山中伸彌 逆轉生命程序

文/蒂 姆

2012年諾貝爾獎揭曉儀式于10月8日起陸續舉行，首個獎項、醫學獎得主于斯德哥爾摩時間8日11 時30 分（北京時間8日17時30分）誕生。京都大學物質－細胞統合系統據點iPS細胞研究中心長山中伸彌、英國發育生物學家約翰·格登因在細胞核重新編程研究領域的杰出貢獻而獲獎。大多數重大成果都要等上十幾年到幾十年（如格登等了50年）才能拿到諾貝爾生理與醫學獎，而山中的工作只等了6年，可知其重要意義。

人生萬事如塞翁失馬

山中最初想成為一名整形外科醫生。因為在中學訓練柔道時，他有過10次以上腳趾或鼻子等處骨折的經歷。為成為一名運動外傷整形領域的專家，從神戶大學醫學部畢業后，他進入國立大阪醫院的整形外科，成為一名研修醫生。

山中時常都會回憶自己從神戶大學醫學院畢業后，做的第一次手術。那是一次良性瘤移除手術，熟練的醫生10分鐘就可以做完，但山中鼓搗了一個小時，也沒有完成。由于山中臨床能力笨拙，一些前輩們甚至送他外號——“絆腳石”。

從事醫生職業讓山中發現，在現實中很多患者是無法治愈的。更痛苦的是，他不擅長手術。“我不適合這項工作”，當時他難過地認為。

在接觸得不到有效治療的患者時，他開始感到，“為了治愈他們，必須做好基礎研究”。1989年，他從醫院辭職，進入大阪大學的研究生院。畢業后，他又前往美國舊金山的格拉斯頓研究所留學，從事老鼠的胚胎干細胞研究。

但是，1996年回國后他又遭遇了新的困難期。在美國，他可以全身心投入研究，但日本的環境卻有差距，這讓他感到苦惱。“沒有能夠討論問題的對象，沒有研究資金，只能跟實驗用的老鼠打交道。我已經進入了半抑郁癥狀態。”他的研究陷入停滯，他甚至失去了干勁。

“不如放棄研究，轉回臨床，”他曾經這么想。但此時，有兩件事救了他的研究事業：1998年，美國研究人員成功制作了人的胚胎干細胞。這是極為鼓舞人心的消息；1999年12月，他通過了奈良先端科學技術大學院大學的副教授招聘。他說：“我的研究生命幾乎已經死亡，但上天又給了我一次機會。”在37歲這年，他前往奈良就職。

2003年，日本科學技術振興機構為他提供了為期5年、總額3 億日元的研究經費。前大阪大學校長岸本忠三當時負責審批他的項目。岸本說：“我當時知道項目進展不會順利，但被他的精神所感動。”在研究初期，山中確實又失敗過很多次，但再也沒想過停止研究。“學生和年輕同事一直激勵著我，因此我始終在堅持。”3年后，他使用老鼠的皮膚細胞成功制作了人工多功能干細胞（iPS）。

“人生萬事如塞翁失馬”。山中伸彌說，這句話為他從事研究提供了精神力量。

山中表示：“希望將這一技術發展為真正能為患者所用的技術。這是我研究的原動力。”在新藥開發、疑難病癥研究和再生醫療等廣泛領域，人工多功能干細胞的研究正在推進。

“這樣再努力10 到20年，如今難以醫治的患者將有治愈的希望，”他說。

終結胚胎干細胞領域的倫理之爭

盡管在名義上，日本政府允許使用胚胎干細胞，但實際操作中，人類胚胎干細胞的獲取和使用都受到非常嚴格的限制。為了獲準使用胚胎干細胞，研究人員往往要花費一年的時間，來辦理各種申請手續。

在日本，不僅科學氛圍沉悶，研究人員還受到很多規則的束縛。不過，山中伸彌卻意外成為這種科學文化的受益者。山中伸彌回憶道：“做完博士后研究回到日本時，我喪失了全部動力。資金少得可憐，優秀科學家屈指可數，我還得親自飼養近1000只小鼠。”

湯姆森分離出胚胎干細胞后，很多研究人員試圖控制這些細胞，讓它們分化為特定細胞類型，以替代病變或受損組織，從而改進現有醫療手段。山中伸彌說：“對于這樣的研究，我們實驗室根本不具備競爭力，所以我想，反其道而行之或許是條出路——不是讓胚胎干細胞變成什么，而是讓別的東西變成胚胎干細胞。”1997年，英國科學家伊恩·威爾穆特（Ian Wilmut）成功克隆出多利羊，給了他很大的啟發：“我們從中了解到，即使是完全分化的細胞，也能回到類似胚胎干細胞的狀態，但我們同時也認為，要實現這個目標，需要漫長的研究過程——可能要花二三十年。”

