“细胞点金术”改变世界

我们已经掌握了这项技术，我们需要让人们正确使用它。

山中伸弥因编辑成熟细胞使其达到胚胎状态而获得诺贝尔奖。安迪·波兹地图

"我们已经发展了一个群体。"

山中伸弥惊讶地看着一位博士后研究员。"我们已经发展了一个群体。"高乔和莱利又说了一遍。山中伸弥从桌子后面跳了起来，跟着高乔和李来到日本京都大学的组织培养室。他们在显微镜下看到一小群细胞。这是他们过去五年工作的结果。山中伸弥甚至不确定他们是否能实现这个目标。

两周前，高乔和李从成年老鼠身上提取皮肤样本，用病毒感染它们，引入24个精心选择的基因。现在，那些细胞已经改变了。它们看起来像胚胎干细胞。胚胎干细胞也被称为“多能”细胞。它们有能力发育成皮肤、神经、肌肉或任何其他细胞类型。山中伸弥盯着他面前的“细胞炼金术”实验。“当时，我想‘一定出了什么问题’。”他回忆道。他让高乔和利一遍又一遍地重复这个实验。但是每个实验都成功了。

在接下来的两个月里，高乔和赖利将相关基因的数量减少到4个，以追溯组织发育的时间。2006年6月，山中伸弥在加拿大多伦多举行的国际干细胞研究协会年会上公布了这项研究的结果，这让许多科学家感到惊讶。他称这些细胞为“类胚胎干细胞”，后来称之为诱导多能干细胞。“很多人不相信。”麻省理工学院的生物学家Rudolf Jaenisch说。然而，Jaenisch相信山中伸弥，并认为这项研究是一项“原创且精彩”的成就。

这些细胞为再生医学带来了新的前景:研究人员可以将人类皮肤、血液或其他细胞编辑成诱导多能干细胞，然后用它们来培养肝细胞、神经元或任何治疗疾病所需的组织。这种个性化治疗将避免免疫排斥的风险和使用胚胎细胞的伦理风险。

但是10年后，诱导多能干细胞的最初目标在某种程度上发生了转变，因为这些疗法已经被证明难以实施。仅一人接受治疗后，使用诱导多能干细胞的临床试验于2015年终止。但是诱导多能干细胞以另一种方式展示了这项技术的影响。它们已经成为模拟和研究人类疾病以及筛选药物的重要工具。

尽管如此，该领域仍在经历增长的痛苦。随着越来越多的实验室采用诱导多能干细胞，研究人员仍在努力保持一致性。"最大的挑战是让每个人在质量控制上达成共识。"加利福尼亚斯克里普斯研究所的干细胞生物学家珍妮·洛林说，“我们已经掌握了这项技术，我们需要人们正确使用它。”

从皮肤到眼睛

在展示他们的研究成果六周后，山中伸弥、高乔和利发表了负责刺激成人细胞重编程的基因身份:Oct3/4、Sox2、Kl4和c-Myc。第二年，包括山中伸弥在内的三个实验室证实了研究结果，并改进了基因改造方法。六个月后，威斯康辛州立大学山中伸弥分校的生物学家詹姆斯·汤姆逊重新编辑了人类成年细胞。然后世界各地的实验室蜂拥而至，到2009年底，大约有300篇关于诱导多能干细胞的论文发表了。

到2012年，当山中伸弥因这一成就分享诺贝尔生理学或医学奖时，世界上第一个基于诱导多能干细胞的人类临床治疗已经计划好了。当山中伸弥首次发表他的基因再编辑方法时，日本物理和化学研究所(RIKEN)发展生物学中心(CDB)的眼科专家高桥正戴一直在尝试基于胚胎干细胞治疗视网膜疾病。她很快转向诱导多能性细胞，并最终与山中伸弥合作。

2013年，该团队从两名年龄相关性黄斑变性(一种可导致失明的眼病)患者的皮肤细胞中提取诱导多能干细胞，并将其用于培养视网膜色素上皮(RPE)细胞层进行临床试验。不久之后，CDB的研究人员使用另一种细胞编辑技术获得刺激触发多能性获得(STAP)细胞，该细胞因涉嫌学术不端而受到调查。尽管这一事件与iPS细胞临床试验无关，但它造成的混乱阻止了高桥的政治一代继续研究。"这件事在我的领域引起了轩然大波。"她说。然而，她的团队仍在坚持这项研究。2014年9月12日，医生将第一层视网膜色素上皮移植到一名70岁女性患者的右眼中。高桥正大说，这种疗法防止了病人的黄斑变性，提高了他的视力清晰度。

