干细胞技术开创未来辅助生殖新局面

日本研究人员利用尖端技术在实验室生产卵子和精子。现在科学家必须决定如何安全和合乎伦理地使用这些细胞。资料来源:VIKTOR KOEN

自去年10月以来，分子生物学家林木胜子收到了许多电子邮件，其中大多数是渴望一件事:生孩子的中年夫妇。一名更年期的英国妇女向京都大学的林氏实验室求婚，希望他能在这件事上帮助她。“这是我唯一的愿望。”她写道。

这些要求始于林氏公布的一项研究结果。林氏通过小鼠皮肤细胞体外实验培养原始生殖细胞。为了验证这些细胞是否真的和自然生长的前列腺癌细胞一样，林阳用它们来制造卵子，甚至是活老鼠。这一结果增加了不孕妇女通过皮肤细胞生产受精卵的可能性。它还表明，男性的皮肤细胞也可以用来生产卵子，女性的皮肤细胞也可以生产精子。

公众对该实验的关注让林田毅和斋藤敏纪教授大吃一惊。十多年来，他们一直在研究哺乳动物配子生产和体外重建领域，但这些都是为了科学研究，而不是治疗。当他们把这项研究从老鼠推广到猴子甚至人类时，他们为未来的不孕治疗铺平了道路。但是科学家和公众不得不开始面对以下伦理问题。

"不用说，他们真的改变了老鼠的这一领域."洛杉矶加利福尼亚大学的生育专家阿曼德·克拉克说，“现在，为了防止这项技术在证明其有效性之前被破坏，我们必须开始讨论这种配子方法的伦理问题。”

老鼠实验

在小鼠的生长过程中，胚胎发育第一周后会出现生殖细胞(约40个前列腺素细胞)，然后雄性和雌性小鼠会分别形成大量的精子和卵子。斋藤想知道哪些信号引导这些细胞的生长。

在过去的10年里，他发现某些基因在特定时间的特定组合对前列腺癌的生长起着重要作用。利用这些基因作为标记，他可以从其他细胞中选择前列腺素细胞进行研究。2009年，他发现在神户物理和化学研究所适当的培养条件下，通过在适当的时间加入骨形态发生蛋白4(Bmp4)，胚胎干细胞可以转化成前列腺癌。

以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的干细胞专家雅各布·汉纳说，斋藤对自然过程的细致研究与其他人的研究形成了鲜明的对比。斋藤试图精确地找出生殖细胞形成的要素，去除多余的信号，并注意各种分子活动的时间，这令人印象深刻。英国谢菲尔德大学的干细胞生物学专家哈里·摩尔称这种对生殖细胞生长过程的认真重建是“一场胜利”。

斋藤从活老鼠的外胚层提取细胞开始他的研究，但是为了真正控制实验过程，他希望使用现成的培养细胞。2009年，林从剑桥大学回到日本后加入了斋藤的研究。他使用关键的调节分子(激活素A)和碱性成纤维细胞生长因子来引导胚胎干细胞分化为外胚层，然后将它们应用到斋藤之前的研究中，以促进它们成为成纤维细胞。这个过程是成功的。

Hayashi将这些人工培养的前列腺素细胞注射到自身不能产生精子的小鼠体内，使它们成功地形成精子。研究小组将这些精子注射到卵子中，并将胚胎植入雌性老鼠体内，从而获得无法生育的老鼠的后代。

人工前列腺素细胞潜力巨大

其他研究人员已经能够复制这一过程来获得在实验室中培养的前列腺素细胞，但是根据《自然》杂志，没有研究小组使用这种方法来培养活的动物。人工前列腺素细胞对研究表观遗传学的科学家有特殊的作用:决定基因表达的脱氧核糖核酸的生化修饰。这些修饰，其中大部分是在DNA碱基上添加甲基，在某些情况下带有生物体的历史(例如，在子宫中暴露的外部化学物质等)。)。

表观遗传标记在胚胎发育过程中像其他细胞一样作用于前列腺素细胞，但是前列腺素细胞是独特的，因为当它们发育成精子和卵子时，它们的表观遗传标记消失，从而产生能形成所有细胞类型的受精卵。

细微的表观遗传变化中的错误会导致不育和睾丸癌等疾病。汉娜的团队已经开始使用人工前列腺素细胞来研究单个酶在表观遗传调控中的作用，并可能在未来发现表观遗传网络和疾病之间的相关性。

汉娜说，事实上，体外形成的前列腺素细胞为科学家提供了数百万个细胞进行研究，使得研究不再局限于通过解剖早期胚胎获得的少量细胞。“这很重要，因为我们有这些罕见的细胞——前列腺癌细胞——它们在整个基因组中经历着重大的表观遗传变化，而我们对这个过程知之甚少。”汉娜说。克拉克同意汉娜的观点，“体外模型为科学家提供了前所未有的研究可行性。”

临床相关性

然而，Hayashi和Saitou并没有给那些不能生育的夫妇提供太多的帮助。在研究成果应用于临床之前，还有许多问题需要解决。

Saitou和Hayashi发现，尽管通过他们的技术产生的后代看起来通常是健康和可育的，但是这些后代产生的前列腺素细胞并不完全“正常”。第二代卵细胞通常会产生易碎且变形的卵子。受精后，这些卵子通常会分裂成带有三组染色体的细胞，而正常的卵子会分裂成两组。

此外，人工精原干细胞繁殖后代的成功率仅为正常体外受精的1/3。张懿在哈佛医学院研究表观遗传学，他使用了Saitou的方法，发现体外形成的前列腺素细胞不能像自然形成的前列腺素细胞一样消除其先前的表观遗传学程序。“我们必须认识到，像前列腺癌这样的细胞不是前列腺癌，”他说。

前列腺素细胞在不孕症治疗中的应用将是一个巨大的飞跃，包括斋藤在内的许多科学家敦促这项研究应该谨慎进行。这项技术可以安全地应用到猴子身上的事实有助于缓解这些担忧，但是在确定这种方法是否安全之前，需要有多少只猴子安全出生？你需要几代人？最终，人类胚胎将需要被制造和测试，而这一过程将会因为限制制造用于研究的胚胎而放缓。

斋藤使用雄性诱导多能干细胞来产生精子，雌性诱导多能干细胞来产生卵子。他说逆转实验应该是可能的。通过这种方式，卵子和精子可以从同一个老鼠身上获得，并用于繁殖，以产生前所未有的东西:自我繁殖的老鼠。Hayashi和Saitou还没有准备好尝试这项研究。"如果有科学需要，我会做实验，但只在老鼠身上."斋藤说。

这两位科学家感受到了来自病人和日本资助机构的压力，要求他们继续进行实验。这项技术应该是那些不能接受体外受精的女性和那些童年时患有癌症、不能产生精子或卵子的患者的最后希望。Hayashi提醒那些给他写信的人，可行的不孕症治疗可能要到未来10年甚至50年才会出现。“我的印象是，这很遥远，我不想给人们不切实际的希望。”他说。

患者将会看到老鼠实验的成功结果，但通常会忽略这些尖端技术背后多年的辛勤工作。Hayshi说，他们没有意识到从老鼠到人类的实验意味着它将几乎重新开始。因为早期人类胚胎与老鼠完全不同。(张冬冬)

《中国科学新闻》(第三版国际，2013年8月28日)