經歷道德考驗 人類胚胎幹細胞如何引發了一場革命

20年來，人類胚胎幹細胞的研究與試驗一直備受爭議，有人對此樂觀且抱有期望，而有人卻表示擔心，但這些研究不僅重塑了生物學的概念，還開始了向臨床實踐的邁進！

出品|網易科學人欄目組 翟中超

圖註：源自人類胚胎幹細胞的神經玫瑰花結。（圖/洛克菲勒大學）

1998年，湯姆森在體外受精5天的人囊胚中成功分離出人類胚胎幹細胞，就在同一年，迪特爾·埃格利也開始就讀研究生學業。自1998年後近20年來，胚胎幹細胞一直是迪特爾·埃格利研究的對象。埃格利現在是哥倫比亞大學的生物學家，他一直在探索如何將成體幹細胞中的脫氧核糖核酸重新編輯成胚胎狀態，此外他還在整理並解決糖尿病發展及治療中遇到的問題。埃格利甚至還協助培養出一種全新的人類胚胎幹細胞，將這種新的幹細胞作為研究對象，研究起不同的人體基因就會變得相對簡單些。

*脫氧核糖核酸：deoxyribonucleic acid，DNA.

迪特爾·埃格利的研究範圍比較廣泛，這確立了他在胚胎幹細胞生物學方面的帶頭人角色。這一研究領域面臨諸多挑戰，比如說資金有限，比如說還會面臨倫理上的負擔。儘管有許多限制，但現在很多人意識到胚胎幹細胞的研究具有重大意義。「研究胚胎幹細胞是一件令我激動的事，這些研究會帶來前所未有的發現，而這些發現將改變人類的生活，我對此深信不疑。」埃格利說道。

胚胎幹細胞在早期發育階段提供了非常重要的信息。宇宙之大包羅萬象，天文學家會通過回顧宇宙大爆炸來探尋其中的奧秘；單一的原始細胞能變成數以萬億計的細胞，而且還能呈現出令人眼花繚亂的形式和功能，於是生物學家就通過仔細搜尋翻檢胚胎幹細胞中的細節來尋找上述變化的蛛絲馬跡。科學家已經學會了如何將這些細胞轉化成數十種成熟細胞類型，這些轉化後的細胞可以在身體中發展成各種組織和器官。這樣一來就藉此進行藥物測試，還能充當疾病模型，並且越來越多地被當成一種治病療法。2010年，人們開始嘗試用胚胎幹細胞修復脊椎損傷，自此以後，由胚胎幹細胞生成的細胞已經進行了十多次臨床試驗，比如說嘗試治療帕金森病和糖尿病以及其他病症。早期結果顯示一些方法是有用的，比如說，本周發布的一篇期待已久且令人振奮的報告，該報告顯示兩名老年性黃斑病變患者的視力通過此療法得到了改善。

「在某種意義上說，這一成果並不令人驚訝，因為20年我們就預料到了，但是當預言真真正正變成現實時我仍然感到很驚喜！」埃格利說道。

試驗的開始

1981年，研究人員設法從小鼠胚胎中培養幹細胞。科學家很快就認識到幹細胞的研究潛能，這些細胞既能自我複製又能成為人體200多種細胞類型中的任意一種！但正是因為它太厲害了，所以也就帶來很大的爭議，在靈長目動物身上進行試驗也就變得很困難。威斯康星大學麥迪遜分校的生物學家詹姆斯·湯姆森花了14年時間才得以在猴子身上進行了試驗。1998年，湯姆森利用不孕治療中尚未使用過的捐贈胚胎又一次開創了驚人之舉，他培養出世界上第一例人類胚胎幹細胞系！

這一發現引發了一場道德風暴。批評聲大多來自宗教圈，他們認為胚胎是人類生命的最初形式，因此想阻止任何涉及破壞胚胎的研究。2001年，美國總統喬治·沃克·布希限制政府對當時進行的一些胚胎幹細胞系的研究提供資助。但這一措施沒能阻止科學家的步伐，抱定決心仍要繼續研究的科研人員開始向私人或州政府尋求資金支持，他們想籌錢再辦一個實驗室。其中一個實驗室進行胚胎幹細胞研究，另一個實驗室就進行由聯邦政府提供資金的研究項目。在其他國家，比如說德國和義大利，完全禁止了培養胚胎幹細胞的研究。

儘管如此，另外一些國家並沒有停止這項研究。澳大利亞、新加坡、以色列、加拿大和美國等國的研究人員不久發布報告稱他們已經成功地將胚胎幹細胞轉化成了神經細胞、免疫細胞和心臟細胞。