然而，山中伸彌只花了不到10年時間。為了解決胚胎干細胞研究中的兩個關鍵問題，山中伸彌變得干勁十足。一個是細胞來源問題。他曾參觀過一個朋友的生殖學實驗室，在顯微鏡下看到了早期胚胎。脆弱的初生生命打動了他，不過他強調不反對利用胚胎干細胞拯救病人；另一個問題是，胚胎干細胞移植到人體時，免疫排斥可能危害健康，而來自病人自身的iPS細胞分化出的細胞，就不會產生這樣的副作用。

山中伸彌開始研究小鼠胚胎細胞如何保持多能性，以便能分化成身體里的任意細胞類型。他猜測，小鼠胚胎可能含有一些特殊蛋白質，這是成熟細胞所沒有的。如果將相應基因（尤其是控制其他基因活性的轉錄因子的基因）插入普通皮膚細胞的染色體中，也許就能使皮膚細胞轉化為胚胎干細胞。

經過4年的試驗，他發現了24個因子，將它們轉入普通小鼠的成纖維細胞，并經過合適的培養步驟后，就可以生成與干細胞相同的多能細胞。山中伸彌檢測了每一個因子，發現任何因子都無法單獨發揮作用，只有特定的4 種因子的組合才能完成這一任務。2006年，他在《細胞》（cell）雜志上發表了一篇里程碑式的論文，介紹了編碼 上 述4 種 因 子 的 基 因：Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4。

這篇文章震驚了全世界，也促使科學家產生了更為大膽的想法：人類細胞是否也能像小鼠細胞一樣重返干細胞狀態？2007年，山中伸彌和湯姆森的研究小組幾乎在同一時間宣布，他們利用此前發現的4種轉錄因子（分別由Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4 編碼），成功制造出人類iPS 細胞。盡管湯姆森表示“我們的實驗非常簡單，很容易重復，”但其他科學家仍然認為，這一重大突破好比點石成金。

持續確保iPS 細胞的安全性

此后，科學家紛紛放棄胚胎干細胞研究，轉而進行成熟細胞的誘導工作。目前，山中伸彌和其他研究小組已把多種組織（包括肝、胃和大腦）的細胞，轉變成了iPS細胞，并讓iPS細胞分化成了皮膚、肌肉、胃腸道、軟骨、能分泌神經遞質多巴胺的神經細胞以及可以同步搏動的心臟細胞。

不過，兩個安全隱患決定了iPS細胞無法在短時間內進入臨床應用。c-Myc 除了編碼轉錄因子，還有另外一種身份：癌基因，而山中伸彌制造的iPS細胞也確實容易發生癌變。他解釋說：“制造iPS 細胞就像在制造癌癥。”其實，制造iPS細胞可以不需要c-Myc：山中伸彌和美國麻省理工學院的魯道夫·詹尼士（Rudolf Jaenisch）發現，如果優化細胞培養條件，即使不使用c-Myc，也能將小鼠細胞轉化為iPS 細胞。為了比較含有和不含c-Myc 的iPS 細胞的安全性，山中伸彌將兩類細胞分別移植到100 只小鼠體內。結果發現，100 天后，接受不含c-Myc的iPS細胞的小鼠無一死亡，而另外100只小鼠則有6只死于癌癥。

第二個安全隱患來自基因載體——逆轉錄病毒（retroviruses）。利用這類載體向細胞插入基因，會使生成的干細胞充滿病毒。而且，逆轉錄病毒還可能誘導細胞突變，導致癌癥。不過，科學家很快就會解決這個難題。2008年9月，哈佛大學干細胞研究所的一個研究組宣布，他們用腺病毒作為載體，制造出了小鼠iPS 細胞。1 個月后，山中伸彌又用質粒（即環形DNA片段）攜帶基因，成功制造出iPS細胞。逆轉錄病毒的其他替代品還有蛋白質和脂質分子。

