胚胎干細胞（ES）為生命的早期發(fā)育提供了豐富的信息。類似于天文學(xué)家們回顧宇宙大爆炸，生物學(xué)家們也傾向于在這類細胞中尋找生命起源的秘密。科學(xué)家們將胚胎干細胞培育成多種不同類型的成熟細胞，構(gòu)成機體不同的組織和器官用于測試藥物、構(gòu)建疾病模型等多種用途。

       其中，最讓人期待的是疾病治療——自2010年嘗試修復(fù)脊髓損傷開始，目前已有十多個基于ES細胞來源的細胞臨床試驗正在進行中，用于治療帕金森癥、糖尿病等多種疾病。今年3月，一項發(fā)表于《Nature Biotechnology》期刊的文章揭示了利用來源于胚胎干細胞的視網(wǎng)膜色素上皮細胞治療年齡相關(guān)性黃斑變性眼疾的臨床試驗的安全性和可行性。

       “胚胎干細胞一直讓我很興奮。它們會帶來前所未有的新發(fā)現(xiàn)，并有著改變生命的意義。我對此毫不懷疑。” 哥倫比亞大學(xué)教授Dieter Egli強調(diào)道。他帶領(lǐng)團隊利用胚胎干細胞探索來源于成熟細胞的DNA經(jīng)過重編程“還原”至胚胎狀態(tài)的可能，為糖尿病診療帶來新線索。2016年，Dieter Egli在《Nature》期刊發(fā)表重要研究，開發(fā)出一種全新的人類胚胎干細胞（只攜帶一半數(shù)量的染色體），簡化對人類基因組的研究。

       試探性的開端

       1981年，科學(xué)家成功從小鼠胚胎中提取出干細胞，并實現(xiàn)體外培養(yǎng)。很快，他們見識到干細胞的潛能：無限復(fù)制、自我更新和多向分化，可以衍生出超200種不同類型的細胞。但是，這一奇妙在靈長類動物身上并不容易實現(xiàn)。

       威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的James Thomson教授投入14年時間、心血才在靈長類動物身上成功驗證。直到1998年，Thomson利用捐贈的人類胚胎構(gòu)建出世界首份人類胚胎干細胞系。

       然而，這一研究引發(fā)了一場“道德風(fēng)暴”——以宗教界為主的批評人士認(rèn)為胚胎是生命的組成部分，他們希望禁止任何試圖破壞它們的研究。2001年，美國第43任總統(tǒng)George W. Bush嚴(yán)格限制對胚胎干細胞的研究。與此同時，包括德國、意大利在內(nèi)的國家也對其發(fā)布了禁令。

       盡管如此，科學(xué)并未停止步伐。來自于澳大利亞、新加坡、以色列、加拿大和美國等多個國家的科學(xué)家們先后證實，胚胎干細胞可以分化形成神經(jīng)元、免疫細胞和心臟細胞。

       另外，他們希望從不同的途徑獲得胚胎干細胞，例如從體細胞核移植（創(chuàng)建多莉羊的克隆技術(shù)）來源的胚胎中提取干細胞。雖然經(jīng)歷了2005年黃禹錫“利用體細胞克隆出與患者基因相吻合的11種特制型胚胎干細胞”造假事件的影響，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的干細胞研究團隊最終在2013年證實了從克隆胚胎中提取出干細胞的可行性。

       強有力的競爭對手

       最初的15年，大多數(shù)針對胚胎干細胞的研究都集中于其多向分化的功能，并找到了多能性的關(guān)鍵，由此而奠基了誘導(dǎo)性多能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）的出現(xiàn)。

       圖片來源：Chris Goodfellow/Gladstone Inst.

