小小干细胞如何在生物医学“兴风作浪”

干细胞研究是在上世纪90年代后期开始热起来的。自上世纪80年代中期以来，发育生物学家一直都在实验室使用人类胚胎癌（EC）细胞，但是对小鼠胚胎干细胞（ESCs）和胚胎生殖细胞的研究，已经让研究人员看到了希望：他们能够制备来自人类的多能干细胞，而不会有EC细胞的异常基因组。在新的千年之前，一些研究人员正疯狂地朝着这个目标努力。

在美国，联邦资金对人类胚胎研究的限制，严重阻碍了这些研究的进展，但在1998年十一月，由Geron生物医药公司私人资金支持的两个实验室获得成功。威斯康星大学麦迪逊分校的发育生物学家James Thomson和同事们，从捐赠的人类IVF胚胎分离并培养出了干细胞（Science，282:1145-47，1998），而约翰霍普金斯大学大学John Gearhart率领的另一个团队，从捐赠的胚胎组织中获得了人胚胎生殖细胞（PNAS，95:13726-31，1998）。

利用人类胚胎和胎儿来衍生多能干细胞，引起了公众的强烈抗议。Gearhart说：“很明显，我们一旦公布，就会天下大乱。”当时，两个极端阵营迅速兴起。他回忆说：“对一些人来说，我是那个提供所有这些治疗的人。而其他人则将我我视为杀害婴儿的魔鬼。”Gearhart说，几个月后，他和Thomson在国会作证时辩护自己的工作，而约翰霍普金斯大学移除了Gearhart实验室的指示牌，以保护他和他的家人免于抗议者的威胁。为了帮助学员了解这些辩论，Gearhart甚至将伦理学家和哲学家带进了他的实验室。

公众的抗议持续了几年，但科学研究仍在进行。尽管令人担忧的政治背景，多能性干细胞的研究依旧引发了从发育生物学到遗传学、从药物发现到再生医学的快速发展。

干细胞来源
在1981年，多能干细胞是从小鼠胚胎中分离的（Nature，292:154-56；PNAS，78:7634-38），新的细胞系带来了两大进展：培育大量的细胞用于研究转基因小鼠的发育和制备。多伦多儿童医院发育生物学家Janet Rossant说：“小鼠胚胎干细胞改变了整个哺乳动物遗传学。如果我们能从培养物中取出一个细胞，用遗传学手段操纵它――改变它，敲除基因，添加基因，做任何你想做的事，并把它放回胚胎，孕育出小鼠，那么真的是革命性的。”

在接下来的17年里，生物学家们开发了各种程序和培养条件，从小鼠胚胎干细胞衍生出多个不同的细胞类型，包括造血细胞、肌肉细胞、神经元，但研究人员一直想在人类细胞中重复这个壮举。在1998年，Thomson和Gearhart从人类胚胎和胎儿组织中分离出了多能干细胞，然而，干细胞研究进入了一个领域：人类细胞疗法似乎唾手可得。

与此同时，在爱丁堡大学Roslin学院，胚胎学家Ian Wilmut和他的同事们将一个乳腺细胞的细胞核，插入一个绵羊的卵细胞，从而有了克隆羊多莉的诞生，表明哺乳动物卵母细胞所含的因子，可能完全重编程一个完全分化的细胞的DNA（Nature，385:810-13，1997）（复制多莉羊科学家转向人类胚胎发展 ）。后来，细胞融合实验表明，人类胚胎干细胞也含有重编程因子，可以使体细胞基因组恢复到多能的胚胎状态（Science，309:1369-73，2005）。研究人员预计，一旦得以确定，这些重编程因子就可以将任何分化细胞转换成胚胎干细胞样的状态，并能够回避使用人类胚胎进行研究的大多数争议。

