人胚胎干細胞研究20年

人胚胎干細胞研究引發的革命，回看20年來的希望、承諾和爭議。

源于人胚胎干細胞的神經細胞團，在培養物中組裝成球體

1 998年，迪特爾·埃格利（Dieter Egli）正要開始讀研究生，這一年研究人員首次發現了如何獲得人胚胎干細胞。此后的20多年，這些細胞一直伴隨著他。埃格利現在是美國哥倫比亞大學的一名生物學家，他利用這些細胞探索成體細胞中的DNA如何處理才能重返胚胎狀態，并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干細胞，以簡化對人類基因功能的研究。

廣泛的研究使埃格利成為胚胎干細胞領域的領導者，這一領域既面臨經費限制的挑戰，也面臨非統一道德規范下的技術競爭熱潮的挑戰。盡管如此，許多人還是認為現今人胚胎干細胞比以往任何時候都更重要。

胚胎干細胞（ES）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理解一樣，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如何變成數萬億的細胞。科學家們已經掌握了如何將胚胎干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。

從2010年嘗試利用胚胎干細胞修復脊髓損傷開始，已經有十幾個臨床試驗利用胚胎干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。近期一份期待已久的報告顯示，2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。

埃格利說：“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實。”

探索初期

1981年，研究人員設法從小鼠胚胎培養出了干細胞。他們很快就認識到這些細胞的研究潛力，因為它們既可以自我復制，又可以分化成為體內200多種細胞中的任一種。但是從靈長類動物分離并培養胚胎干細胞并不容易實現。威斯康星大學麥迪遜分校的生物學家詹姆斯·湯姆森（James Thomson）花了14年時間才在猴子身上實現了這一目標。3年后，湯姆森使用未用于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干細胞系。

湯姆森的發現引發了倫理風暴。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，時任美國總統喬治·布什限制政府資助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，一個用于胚胎干細胞研究，另一個用于接受美國聯邦政府資助的研究。而在包括德國和意大利在內的其他國家，生產胚胎干細胞的行為則被徹底禁止。

盡管如此，胚胎干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干細胞轉化成神經元、免疫細胞和心臟細胞。

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相同DNA的動態細胞。研究人員開始談論在培養皿中研究復雜的遺傳疾病，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，調查人員發現韓國科學家黃禹錫謊稱以這種方式分離了干細胞。但在2013年，俄勒岡健康與科學大學的干細胞研究員舒克拉特·米塔利波夫（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。米塔利波夫說：“我們從胚胎干細胞中了解到多功能性。”

誘導多能干細胞（iPS）的發現可以說是2000年來再生醫學研究領域最大的突破。2006年，日本京都大學的干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，他和湯姆森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力：無限量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。

許多人曾預測誘導多能干細胞胞很快會在研究中取代胚胎干細胞，但這一情況并未發生。有關胚胎干細胞的論文發表數量在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已經作為黃金標準，研究人員需要將誘導多能干細胞與之進行比較。并且即使在今天，也有人懷疑誘導多能干細胞的安全性。中國科學院動物研究所的干細胞生物學家周琪表示，正是對誘導多能干細胞會導致腫瘤的擔憂， 他選擇使用胚胎干細胞進行了十多項臨床試驗。

許多關于胚胎干細胞的研究致力于使這些細胞的獲得容易操作。最初分離培養胚胎干細胞是一個困難重重的過程，挑單細胞培養并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，日本理化學研究所（RIKEN）發育生物學中心的井芳樹發現了一種名為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%。

瑞典隆德大學的細胞生物學家馬林·帕瑪（Malin Parmar）使用胚胎干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促使胚胎干細胞研究進入“一個新的黃金時代”。

現在可以快速、可靠和無限地生產胚胎干細胞。且目前這些細胞以某種方式避免轉化為人們所擔心的癌癥。不過東京大學的干細胞生物學家中內啟光認為，我們仍然不知道這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多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器官。如果有合適的細胞信號分子和3D環境，胚胎干細胞甚至可以在培養皿中發育成類器官。這一能力對于研究人員，如俄亥俄州辛辛那提兒童醫院的詹姆斯·威爾士（James Wells）來說至關重要。他正在培養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，芝加哥的生殖醫生們開始通過體外受精產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。該團隊創建了地中海貧血、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，研究人員利用胚胎干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，憑借能夠從任何有疑似遺傳病的人體中培養干細胞的能力，誘導多能干細胞在培養皿中進行疾病研究這一領域有更大前景。但許多研究人員仍然認為胚胎干細胞在這一領域具有很強的潛力。由于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能干細胞，在這種情況下胚胎干細胞仍然可以發揮作用。

