《Nature》：引发生物学革命的人体胚胎干细胞

这是一个体外培养的人体胚胎干细胞分化、增生形成的神经元细胞球。

人体胚胎干细胞（embryonic stem cell）经过了二十年的风风雨雨，已经彻底改变了 生物学的基本概念，并大踏步地走进临床。

1998 年，在 Dieter Egli 刚刚开始他的研究 生学习生涯时，有关科研人员开发出了获取人 体胚胎干细胞的技术。20 多年过去了，人体胚 胎干细胞彻底融入了 Egli 的职业生涯当中。如 今，Egli 已经是美国哥伦比亚大学（Columbia University in New York City）的一名生物学 家，他已经通过对人体胚胎干细胞的研究，了解了 DNA 的重编程机制（reprogramme）， 也解决了糖尿病发病机制及治疗方面的一些难题。他甚至还参与开发了一种新型的人体胚胎干细胞，这种新细胞能够极大地简化基因研究 工作。

Egli 的研究范围如此广泛，这让他成为了 人体胚胎干细胞研究领域的领军人物。由于伦 理方面的原因，人体胚胎干细胞研究领域受到 了诸多的限制和挑战。不过即便如此，很多人 仍然认为，这个研究方向比过去更有价值了。 Egli 对人体胚胎干细胞非常着迷。他相信这个研究领域一定还会有能够改变我们生活的、前 所未有的新发现。Egli 对此充满了信心。

胚胎干细胞能够为我们提供大量与胚胎 早期发育有关的信息，就好像天文学家通过研究宇宙大爆炸（big bang）来从根本上认识宇宙本质一样，生物学家也可以在胚胎干细胞这 个“生命之源”里搜寻线索，来了解一个简单的细胞是如何演变成上亿个具备不同形态、不 同功能的细胞的。科研人员已经知道如何使胚 胎干细胞分化为机体内各种成熟的细胞。这些 细胞可用于药物检测、构建病理模型，或者用 于治疗疾病。早在 2010 年，就有人尝试使用胚胎干细胞来治疗脊髓损伤，后来又有十几次胚 胎干细胞临床试验陆续进行，用于治疗各种疾 病，比如帕金森氏病和糖尿病等。这些临床试 验获得的初步结果都挺不错，而本周公布的一 项结果也很亮眼，是用干细胞来治疗老年黄斑 变性（age-related macular degeneration）的 临床试验，有两名患者经过治疗之后，视力得 到了改善。

初期发展历程

早在 1981 年，科研人员就尝试在小鼠胚胎里培育干细胞。随后，他们意识到这些小东西 具有巨大的潜力。这些干细胞不但可以不断地 复制增殖，还可以分化出 200 多种小鼠体内的 不同细胞。不过这项试验技术在随后的灵长类 动物实验中屡遭失败。美国威斯康星大学麦迪 逊分校（University of Wisconsin–Madison） 的生物学家 James Thomson 花了 14 年才终于 在猴子试验中获得了成功。三年后，他又利用 人体辅助生殖工作中的无用胚胎，获得了世界 上第一个人体胚胎干细胞系。

不过这一成果立即引起了潮水般的批评。 尤其是宗教界，他们认为胚胎是人体之母，不 得亵渎，因此他们抵制一切相关的研究工作。 2001 年，美国总统 George W. Bush 签署了限 制令，要求联邦政府科研基金只能资助少数几 个已有的胚胎干细胞系相关研究。这些禁令迫 使在美国从事相关研究的科研人员只能寻求私 人资金，或者各州资金的支持。而这些实验室 往往都两条腿走路：一方面开展胚胎干细胞相 关的研究，另一方面开展其它的工作，以争取 美国政府的科研资金。在德国、意大利等国甚 至连分离、培养胚胎干细胞的工作都被禁止 了。

尽管困难重重，胚胎干细胞的研究工作还 是进行了下去。美国、澳大利亚、新加坡、以 色列和加拿大等国的科研人员很快就发现了将 胚胎干细胞诱导成为神经元细胞、免疫细胞和 心肌细胞等多种成熟细胞的方法。