生物學上有個專有名詞叫做體細胞核移植，這是動物細胞工程技術中常用的技術手段，這種技術又稱體細胞克隆。科研人員討論了利用這種技術從胚胎中提取幹細胞的計劃。體細胞核移植技術就是把體細胞核移入去核卵母細胞中，使其發生再程序化並發育為新的胚胎，這個胚胎最終發育為動物個體，用核移植方法獲得的動物稱為克隆動物，比如說多利羊。這種「治療性克隆」的基本原理就是提供與細胞供體DNA相同的動態細胞，而且要保證這種動態細胞有個無限的來源。科學家開始討論研究複雜的遺傳病，他們還設想像換汽車零件一樣更換人體失靈的器官和組織。剛開始他們就犯了幾個錯誤，尤其是在2005年，比如韓國科學家謊稱自己利用體細胞克隆技術成功地分離出幹細胞。但到了2013年，由美國俄勒岡州健康與科學大學幹細胞研究員舒克拉特·米塔利波夫領導的一個團隊終於首次成功實現了人類胚胎幹細胞克隆。

在最初的15年里，不管怎樣，很多胚胎幹細胞研究都集中在利用幹細胞來理解多能性。多能性就是指幹細胞具有成為任何類型的細胞的神奇能力。一點一點地，科學家們一直在拼接分子途徑以使該技術成為可能。「我們從胚胎幹細胞中學習了解了多能性，」米塔利波夫說道。

這一研究為21世紀第一個10年的再生醫學和生物研究領域的最大創新做出了貢獻：科學家發現了誘導性多能幹細胞。2006年，幹細胞生物學家山中伸彌在日本京都大學僅使用4個轉錄因子就將成年小鼠的幹細胞恢復到類胚胎狀態。接下來的一年，山中伸彌和湯姆森在人體細胞中也取得了同樣的成就。從理論上講，這一過程所帶來的潛在回報與治療性克隆是一樣的。治療性克隆就是無限供應在基因上與病人匹配的多能細胞，這種方法的最終目的是用於幹細胞治療，而非得到克隆個體，其目的不是將胚胎培育成人，而是為了提取全能型的胚胎幹細胞，然後在合適的條件下使其發育成為人體的任何一個器官或組織並將用於醫療。治療性克隆已獲得不少國家的默許，相對而言沒有倫理困境。

許多人預測，誘導性多能幹細胞將很快取代胚胎幹細胞在研究領域的地位，但這一預言並未成為現實。在2006年之後，關於胚胎幹細胞的論文發表數量一直保持著較高的數字，比如說，自2012年以來，每年發表的相關論文就有2000份左右。胚胎幹細胞是研究人員比較誘導性多能幹細胞的黃金標準，這是論文較多的部分原因。中國科學院動物研究所的幹細胞生物學家周琦表示自己擔心誘導性多能幹細胞會導致腫瘤，正是這種擔心使他用胚胎幹細胞進行了十多次臨床試驗。

很多關於胚胎幹細胞的研究都是為了讓它們更容易使用。一開始獲取的過程就十分複雜：需要在極短的時間內從培養的細胞中抽取出後再生長成一個新的種群。不過有些進展已經改變了這種情況。比如說，2007年，日本神戶發展生物學中心的科學家笹井芳樹發現了一種叫做ROCK抑制物的分子，這種分子可以使胚胎幹細胞在從菌落中被移除時保持活力。隨後科學家創造新的菌落的成功率猛漲至27%。「這一突破從根本上改變了你能做哪些事，」來自瑞典隆德大學的細胞生物學家馬林·帕馬說道。帕馬正在利用胚胎幹細胞獲取神經元，他在為一例帕金森病臨床試驗進行這項研究。帕馬錶示這樣的技術進步為胚胎幹細胞研究開闢了一個「新的黃金時代」。

這些細胞現在可以被快速、可靠且無限地生產出來。但是正如一些人擔心的那樣，他們還是避免不了癌症的發生。「我們仍然不清楚它們是如何保持這種平衡的，」東京大學幹細胞生物學家中內啟光說道。中內啟光一直在嘗試從胚胎幹細胞和誘導性多能幹細胞中獲得無限量的血小板供應。

多樣化的時間到了

研究人員也在嘗試培育器官。只要有合適的信號分子和三維環境，胚胎幹細胞就能組成類器官的複合組織，這一過程甚至在培養皿中就可實現。詹姆斯·威爾斯是俄亥俄州辛辛那提兒童醫院的研究人員，上邊剛提到的那種能力對他而言就很要要。威爾斯正在開發用於測試藥物的腸道類器官，或許有一天這種類器官還能進行移植！?

