來源：Gist Croft/Ali Brivanlou/Rockefeller University

1998年，當研究人員最早弄清楚如何獲得人類胚胎幹細胞時，Dieter Egli正要開始念研究生。自此以後的20年里，這種多產細胞一直伴隨著Egli的職業生涯。這位如今在美國哥倫比亞大學工作的生物學家，利用它們探尋了來自成人細胞的DNA如何被重新編程成胚胎狀態，並且解決了關於糖尿病發生和治療的問題。Egli甚至幫助開發了一種全新的人類胚胎幹細胞形式。其能簡化關於不同人類基因做了什麼的研究。

廣泛的研究讓Egli成為胚胎幹細胞生物學領域的領軍者。該領域面臨著資助受限以及狂熱追尋競爭技術的挑戰。尤其是各種同類技術，並未帶有相同的倫理標準。不過，很多人認為，如今人類胚胎幹細胞變得比以往任何時候都重要。「對於胚胎幹細胞，我感到非常興奮。」Egli說，「它們將帶來改變生活的史無前例的發現。對此，我毫不懷疑。」

胚胎干（ES）細胞提供了關於早期發育的優質信息。正如天文學家回顧宇宙大爆炸以尋求關於宇宙的基本見解，生物學家探究這些細胞內的分子以尋找關於單個原始細胞如何變成幾萬億個細胞並且擁有一系列令人眼花繚亂的形式和功能的線索。科學家學會了如何將這種細胞變成幾十種代表身體內各種組織和器官的成熟細胞。從2010年試圖修復脊髓損傷的努力開始，已有十幾項利用ES細胞創建的細胞開展的臨床試驗，旨在治療帕金森氏症、糖尿病和其他疾病。早期結果表明，一些方法正在奏效：一份日前發布的期待已久的報告證實，兩名患有同年齡相關的黃斑變性的病人在視力上出現了改善。黃斑變性是一種破壞視覺敏銳度的疾病。

試探性的開端

1981年，研究人員成功培養出來自小鼠胚胎的幹細胞。他們很快意識到這項發現的巨大潛力，因為這些細胞既能自我複製，又可被推動變成身體200餘種細胞類型中的任何一種。不過，此項技術並不容易在靈長類動物身上實現。威斯康辛大學麥迪遜分校生物學家James Thomson花了14年時間，才將該技術成功用於猴子。3年後，Thomson利用生育治療中未使用的捐贈胚胎，創建了全球首個人類ES細胞系。

此項發現激起了一場道德風暴。批評者——大多數來自宗教界——認為胚胎構成了人類的一部分，並且想阻止任何涉及破壞胚胎的研究。2001年，美國總統喬治·沃克·布希將政府資助限制在僅針對一些現有ES細胞系的研究上。此項決定迫使那些打算在該國開展相關研究的科學家尋求私人或者各州資助，並且經常創建兩個實驗室—— 一個針對ES細胞研究，另一個開展由美國聯邦政府資助的工作。在包括德國和義大利在內的其他國家，創建此類細胞則被完全禁止。

不過，相關研究還是在能夠開展的地方繼續進行。澳大利亞、新加坡、以色列、加拿大、美國以及一些其他國家的研究人員很快報告稱，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。

此類研究促成了可能是本世紀再生醫學和生物學研究領域最大的創新：誘導多能幹（iPS）細胞的發現。2006年，日本京都大學幹細胞生物學家Shinya Yamanaka僅利用4個遺傳因子，成功地使成年小鼠細胞返回到像胚胎一樣的狀態。次年，他和Thomson在人類細胞中實現了同樣的壯舉。理論上，這一過程提供了和治療性克隆相同的潛在回報——無限量供應同患者基因匹配的多能細胞，但不會出現道德困境。

為研究遺傳病帶來新工具

研究人員還在嘗試生長器官。如果獲得正確的信號分子和3D環境，ES細胞可組成被稱為類器官的複雜組織，即便是在培養皿中。這種能力對於諸如俄亥俄州辛辛那提兒童醫院的James Wells等研究人員來說非常重要。Wells正在培養腸道類器官，以便用於測試藥物，並且可能有一天用於器官移植。

同時，ES細胞的新來源為研究遺傳性疾病帶來了新工具。例如，2004年，芝加哥的生殖科醫生開始利用通過體外授精創建的胚胎產生ES細胞系。這些胚胎被發現有遺傳缺陷，因此無法被用於不孕治療。這項努力使該團隊創建了地中海貧血症、亨廷頓氏病、馬凡綜合征、肌肉萎縮症和其他遺傳疾病的分子模型。2007年，研究人員利用ES細胞闡明了導致在被稱為脆性X綜合征的可遺傳疾病中見到的認知損傷的分子變化。

研究人員表示，iPS細胞為在培養皿中研究疾病帶來了更多前景——可利用任何患有疑似遺傳疾病的活著的人生長出幹細胞。不過，很多人仍看到了ES細胞在該領域的巨大潛力。ES細胞仍能起到輔助作用。

例如，2008年，來自哈佛大學的Kevin Eggan產生了來自神經退行性疾病——肌萎縮性脊髓側索硬化（ALS）患者的iPS細胞系。Eggan從此前利用ES細胞開展的工作中了解到如何「誘騙」多潛能細胞變成受ALS影響的大腦細胞——運動神經元。當利用來自患者的iPS細胞開展相同工作時，他能迅速地比較兩類細胞。和未患有ALS的人相比，來自患者的細胞放出更多電。「我們利用了用ES細胞開展的所有工作來了解運動神經元。」Eggan表示。如今，一種令來自患者的iPS細胞沉默的抗癲癇藥物正在人類身上測試。結果有望在兩個月後出爐。

重要性一如從前

ES細胞研究仍有上升的空間，如果能跨過一些障礙的話。一個大問題是產生很多細胞類型極具挑戰性。據Melton估測，迄今為止，僅有10種左右的細胞可真正在功能上向普通的人類細胞看齊。同時，一些有著最深遠用途的細胞，比如卵子和精子，在可預見的未來仍將是一個挑戰。

該領域還面臨著資助上的不確定性。科學家頻頻聽到美國總統唐納德·特朗普可能對關於ES細胞研究的聯邦資助實施新限制的傳聞。

不過，很多研究人員認為，儘管有著跌宕起伏的歷史，但ES細胞一再通過一些難以預測的方式證實了它們的價值。一些人甚至相應減少了對動物模型的使用，因為ES細胞似乎提供了研究人類疾病的更好路徑。

Yamanaka表示，ES細胞推動了其關於iPS細胞的研究工作。同時，是Thomson針對人類ES細胞的「處方」，使從小鼠轉向人類iPS細胞的努力僅在1年內便得以實現。而此前，從小鼠到人類各種ES細胞的轉變用了近20年。「我們確切地知道應當如何培養人類iPS細胞。」Yamanaka說。

他認為，ES細胞對於理解多能性機制和改善任何多能細胞的醫療用途同樣至關重要。「現在，人類ES細胞的重要性不亞於20年前。我想像不到未來它的重要性將會變低。」

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