科研人员还在尝试开发以体细胞核转移 技术（somatic-cell nuclear transfer）培育的 胚胎（即克隆动物多利羊的胚胎）为材料，获 取胚胎干细胞的新方法。有了这种治疗性克隆 （therapeutic cloning）技术，我们就可以为 每一个个体量身定做出无数个干细胞。随后， 科研人员又开始尝试在培养皿中研究复杂的遗 传疾病，以及像更换汽车零件一样更换人体组 织和器官。最开始，他们也经历过几次挫折， 比如 2005 年韩国科学家 Woo Suk Hwang 的造 假丑闻等。Woo Suk Hwang 在 2005 年 5 月刊 的《科学》（Science）杂志上发表论文中的 干细胞数据是伪造的，伪造数据包括论文数据 中的 DNA 指纹分析、畸胎瘤和胚胎照片、组 织适合性和血型分析等。该论文宣称用患者体 细胞克隆出的与患者基因吻合的 11 种特制型胚 胎干细胞被证实也不存在。直到 2013 年，美 国俄勒冈健康科学大学（Oregon Health and Science University in Portland）的干细胞研究者 Shoukhrat Mitalipov 终于取得了成功。

发展到今天，众多从事胚胎干细胞研究的 科研人员都将研究重点集中到了干细胞的多潜 能性（pluripotency）上，即干细胞如何分化 为各种成体细胞。慢慢地，其中的分子信号通 路也逐渐被弄清楚了。据 Mitalipov 介绍，他们 通过对胚胎干细胞的研究，已经了解了很多潜 能性的信息。

这些研究工作极大地推动了再生医学 （regenerative medicine）和生物学研究在 21 世纪的发展。比如，人们发现了诱导多潜 能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPS cell）。2006 年，日本京都大学（Kyoto University ） 的干细胞生物学家 S h i n y a Yamanaka 研究出将小鼠成体细胞（adult mouse cell）诱导成胚胎样干细胞的方法，而 该方法只需要 4 个遗传因子就足够了。一年之 后，Shinya Yamanaka 又和 Thomson 一起，成 功地将人成体细胞诱导成了胚胎样干细胞。他 们的这一研究成果从理论上来看，具有和治疗 性克隆同样的价值，而且不会引发伦理冲突。

此后，很多人预言，iPS 细胞将彻底取代胚胎干细胞的地位。不过十几年过去了，这一 幕还没有出现。胚胎干细胞相关研究论文的 发表数量在 2006 年之后还是在快速增长。自 2012 年以来，每年发表的胚胎干细胞相关研 究论文数目都在 2000+。部分原因是胚胎干细 胞仍为该领域的金标准，在开展 iPS 研究时， 需要用胚胎干细胞来做参照。另外一个原因是 即使到了今天，iPS 细胞的安全性还存在不确 定性。中国科学院北京动物研究所（Chinese Academy of Sciences Institute of Zoology in Beijing）的干细胞生物学家 Zhou Qi 就表达了 他对 iPS 细胞的担忧，因为 iPS 细胞可能会致 癌，所以他在他参与的十几项临床试验里，使 用的都是胚胎干细胞。

此外，随着研究的深入，胚胎干细胞的 使用也越来越方便了。比如起初获取胚胎干细 胞的方法非常麻烦，而且需要很多技巧，研 究人员必须小心地从胚胎中挑选出一个胚胎 干细胞，然后进行培养、增殖，而这个功夫 在整个工作中仅仅只占不到 1% 的时间。到了 2007 年，日本神户 RIKEN 发育生物学研究中心 （RIKEN Centre for Developmental Biology in Kobe, Japan）的 Yoshiki Sasai 发现了一个 ROCK 抑制剂分子，这个分子可以对胚胎干细 胞起到保护作用，使其不会从胚胎中分离的时 候死亡。这一发现一下子让胚胎干细胞分离 的成功率提高了 27%。瑞典 Lund 大学（Lund University in Sweden）的细胞生物学家 Malin Parmar 现在就正在开展临床试验，利用胚胎 干细胞诱导分化的神经元细胞来治疗帕金森氏 病。他表示，这一研究成果从根本上影响了他 们的研究工作，而且也让整个胚胎干细胞研究 进入了一个黄金时代。

现在，我们可以快速、可靠、无限期地获得大量的胚胎干细胞，而且还不会癌变。日本 东京大学（University of Tokyo）的干细胞生 物学家 Hiromitsu Nakauchi 一直在研究如何利 用胚胎干细胞和 iPS 细胞获得血小板。但至于 为什么胚胎干细胞不会癌变，他们现在还没有 弄清楚。

诱导分化

科研人员也在研究如何利用胚胎干细胞 培育出组织和器官。只要给予了正确的信号 因子和三维立体环境，胚胎干细胞就可以在 体外培养环境中自我组织成复杂的“类器官 （organoids）”。这种能力对于美国辛辛那 提儿童医院（Cincinnati Children’s Hospital in Ohio）的科研人员 James Wells 等人来说非 常重要。Wells 正在为药物检测工作开发肠道 类器官，而且他们希望将来也可以将这些类器 官用于人体移植，从而起到治疗的作用。