盡管在利益的驅動下，iPS技術發展非常迅速，各大實驗室也在爭相完善這門技術，但山中伸彌并不認為iPS細胞現在就可以取代胚胎干細胞。美國馬薩諸塞綜合醫院再生醫學中心的康拉德·霍切林格（Konrad Hochedlinger）說：“我們還不知道胚胎干細胞與iPS 細胞是否真的完全相同。目前，iPS細胞只是多能細胞的一種補充來源，要徹底取代胚胎干細胞，它必須經受時間的考驗。如果現在就得出結論，顯然為時過早。”

在堅持認為iPS 細胞距離實際應用還有相當距離的同時，山中伸彌也高調宣稱這類細胞對于治療糖尿病、脊髓損傷、帕金森病甚至失明具有巨大潛力。日本理化研究所發育生物學實驗室主任西川伸一（Shinichi Nishikawa）評價道：“這一激動人心的發現為再生醫學和細胞治療技術都提供了一個清晰的發展框架。”

計劃儲存iPS 細胞用于醫療

干細胞療法方面的進展由于面臨各種研究挑戰、倫理和法律障礙以及民眾恐慌而一直緩步不前，干細胞研究的先驅者、日本京都大學教授山中伸彌打算通過建立治療用干細胞銀行來改變這一現狀。該銀行將保存幾十種誘導多能干細胞（iPS 細胞）系，日本也將因此站到努力引介這一開拓性生物醫療技術的最前沿。

iPS 細胞儲存計劃是山中伸彌長久以來的一個夢想，該計劃終于在10月份獲得了支持——日本衛生部委員會決定，批準利用來自全國保存的數千份胎兒臍帶血樣本建立一個細胞系庫。哈佛大學醫學院干細胞生物學家喬治·戴利稱，山中伸彌計劃儲存iPS 細胞用于醫療是“一個大膽的舉動”。但也有一些研究人員質疑iPS細胞是否已做好進入臨床的準備。

山中伸彌于2006年率先證實，成年小鼠皮膚細胞可被轉化為iPS 細胞。2007年，他用人類細胞重復了這一實驗。iPS細胞能夠繞開與胚胎干細胞相關的倫理問題，并可為患者量身定制，以防止免疫系統產生排異反應。

日本現有8 個長期項目旨在將iPS 細胞療法引入臨床應用，其中就包括京都大學iPS 細胞研究與應用中心針對帕金森氏癥的研究，該項目由山中伸彌主持，離進入臨床試驗至少還有3年時間。首個利用iPS 細胞修復視網膜病變的人體臨床試驗預計將于明年在日本理化研究所發育生物學研究中心進行。如果這些或任何其他的iPS 細胞實驗獲得成功，對iPS 細胞的需求將呈爆發式增長。而為個體患者定制iPS細胞，每種細胞系的制備和測試需要花費6個月時間，耗資數萬美元。

山中伸彌的計劃是，到2020年建立一個包含75 種iPS 細胞系的標準庫，足以匹配日本80%的人口。為此，山中伸彌需要從6.4 萬人的樣本中篩選出75 位合適的捐贈者，其體內編碼人類白細胞抗原（HLAs）的3個關鍵基因中任意一個基因必須具有兩個相同副本。

利用日本八家臍帶血銀行儲存的血液可以簡化這一過程，這些銀行保存有2.9萬個樣本，符合要求。山中伸彌正在展開協商，以期獲得那些被證實不適用于其他醫療流程的樣本的使用權。

目前，山中伸彌已建造了一個細胞處理設備，并向京都大學倫理委員會提出了建立細胞系庫的申請。其研究團隊希望，到明年3月能夠獲得首個細胞系，可匹配日本8%的人口。

山中伸彌的項目優勢在于，日本人口的遺傳多樣性相對較低，若在世界其他地方，這種治療用iPS 細胞銀行的規模將更大，成本投入也更高。日本以外的大部分iPS 細胞銀行都是將來自患者的細胞用于研究而非治療，例如，加州再生醫學研究所計劃保存3000種細胞系供研究人員使用。

加州再生醫學研究所總裁艾倫·創森認為，關于iPS細胞的許多研究問題尚未解決，開展治療試驗“尚不成熟”。“我們還沒有完全了解這些細胞。”他指出，這些細胞是由分化型細胞培育而成，可能導致突變和其他缺陷。斯坦福大學干細胞生物學家歐文·威絲曼警告說，由血液細胞轉化而成的iPS細胞已被證實可以形成腫瘤。

對此，日本研究人員表示，解決的辦法是在培育這些細胞系的過程中小心避開會引發腫瘤的白細胞，并強調所有的安全問題都將會得到解決。