       2006年，日本京都大學(xué)的山中伸彌團隊成功利用病毒載體將4個轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)入成年老鼠的皮膚細胞中，使其重編程并獲得一簇類似于胚胎干細胞（ESCs）的新型細胞，由此打開了誘導(dǎo)性多能干細胞的研究大門。隨后一年，山中伸彌和James Thomson教授合作，成功將人類成體細胞誘導(dǎo)成多能性干細胞，并因此入選Science年度十大科學(xué)突破。

       理論上，iPSCs提供了一種可與患者基因匹配的個性化醫(yī)療潛能，降低免疫排斥風(fēng)險的同時還繞開了使用胚胎干細胞引發(fā)的倫理道德問題。當(dāng)時不少人預(yù)測，iPSCs將很快取代胚胎干細胞的研究地位。

       然而，預(yù)言并沒有發(fā)生。2006年后基于胚胎干細胞的學(xué)術(shù)文章迅速增長，尤其是2012年之后每年的論文數(shù)量平均增長約2000篇。相比于iPSCs，胚胎干細胞被認(rèn)為是“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。

       即便是現(xiàn)在，iPSCs依然有很多未知。中國科學(xué)院干細胞研究首席科學(xué)家周琪院士認(rèn)為iPSCs存在致瘤風(fēng)險，所以他更傾向于利用胚胎干細胞來源的體細胞進行臨床試驗。

       應(yīng)用價值

       利用胚胎干細胞培育出所需的細胞并不容易，最初這一操作的成功率不足1%。2007年，日本RIKEN發(fā)育生物學(xué)中心的Yoshiki Sasai團隊發(fā)現(xiàn)一種抑制因子——ROCK，可以維持胚胎干細胞的活性，避免其死亡。伴隨著這些進展，胚胎干細胞分化出特定成熟細胞的成功率提高至27%。“這些技術(shù)促使ES細胞進入‘黃金時代’。” 瑞典隆德大學(xué)的細胞生物學(xué)家Malin Parmar肯定道。

       除了分化出所需的成熟細胞之外，胚胎干細胞還有很多應(yīng)用潛能：培育特定的類器官，用于藥物篩選、疾病致病機理研究。給予3D環(huán)境、正確的信號通路，胚胎干細胞可以形成類器官（organoids），例如腸道——俄亥俄州辛辛那提兒童醫(yī)院的James Wells團隊利用這一潛能篩選藥物。

       2004年，因為體外受精獲得的胚胎干細胞攜帶有遺傳缺陷不得不終止生育應(yīng)用，芝加哥醫(yī)生團隊開始以其為材料，構(gòu)建與地中海貧血、亨廷頓氏病、肌肉萎縮癥等遺傳病的細胞模型。2007年，他們利用胚胎干細胞篩選到引發(fā)認(rèn)知損傷（由脆性X染色體綜合征導(dǎo)致）的分子突變。

       哈佛干細胞研究所的Douglas Melton耗時15年將胚胎干細胞培育成功能性的胰島β細胞（感知葡萄糖水平并分泌胰島素）。但是Douglas Melton并沒有在正常ES來源的胰島細胞與iPS細胞（來源于糖尿病患者）分化而來的胰島細胞之間找到任何差異。“我們知道遺傳易感性，但是這并不意味著可以在體外找到它。” Douglas Melton表達道。

       臨床潛能：糖尿病、帕金森、黃斑變性……

       Douglas Melton試圖將來源于胚胎干細胞的胰島β細胞移植給患有1型糖尿病的病人，他希望，這一策略至少可以減輕患者對于胰島素注射的依賴。這一試驗的最后一道障礙是如何在不受免疫系統(tǒng)破壞的前提下實現(xiàn)細胞植入。

       為此，Douglas Melton創(chuàng)建了一家生物技術(shù)公司Semma Therapeutics，旨在開發(fā)一種特殊的“育兒袋”（pouch）——將ES來源的胰島β細胞置于其中（保證營養(yǎng)物質(zhì)可以進入、胰島素可以釋放），同時避免免疫系統(tǒng)的攻擊。他計劃在3年內(nèi)啟動臨床試驗。

