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20年間,胚胎幹細胞的「革命之路」|Nature長文

20年間,胚胎幹細胞的「革命之路」|Nature長文

由胚胎幹細胞分化而來的神經群,在培養基中聚集成球狀。圖片來源:Brivanlou Lab/Rockefeller University

胚胎幹細胞(ES)為生命的早期發育提供了豐富的信息。類似於天文學家們回顧宇宙大爆炸,生物學家們也傾向於在這類細胞中尋找生命起源的秘密。科學家們將胚胎幹細胞培育成多種不同類型的成熟細胞,構成機體不同的組織和器官用於測試藥物、構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年嘗試修復脊髓損傷開始,目前已有十多個基於ES細胞來源的細胞臨床試驗正在進行中,用於治療帕金森症、糖尿病等多種疾病。今年3月,一項發表於《Nature Biotechnology》期刊的文章揭示了利用來源於胚胎幹細胞的視網膜色素上皮細胞治療年齡相關性黃斑變性眼疾的臨床試驗的安全性和可行性。

「胚胎幹細胞一直讓我很興奮。它們會帶來前所未有的新發現,並有著改變生命的意義。我對此毫不懷疑。」 哥倫比亞大學教授Dieter Egli強調道。他帶領團隊利用胚胎幹細胞探索來源於成熟細胞的DNA經過重編程「還原」至胚胎狀態的可能,為糖尿病診療帶來新線索。2016年,Dieter Egli在《Nature》期刊發表重要研究,開發出一種全新的人類胚胎幹細胞(只攜帶一半數量的染色體),簡化對人類基因組的研究。

試探性的開端

1981年,科學家成功從小鼠胚胎中提取出幹細胞,並實現體外培養。很快,他們見識到幹細胞的潛能:無限複製、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並不容易實現。

威斯康星大學麥迪遜分校的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建出世界首份人類胚胎幹細胞系。

然而,這一研究引發了一場「道德風暴」——以宗教界為主的批評人士認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George W. Bush嚴格限制對胚胎幹細胞的研究。與此同時,包括德國、義大利在內的國家也對其發布了禁令。

儘管如此,科學並未停止步伐。來自於澳大利亞、新加坡、以色列、加拿大和美國等多個國家的科學家們先後證實,胚胎幹細胞可以分化形成神經元、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幹細胞,例如從體細胞核移植(創建多莉羊的克隆技術)來源的胚胎中提取幹細胞。雖然經歷了2005年黃禹錫「利用體細胞克隆出與患者基因相吻合的11種特製型胚胎幹細胞」造假事件的影響,俄勒岡健康與科學大學的幹細胞研究團隊最終在2013年證實了從克隆胚胎中提取出幹細胞的可行性。

強有力的競爭對手

最初的15年,大多數針對胚胎幹細胞的研究都集中於其多向分化的功能,並找到了多能性的關鍵,由此而奠基了誘導性多能幹細胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)的出現。

20年間,胚胎幹細胞的「革命之路」|Nature長文

圖片來源:Chris Goodfellow/Gladstone Inst.

2006年,日本京都大學的山中伸彌團隊成功利用病毒載體將4個轉錄因子轉入成年老鼠的皮膚細胞中,使其重編程並獲得一簇類似於胚胎幹細胞(ESCs)的新型細胞,由此打開了誘導性多能幹細胞的研究大門。隨後一年,山中伸彌和James Thomson教授合作,成功將人類成體細胞誘導成多能性幹細胞,並因此入選Science年度十大科學突破。

理論上,iPSCs提供了一種可與患者基因匹配的個性化醫療潛能,降低免疫排斥風險的同時還繞開了使用胚胎幹細胞引發的倫理道德問題。當時不少人預測,iPSCs將很快取代胚胎幹細胞的研究地位。

然而,預言並沒有發生。2006年後基於胚胎幹細胞的學術文章迅速增長,尤其是2012年之後每年的論文數量平均增長約2000篇。相比於iPSCs,胚胎幹細胞被認為是「黃金標準」。