胚胎幹細胞的新來源為遺傳疾病充當了研究工具。比如說，在2004年，芝加哥的不孕不育科醫生開始從體外受精產生的胚胎（被選的胚胎具有遺傳缺陷，因此之下胚胎不符合不育治療的要求）中製作胚胎幹細胞系。這就使研究小組得以創建地中海貧血症、亨廷頓氏舞蹈病、馬凡氏綜合征、肌肉萎縮症和其他遺傳疾病的細胞模型。2007年，研究人員用胚胎幹細胞阻止了在可遺傳條件下導致認知障礙的某種疾病的分子變化，這種疾病就是脆性X染色體綜合征。

研究人員表示誘導性多能幹細胞對於研究培養皿中的疾病甚至有著更廣闊的的前景，換句話說，誘導性多能幹細胞有能力從任何有潛在遺傳疾病的活人身上培育出幹細胞。但是很多研究者仍然認為在這一領域胚胎幹細胞有很強的潛力。一些條件下會對成體幹細胞造成損害，這會使源自這些細胞中的誘導性多能幹細胞不具有任何信息。所以胚胎幹細胞仍然具有輔助作用。

再舉個例子，2008年，哈佛大學的凱文·伊根從患有肌萎縮性脊髓側索硬化症這一神經退行性疾病的患者身上製造出誘導性多能幹細胞系。從之前的胚胎幹細胞的研究中，伊根知道如何將多能幹細胞誘導成運動神經元，也就是受疾病影響的腦細胞。當他對病人衍生出的誘導性多能幹細胞做同樣的事情時，他就能快速比較這兩種細胞。來自病人的細胞比沒有疾病的人的細胞更容易出問題。「我們利用了所有我們在胚胎幹細胞上所做的工作來理解運動神經元，」現在說道。現在，一種能夠平息從患者身上產生的誘導性多能幹細胞的抗癲癇葯正在人類身上進行測試，而測試結果預計將在未來兩個月內公布。

耶路撒冷希伯來大學的埃格利和尼西姆顛覆了人們長期以來的人類生物學概念，因為他們僅用正常染色體數目的一半就衍生出了胚胎幹細胞系。研究人員現在開始在這些「單倍體」胚胎幹細胞上使用基因編輯工具來了解基因在發育中的作用。「因為他們只有一組基因需要擔心，這些細胞可以提供更直接的結果，」埃格利說道。

利用胚胎幹細胞進行的疾病研究的進展並不總是順利的。哈佛大學幹細胞研究所的道格拉斯麥爾登將胚胎幹細胞轉化成功能β細胞花了15年時間！β細胞這種胰臟細胞能感知到葡萄糖併產生胰島素。而且他根本找不到正常胚胎幹細胞和誘導性多能幹細胞產生的胰臟細胞與1型或2型糖尿病患者產生的胰臟細胞有和差別。「我們知道有易感性基因，但這並不意味著你能在體外看到它，」麥爾登說道。

黃斑變性重見光明

麥爾登仍然計劃繼續研究從胚胎幹細胞中制出的β細胞。麥爾登希望將β細胞移植到1型糖尿病患者身上以結束病人對胰島素注射的依賴，即使不能徹底結束，他也希望至少能減少對胰島素注射的依賴。這項工作的最後一項障礙就是引入細胞，這樣它們就不會被免疫系統破壞掉。麥爾登在美國馬薩諸塞州波士頓都市區劍橋市成立了一家名為Semma Therapeutics的公司，該公司旨在通過將細胞放在一個小袋裡來保證引入的細胞不受免疫系統的破壞，這種袋子可以允許留下養分並釋放出胰島素，但這種方法會阻斷免疫細胞的通路。他希望在3年內開始臨床試驗。加州聖地亞哥的ViaCyte公司在重新設計了封裝技術後剛剛重啟了一個類似的臨床試驗，這項試驗在2014年就啟動過。還有其他公司，如丹麥著名製藥公司諾和諾德公司就利用從胚胎幹細胞中衍生的細胞啟動了相關糖尿病項目計劃。

在臨床領域，很多人認為誘導性多能幹細胞會最終勝過胚胎幹細胞。誘導性多能幹細胞一個潛在的優勢就是它們可以產生與患者DNA相同的細胞和組織，因此，移植後也就不會引起免疫反應。但對於1型糖尿病在內的大多數遺傳疾病來說，從病人體內產生的誘導性多能幹細胞會含有引發問題的突變，因此不得不對這些細胞進行修改才能產生治療的益處。

然後就是成本問題。「為臨床應用準備一個單誘導性多能幹細胞系大概會花費100萬美元，」位於加州拉荷亞的斯克利普斯研究所的幹細胞生物學家珍妮·勞瑞說道。如果目標是使用患者自己的細胞，那麼這個價格目前而言還是高的令人難以接受。但勞瑞認為價格將會下降。勞瑞現在正致力於開發誘導性多能幹細胞以作為治療帕金森病的一種療法。