       在臨床應(yīng)用領(lǐng)域，許多科學(xué)家認(rèn)為iPS細胞最終會戰(zhàn)勝ES細胞。一個潛在的優(yōu)勢是，iPS細胞可以分化出于患者自身遺傳背景相同的細胞/組織，在移植時可以避免免疫排斥。但是，對于大多數(shù)遺傳性疾病而言，來源于患者本身的iPS細胞同樣包含多種突變。而且基于iPS細胞的治療策略面臨時間和成本問題，需要投入近百萬美元的費用用于細胞培養(yǎng)和檢測，患者需要等待11個月才能進行移植手術(shù)。

       迄今為止，醫(yī)學(xué)界僅完成一例iPS細胞治療臨床試驗——由日本RIKEN中心的眼科醫(yī)生Masayo Takahashi團隊于2014年完成，旨在治療黃斑變性。隨后，臨床試驗因多種原因而中止。2017年，Masayo Takahashi團隊宣布重新啟動相關(guān)研究，不同的是他們使用的誘導(dǎo)性多能干細胞來源于捐贈的細胞，即世界首例異體誘導(dǎo)性多能干細胞移植試驗。讓人忐忑的是，這一試驗在今年1月再次遇到“坎坷”——其中一名患者眼睛中出現(xiàn)一種薄膜，必須經(jīng)過手術(shù)切除。

       黃斑變性眼疾一直是胚胎干細胞治療的熱門，包括美國、英國、韓國、中國和以色列在內(nèi)，至少有6項臨床試驗正在進行中。3月19日，由眼科專家Pete Coffey帶領(lǐng)的團隊發(fā)布了最新成果：他們將來源于胚胎干細胞的視網(wǎng)膜色素上皮細胞植入兩名患者的眼睛中，一年后，雖然速度很慢，患者重獲閱讀機會。

       梅奧診所的眼科專家Alan Marmorstein評價這一研究為ES領(lǐng)域的“重大突破”。他表示：“10年前，我們以為，只需要將細胞植入進入，它們知道怎么做。但是事實并非如此，我們需要以適當(dāng)?shù)姆绞郊右钥刂啤?rdquo;

       很多學(xué)者推測，干細胞領(lǐng)域的下一個重大臨床突破將是帕金森治療。這一疾病主要源于多巴胺的缺失，有6家公司和診所正試圖利用ES細胞或者iPS細胞取代分泌多巴胺的神經(jīng)元。

       一個關(guān)鍵的問題是，在移植之前，多能干細胞應(yīng)該在分化、成熟的道路上“走多遠”？澳大利亞、中國有團隊曾先后開始研究使用未成熟的神經(jīng)前體細胞（不產(chǎn)生多巴胺），結(jié)果顯示，這種“不成熟”有助于細胞在移植后融入患者大腦。但是，也有研究團隊表示，使用更成熟的細胞（用于生產(chǎn)分泌多巴胺的神經(jīng)細胞）更為可靠。

       下一步

       胚胎干細胞研究仍然有巨大的空間，當(dāng)然也面臨著很大的障礙，例如許多成體細胞無法獲得。Douglas Melton預(yù)估，胚胎干細胞目前只能分化出約10種具備正常功能細胞類型。另外一些具有深遠意義的細胞，例如卵細胞、精細胞，依然是一個挑戰(zhàn)。

       除了技術(shù)障礙之外，ES研究還面臨著資金的不確定性。美國前總統(tǒng)Barack Obama曾在其上任之初就解除了胚胎干細胞研究的限令。然而，隨著第45任美國總統(tǒng)Donald J. Trump的當(dāng)選，是否對胚胎干細胞研究施加新的限制一直未有定數(shù)。

       不可否認(rèn)的是，胚胎干細胞的價值一再被證實，它是解析細胞多能性、改善再生醫(yī)學(xué)、助力細胞治療的重要元件。未來，它將會帶來更多的驚喜，我們拭目以待！

       參考資料：

       How human embryonic stem cells sparked a revolution

點擊下圖，即刻登記觀展！