然而，当实验室准备进行第二次临床实验时，山中伸弥的团队发现了从两名患者身上获得的诱导多能干细胞和视网膜色素上皮细胞的细微遗传变异。没有迹象表明这些突变与肿瘤形成有关。然而，“为了确保安全”，山中伸弥建议高桥*推迟第二次临床试验。她做到了。

加州大学戴维斯分校的干细胞生物学家保罗·克诺弗勒说，实验的中止也阻碍了对该领域感兴趣的其他研究人员。“全世界都在关注它将如何发展。”然而，英国牛津大学干细胞管理和生产专家大卫·布林德利说，诱导多能干细胞在临床应用中面临困难并不罕见。一项科学发现需要大约20年才能进入临床和商业应用，因此诱导多能干细胞“也遵循着同样的轨迹”。

提高技术准确性

尽管iPS细胞疗法遭遇挫折，但其他领域的技术研究正在蓬勃发展。Knoepfler说，制造诱导多能干细胞的方法“比五年前更先进、更精确”。

然而，大多数重新编辑技术效率低下:只有少数单元格被成功编辑。像所有细胞系一样，诱导多能性细胞的每个细胞系之间也有差异。这使得在实验中很难控制。

纽约洛克菲勒大学的神经科学家马克·特斯西尔-拉维涅和纽约干细胞基金会的同事在使用早期阿尔茨海默病和额颞叶痴呆患者组织样本中产生的诱导多能干细胞进行研究时，面临着这一挑战。他们很快意识到，患者的诱导多能干细胞应该与健康对照组中的诱导多能干细胞进行比较，这可能是由于遗传背景或基因表达的差异，而这些细胞在培养皿中的表现是完全不同的。“所以我们专注于基因编辑。”特斯西尔-拉维涅说。

近年来，CRISPR-Cas9基因编辑技术非常流行。它使研究人员能够将疾病相关的突变引入诱导多能干细胞样本，并将其与原始未经编辑的细胞系进行比较。Jaenisch的实验室使用CRISPR-Cas9和诱导多能干细胞。"我们可以做任何想要的基因编辑操作."他说。

事实证明，更精确的新基因编辑方法非常有价值。例如，今年4月，来自特斯西尔-拉维涅实验室的两名研究人员展示了一项技术，该技术可以使用CRISPR将特定位点的基因突变引入诱导多能干细胞，并只编辑一个基因的单一拷贝，而不是两个。这使他们能够产生与阿尔茨海默病相关基因突变的精确结合物，并研究疾病的影响。

但是由于诱导多能干细胞与胚胎细胞相似，所以在研究迟发性疾病如痴呆症时，它们就不那么理想了。因此，研究人员正在探索新的方法来增加对细胞的压力或引入允许细胞过早成熟的蛋白质。“这是一个尚未解决的合理问题，但有一系列方法可以尝试解决它。”特斯西尔-拉维涅说。

还有很长的路要走

事实证明，诱导多能性细胞能够模拟人体的早期发育，这在其他领域也很有价值，比如发现感染寨卡病毒的孕妇是否会导致小头畸形，以及其作用机制是什么。马里兰州约翰·霍普金斯大学的神经学家李明和他的同事使用诱导多能干细胞建立了类似大脑的组织(类似于发育中器官的三维组织)。当研究人员将其暴露于寨卡病毒时，他们发现病原体会感染新形成神经元的神经干细胞，导致更多的神经干细胞死亡和皮质神经元体积的减少，类似于小头畸形。

其他研究团队已经使用诱导多能干细胞构建了微肠道、微肝脏和其他器官，与诱导多能干细胞相关的疾病的发现仍在逐渐增加。这些包括青光眼中的基因复制如何导致神经细胞群的死亡，以及与亨廷顿氏病相关的遗传和细胞突变。

此外，诱导多能干细胞在药物发现方面也有一些成功的应用。这种方法提供了大量来自患者的细胞，可用于筛选和检测实验药物。例如，2012年，从神经细胞发育疾病患者收集的细胞中产生的神经干细胞被用于筛选近7000个小分子，并鉴定出一种治疗该疾病的潜在药物。

目前，该领域正集中于通过检查基因组、基因表达模式和其他信息来系统地鉴定细胞系的身份和安全性。今年3月，剑桥欧洲诱导多能干细胞库推出了一个标准化诱导多能干细胞指数，可用于疾病建模。Shinya yamanaka也参与储存iPS细胞以备将来治疗。

然而，他说未来最大的挑战不是科学。研究人员需要制药行业和*的大力支持来促进细胞疗法。对于药物发现和疾病建模，研究人员必须坚持不懈，耐心等待。他说诱导多能干细胞只会缩短药物发现的过程，不会跳过这个过程。“没有魔法。无论是使用iPS细胞还是任何其他新技术，都还有很长的路要走。”(红枫)

《中国科学报》(2016-07-19，第三版国际版)

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