胚胎干细胞还可以用于遗传疾病的研究。 比如早在 2004 年，美国芝加哥的生殖医生就开 始在体外受精（in vitro fertilization）试验中使 用胚胎干细胞技术。针对因发现遗传缺陷而不 能使用的胚胎，这些医生会从中提取胚胎干细 胞，并培育成细胞系。他们通过这种方法，获 得了包括地中海贫血（thalassaemia）、亨廷 顿舞蹈病（Huntington’s disease）、马凡 氏综合征（Marfan’s syndrome）和肌肉萎 缩症（muscular dystrophy）等多种疾病在内 的遗传性疾病细胞病理模型。2007 年，科研人 员利用胚胎干细胞确定了脆性 X 染色体综合征 （Fragile X syndrome）的分子异常情况。

不过，科研人员也表示，在构建细胞病理模型方面，iPS 细胞的确更有优势，因为这 种技术可以为任何一位患者培育出相应的干细 胞。然而也有很多科研人员认为，胚胎干细胞 在这个领域同样有非常大的潜力。很多疾病只 会对成体细胞造成损伤，若此时再利用这些损 伤的细胞培育 iPS 细胞就没有什么意义了，而 胚胎干细胞就不存在这种问题。

比如在 2008 年，美国哈佛大学（Harvard University in Cambridge, Massachusetts） 的 Kevin Eggan 利用神经变性疾病——肌萎缩 侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）患者的细胞，培育出了 iPS 细胞。之 前，Eggan 曾利用胚胎干细胞对这种疾病进行 过研究，他已经知道如何诱导干细胞分化出 运动神经元细胞和脑神经元细胞等会受到 ALS 疾病影响的细胞。当他获得了 ALS iPS 细胞之 后，马上也培育出了相应的运动神经元细胞和 脑神经元细胞，并且与之前的细胞进行了对 比。结果发现，患者的细胞要比健康人的细胞 更加活跃。Eggan 表示，结合之前在胚胎干细 胞上的研究成果，他们对 ALS 患者的运动神经 元细胞有了更多的认识和了解。现在，他们正 在用一种能够使 ALS iPS 细胞‘安静’下来的 抗惊厥药物（anti-seizure）做临床实验。预计 再过两个月，他们就可以看到实验结果了。

希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）的 Egli 和 Nissim Benvenisty 则根 据只有 23 条染色体的胚胎干细胞（即单倍体细 胞），彻底颠覆了人体生物学领域里一个经典 概念。他们正在借助基因编辑技术，对这些单 倍体胚胎干细胞展开研究，看看基因在人体发 育过程中起到了哪些作用。Egli 表示，由于这 些细胞内只有一套染色体，因此，得到的结果 也更加直接。

不 过 ，利用胚胎干细胞开展疾病研 究，并非一帆风顺。比如美国哈佛大学干细 胞研究所（Harvard Stem Cell Institute in Cambridge）的 Douglas Melton 就花了 15 年 来诱导胚胎干细胞分化成能够分泌胰岛素的胰 腺 beta 细胞。不过他还是无法分辨，利用胚胎 干细胞分化出的 beta 细胞，与利用 1 型或 2 型糖 尿病患者 iPS 细胞分化出的 beta 细胞有什么区 别。据 Melton 介绍，我们知道，糖尿病患者存 在遗传易感性（genetic susceptibility），但 是在体外实验中，他们无法观察到这个现象。

细胞再生

Melton 还是没有放弃自己用胚胎干细胞培 育出的 beta 细胞。他希望能够将这些细胞移植 到 1 型糖尿病患者体内，从而发挥治愈疾病， 或者减轻病情的作用。目前，他面临的最大困难在于如何保证这些移植到患者体内的 beta 细 胞不会被患者自身的机体免疫系统给清除掉。 Semma 治疗公司（Semma Therapeutics）是 Melton 在美国加利福尼亚州坎布里奇创办的一 家科技公司，他们目前的主要工作就是研究将 这些 beta 细胞装在一个人工装置里，制成一个 人工胰腺，营养物质和 beta 细胞分泌的胰岛素 可以自由进出这个人工胰腺，但是人体免疫系 统不会对其中的外源 beta 细胞造成任何伤害。 Melton 计划在 3 年之内开展临床实验。美国加利福尼亚州圣地亚哥市的 ViaCyte 公司也在 2014 年刚刚启动了一个类似的临床实验项目， 他们也是开发了一项细胞包裹新技术。丹麦的 Novo Nordisk 公司也正在启动类似的，利用胚胎干细胞治疗糖尿病的项目。