即便是現在,iPSCs依然有很多未知。中國科學院幹細胞研究首席科學家周琪院士認為iPSCs存在致瘤風險,所以他更傾向於利用胚胎幹細胞來源的體細胞進行臨床試驗。

應用價值

利用胚胎幹細胞培育出所需的細胞並不容易,最初這一操作的成功率不足1%。2007年,日本RIKEN發育生物學中心的Yoshiki Sasai團隊發現一種抑制因子——ROCK,可以維持胚胎幹細胞的活性,避免其死亡。伴隨著這些進展,胚胎幹細胞分化出特定成熟細胞的成功率提高至27%。「這些技術促使ES細胞進入『黃金時代』。」 瑞典隆德大學的細胞生物學家Malin Parmar肯定道。

除了分化出所需的成熟細胞之外,胚胎幹細胞還有很多應用潛能:培育特定的類器官,用於藥物篩選、疾病致病機理研究。給予3D環境、正確的信號通路,胚胎幹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幹細胞攜帶有遺傳缺陷不得不終止生育應用,芝加哥醫生團隊開始以其為材料,構建與地中海貧血、亨廷頓氏病、肌肉萎縮症等遺傳病的細胞模型。2007年,他們利用胚胎幹細胞篩選到引發認知損傷(由脆性X染色體綜合征導致)的分子突變。

哈佛幹細胞研究所的Douglas Melton耗時15年將胚胎幹細胞培育成功能性的胰島β細胞(感知葡萄糖水平並分泌胰島素)。但是Douglas Melton並沒有在正常ES來源的胰島細胞與iPS細胞(來源於糖尿病患者)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,但是這並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試圖將來源於胚胎幹細胞的胰島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於胰島素注射的依賴。這一試驗的最後一道障礙是如何在不受免疫系統破壞的前提下實現細胞植入。

為此,Douglas Melton創建了一家生物技術公司Semma Therapeutics,旨在開發一種特殊的「育兒袋」(pouch)——將ES來源的胰島β細胞置於其中(保證營養物質可以進入、胰島素可以釋放),同時避免免疫系統的攻擊。他計劃在3年內啟動臨床試驗。

在臨床應用領域,許多科學家認為iPS細胞最終會戰勝ES細胞。一個潛在的優勢是,iPS細胞可以分化出於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,對於大多數遺傳性疾病而言,來源於患者本身的iPS細胞同樣包含多種突變。而且基於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於細胞培養和檢測,患者需要等待11個月才能進行移植手術。

迄今為止,醫學界僅完成一例iPS細胞治療臨床試驗——由日本RIKEN中心的眼科醫生Masayo Takahashi團隊於2014年完成,旨在治療黃斑變性。隨後,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研究,不同的是他們使用的誘導性多能幹細胞來源於捐贈的細胞,即世界首例異體誘導性多能幹細胞移植試驗。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一種薄膜,必須經過手術切除。

黃斑變性眼疾一直是胚胎幹細胞治療的熱門,包括美國、英國、韓國、中國和以色列在內,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帶領的團隊發布了最新成果:他們將來源於胚胎幹細胞的視網膜色素上皮細胞植入兩名患者的眼睛中,一年後,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,它們知道怎麼做。但是事實並非如此,我們需要以適當的方式加以控制。」

很多學者推測,幹細胞領域的下一個重大臨床突破將是帕金森治療。這一疾病主要源於多巴胺的缺失,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元。

一個關鍵的問題是,在移植之前,多能幹細胞應該在分化、成熟的道路上「走多遠」?澳大利亞、中國有團隊曾先後開始研究使用未成熟的神經前體細胞(不產生多巴胺),結果顯示,這種「不成熟」有助於細胞在移植後融入患者大腦。但是,也有研究團隊表示,使用更成熟的細胞(用於生產分泌多巴胺的神經細胞)更為可靠。

下一步

胚胎幹細胞研究仍然有巨大的空間,當然也面臨著很大的障礙,例如許多成體細胞無法獲得。Douglas Melton預估,胚胎幹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。

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

不可否認的是,胚胎幹細胞的價值一再被證實,它是解析細胞多能性、改善再生醫學、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:

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