到目前為止，研究人員利用從誘導性多能幹細胞中提取的細胞啟動了一項人體試驗。日本研究所發育生物學中心的眼科醫生高橋雅代領導的一個研究小組，他們旨在治療黃斑變性，但在2014年該研究有了停頓，因為研究人員決定簡化程序並使用捐贈者衍生的幹細胞，在此前他們使用的是病人的幹細胞。2017年這項研究重新啟動了，但在一月份又遇到了另一個障礙，因為在試驗參與者眼中培育發展的一層膜質出現問題，必須通過手術移除。

黃斑變性是胚胎幹細胞療法所要解決的的一個常見病症。在美國、英國、中國、以色列和韓國至少已經進行了6個相關臨床試驗。3月19日，倫敦治療盲症工程和加州大學聖芭芭拉分校主任、眼科醫師皮特·科菲領導的一個研究團隊報道了一項研究的結果，該研究將一片由胚胎幹細胞製成的細胞植入到了兩個患者受損的視網膜中。術後一年，儘管閱讀速度比較慢，但兩名參與者終於重新看清的字體！

*倫敦治療盲症工程：LondonProject to Cure Blindness.

艾倫是明尼蘇達州羅徹斯特市梅約診所的眼科醫生，他稱這是該領域的「一大進步」。「這是頭一次在人體中實現出如此強勁的功效，這一成果必定會支持身體其他部位的進一步研究，」他說道。科菲表示由於科學家正在研究出如何將這些細胞以最佳方式植入體內，所以這些突破終於到來了。「10年前，我們的想法很簡單，『你只需把細胞放進去，然後細胞會知道自己該怎麼做』。這種想法是錯誤的，我們必須以適當的方式對這些細胞加以控制。」幹細胞領域的很多人打賭胚胎幹細胞領域下一個重大突破將會是帕金森病的治療。帕金森病是由神經遞質多巴胺的缺失引起的，6家公司和診所正準備用胚胎幹細胞或誘導性多能幹細胞來替代分泌多巴胺的神經細胞。

一個至關重要的問題是，在移植之前，多能幹細胞應該處在一個什麼狀態。澳大利亞在2016年開始了一項試驗，中國在2017年也開始了一項試驗，這兩個試驗都利用未成熟的神經前體細胞進行試驗，這種前體細胞不產生多巴胺。研究人員稱，這些細胞的不成熟將幫助它們在移植中存活下並整合融入到新主人的大腦中。但有些研究人員給出了不同的看法，一個名為GForce-PD的幹細胞研究團隊內的許多帶頭人表示他們使用更成熟的細胞生成的能夠生產多巴胺的細胞表現的更加可靠，而且失控的可能性更小。

替代動物試驗的前景

如果能克服前方的障礙，胚胎幹細胞研究仍然有發展的空間。一大問題是許多細胞類型的生產就是一項挑戰。麥爾登估計，到目前為止，只有大約10個細胞類型和正常的人體細胞具有真正的功能對等。還有一些應用會產生深遠影響，比如說卵細胞和精子，在可預見的未來，這仍將是一個挑戰。

該領域還面臨資金的不確定性。科學家們最近經常會聽到有關美國總統唐納德·特蘭普可能會對投入胚胎幹細胞研究的聯邦資金進行新的限制的傳聞。

儘管在以往的研究中有時會出現不穩定的情況，但許多研究人員表示胚胎幹細胞已經多次證明了自身的價值，有時它們展示價值的方式可謂出人意料。一些科研人員甚至減少了對動物模型的使用，因為在研究人類疾病時胚胎幹細胞似乎能提供更好的路徑。「我的格言就是研究人類疾病自然要用人來做試驗，」麥爾登說道。

山中伸彌表示胚胎幹細胞是自己研究誘導性多能幹細胞的動力。湯姆森培養出了人類胚胎幹細胞，這就使得人們可以用人類誘導性多能胚胎幹細胞來代替小鼠進行試驗，這只用了1年時間就完了了這種轉變。而從小鼠的胚胎幹細胞轉到人類的幹細胞卻花了將近20年的時間。「我們清楚地知道我們非常應該培養人類誘導性多能幹細胞，」山中伸彌說道。

山中伸彌表示，「為了更好地理解多潛能的機制、為了改進多能細胞的醫學應用，胚胎幹細胞在如今也同樣重要。人類胚胎幹細胞的重要性不亞於20年前，而且未來前景更加廣闊。」

最後

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