在美国马萨诸塞州，麻省理工大学的遗传学家Rudolf Jaenisch给其实验室大部分成员的任务是，发现这些因子，作为其主要课题的一个小项目。Jaenisch实验室当时的博士后、现就职于斯坦福大学的Marius Wernig说：“很显然，这将是一个非常重要的发现，但是同样清楚的是，它可能并不起作用。”但是，日本京都大学的干细胞生物学家山中伸弥（Shinya Yamanaka），却比Jaenisch的研究团队抢先了一步。在2006年，山中伸弥和他的同事描述了四个转录因子――Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4，当他们用一个逆转录病毒将这些基因转入细胞的基因组时，可将小鼠成纤维细胞转换到多能状态（Cell，126:663-76）。结果被称为诱导多功能干细胞（iPSCs）。相关阅读：山中伸弥和iPS细胞创举；山中伸弥Science解析无慢病毒载体iPS技术。

Jaenisch的研究小组已经有了基因用于四个因子的克隆，并立即开始跟踪。Wernig回忆说：“从字面上看，把这些东西放在一起，并重复山中伸弥发表的实验，只是个时间问题。”随后，山中伸弥发表的实验也在其他研究起作用（Nature，448:318-24，2007），并快速地人类成纤维细胞生成了iPSCs（Cell，131:861-72，2007；Science，318:1917-20，2007）。

斯克里普斯研究所再生医学中心主任Jeanne Loring说：“这真的是整个领域的秘诀。制造iPS细胞变得非常简单。”

简化流程
自2005年起，使用iPSCs进行研究的实验室数量稳步增加。但是，将成人细胞恢复到多能状态的过程并不是完美的，可能有着形成肿瘤的风险，给疗法开发设置了一大障碍。将细胞重编程到多能状态是一个固有的风险；其中一个多能性测试是细胞是否可能产生畸胎瘤。此外，山中伸弥最初发现的一个因子c-myc，是一个原癌基因的产物，该基因能刺激iPSCs中的肿瘤生长（Nature，448:313-17，2007），病毒载体提出了“当转录因子被整合到宿主基因组中时，可激活癌基因”的可能性。

早期对于重编程方法的工作包括用新因子代替c-Myc（Nat Biotech，26:101-06，2008）。研究人员还尝试了其他的传递方法，如引入蛋白质或合成的mRNA。但这些替代品仍然是费力的，而且大多数不如逆转录病毒重编程那么有效。在iPSCs发展后的几年，Wernig的研究团队想出了如何完全跳过多能状态，将一个分化的细胞类型直接转换成另一个（Nature，463:1035-41，2010）。

在理论上，直接转换可能避免多能性细胞的癌症风险，但研究人员也在寻找一种简化细胞生成的方法。Rossant说：“你用来获得特化细胞类型（如肺细胞或肝细胞）的很多分化程序，是相当漫长而繁琐的。如果可以有快捷方式，做一个直接的转换，那么可能是非常有用的。”

临床转化
一些团队致力于提高实验室的干细胞转换，其他人则关注多能性细胞转化为临床的方法。但是，细胞疗法一直伴随着对于质量控制的关注，评论家们想知道，最终分化的细胞如何密切地反映在一个健康的成年人中。弄清不同发育途径的细节，一直是一个挑战，Gearhart说：“我们中的许多人认为，我们能够在几年内做到这一点，但20年后的现在，我们仍然在努力。”

然而，以干细胞为基础的再生医学，最终要接近临床应用。世界各地的实验室都使用多能干细胞来产生多种治疗性的细胞类型，如胰腺β细胞用于治疗糖尿病，和多巴胺能神经元用于治疗帕金森。在2010年，Geron生物医药公司开始第一个FDA批准的临床试验，使用人类胚胎干细胞来治疗脊髓损伤，然而在2011年，该项目在招募了仅仅4名患者后因成本高而停工。Astellas再生医学研究所（原先进细胞技术公司）正致力于为黄斑变性寻找一种ESC疗法，并在去年推出了2期临床试验。在2014年，RIKEN发育生物学中心的眼科医生Masayo Takahashi，与山中伸弥合作，开始第一个iPSC临床试验，也治疗黄斑变性。当研究人员在细胞中发现突变后，该试验被搁置，但一名患者安全地接受了治疗，研究小组计划恢复试验。

其他许多以多能性干细胞为基础的疗法，在临床前研究中已显示很大前景，但到目前为止，仍然很难取得明确的临床成功。Loring说：“为了打开再生医学领域，我们需要有一个成功的试验。”