例如，2008年，哈佛大學的凱文·埃根（Kevin Eggan）從患有神經退行性疾病肌萎縮側索硬化癥（ALS）的患者中培養得到了誘導多能干細胞。根據以往對胚胎干細胞的研究，埃根知道如何將多能干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。來自患者的誘導多能干細胞比來自非患者的誘導多能干細胞更活躍。現在，一種可以降低來自患者的誘導多能干細胞的興奮度的抗癲癇藥物正在進行人體測試，預計未來很快會有結果。

當埃格利和耶路撒冷希伯來大學的尼西姆·本威尼斯迪（Nissim Benvenisty）利用正常染色體數目的一半得到了胚胎干細胞系時，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”胚胎干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。埃格利表示，由于只有一套基因，這些細胞可以提供更直觀的結果。

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道格拉斯·梅爾頓（Douglas Melton）花費了15年的時間，將胚胎干細胞轉化為具有功能的β細胞——可以檢測葡萄糖并產生胰島素的胰腺細胞。然后，他發現正常胚胎干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能干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，但這并不意味著你可以在體外看到它。”

細胞復興

梅爾頓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，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時避免遭到免疫系統破壞。梅爾頓在美國坎布里奇創立了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，以此跨越最后一道障礙。他預計在3年內開始臨床試驗。加利福尼亞州圣地亞哥的ViaCyte公司在重新設計了封裝技術后，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。

在臨床階段，許多人認為誘導多能干細胞最終會戰勝胚胎干細胞。一個潛在的優勢是誘導多能干細胞可以產生與患者相同DNA的細胞和組織，因此在移植時不會引起免疫反應。但對于大多數遺傳病，包括1型糖尿病，從患者得到的誘導多能干細胞含有致病突變，并且必須對細胞進行改造才能用于治療。

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家珍妮·勞瑞（Jeanne Loring）表示，制備一個用于臨床治療的誘導多能干細胞系大約需要100萬美元。如果僅用于患者治療，目前這一價格是令人望而卻步的，但勞瑞預計價格將會下降，她正在開發誘導多能干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能干細胞衍生出的細胞進行人體試驗的項目。該項目由RIKEN發育生物學中心的眼科專家高橋雅代領銜，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。

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6次臨床試驗。2018年3月19日，由倫敦治療失明項目主任、加州大學圣塔芭芭拉分校眼科專家皮特·科菲（Pete Coffey）領銜的研究團隊報告了一項研究結果。該研究團隊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膜中。植入一年后，盡管恢復過程緩慢，兩名患者恢復了閱讀能力。

明尼蘇達州羅切斯特梅奧診所的眼科醫生艾倫·馬莫斯泰因（Alan Marmorstein）稱這是該領域的“重大進步”。科菲表示，“十年前，我們認為只需要放入細胞，細胞就知道該做什么了。事實并非如此，人們必須以適當的方式控制這些細胞。

許多干細胞領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在帕金森病的治療中。這種疾病是由于神經遞質多巴胺的缺失引起的，6家公司和診所正在準備用胚胎干細胞或誘導多能干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、不產生多巴胺的神經前體細胞，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。但是致力于GForce-PD的胚胎干細胞和誘導多能干細胞試驗的研究人員表示，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，仍然有發展空間。一個難題是許多種類的細胞仍然難以生產。梅爾頓估計，迄今為止僅有約10種經胚胎干細胞產生的細胞，其功能真正等同于人類正常細胞的功能。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干細胞研究的聯邦資助施加新限制。

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。

山中伸彌表示胚胎干細胞是他進行誘導多能干細胞研究的驅動力。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，湯姆森的人胚胎干細胞生產配方使制作小鼠誘導多能干細胞到人誘導多能干細胞的間隔縮短到一年。

山中伸彌表示，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學應用。