在临床领域，很多人都认为 iPS 细胞最终 会超越胚胎干细胞。他们认为，iPS 细胞最大 的优势在于，这些细胞与患者自身完全同源， 因此不会存在免疫排斥的问题。但是对于 1 型 糖尿病这种遗传性疾病，iPS 细胞也同样会携 带有遗传缺陷，所以就起不到纠正遗传缺陷和 治疗的作用了。

还有一个问题就是费用。据美国加利福 尼亚州 Scripps 研究所（Scripps Research Institute in La Jolla, California）的干细胞生 物学家 Jeanne Loring 介绍，目前为患者制备 临床使用的 iPS 细胞需要大约 100 万美元。这几 乎完全不可操作。不过 Loring 认为这个费用将 来一定会下降，她也在开展用 iPS 细胞治疗帕 金斯氏病的研究工作。

到目前为止，科研人员只开展了一项 iPS 细胞人体实验，那就是日本 RIKEN 发育生物 学中心（RIKEN Center for Developmental Biology）的眼科专家 Masayo Takahashi 开 展的用 iPS 细胞治疗黄斑变性疾病（macular degeneration）的实验。不过该实验已经于 2014 年终止，因为当时他们决定简化流程，使 用由志愿者捐赠的 iPS 细胞，而不是患者自身 来源的 iPS 细胞。该项目在去年又重新启动， 可是在今年 1 月又遇到了麻烦，有一位患者的 眼睛里长出了一层膜，因此不得不接受手术， 将其切除。

黄斑变性疾病一直是胚胎干细胞治疗研究工作中最常见的一种疾病。在美国、英国、 韩国、中国和以色列，至少已经开展了 6 个相 关的临床实验。今年 3 月 19 日，英国伦敦治盲 项目（London Project to Cure Blindness） 的负责人 ， 美国加州大学圣巴巴拉分校 （University of California, Santa Barbara）的 眼科专家 Pete Coffey 报告了他们的研究成果， 他们将由胚胎干细胞分化出的细胞植入了两名 视网膜受损的患者眼内。一年之后，患者就能 够重新阅读了。

美国梅奥医学中心（Mayo Clinic in Rochester, Minnesota）的眼科医生 Alan Marmorstein 认为，这是他们眼科领域的一大 科技进步。这也是我们头一次看到，干细胞治 疗的治疗功效，并极大地促进了其它领域的干 细胞治疗研究。Coffey 认为，我们终于等到了 这一重大研究成果，科研人员终于知道如何将 干细胞植入人体，并且发挥治疗效果。据他介 绍，十年前，他们认为只需要把细胞放到人体 内就行了，细胞知道它们自己该干些什么。可 事实却并非如此，这些细胞还是得按照特定的 方式才能够发挥作用。很多从事干细胞研究的 科研人员认为，接下来我们即将能看到用干细 胞治疗帕金斯氏病的功效。帕金斯氏病是因人 脑内神经递质多巴胺（dopamine）缺乏而导 致的一种疾病，目前已有 6 家公司和医疗机构 在利用胚胎干细胞或 iPS 细胞开展治疗帕金斯 氏病的研究工作。

值得思索的一个关键的问题是，在干细 胞移植之前，应该使其分化、成熟到何种程度 呢？2016 年在澳大利亚开展的一项帕金斯氏病 临床实验，以及 2017 年在中国开展的一项帕金 斯氏病临床实验都使用了不成熟的神经前体细胞，这些细胞都不能分泌多巴胺。科研人员认 为，使用不成熟的前体细胞可以帮助这些植入 的细胞更好地在人体内存活，并能更好地与患 者的身体融合。但是 GForce-PD 项目（这是集 合了好几个胚胎干细胞和 iPS 细胞来治疗帕金 斯氏病临床实验项目的组织）的负责人认为， 分化程度越高的干细胞，越容易形成多巴胺分 泌细胞，而且也更容易受控制。

未来的发展

如果胚胎干细胞研究跨越了某些障碍，那 么未来应该还有很大的发展空间。其中一大障 碍就是还无法利用胚胎干细胞培育出很多类型 的成熟细胞。据 Melton 估计，到目前为止，我 们只能培育出大约十种具备正常功能的终末细 胞。而且其中还有很多细胞，比如精子细胞和 卵子细胞离临床应用还有相当长的一段距离。 这些都是未来我们需要解决的问题。

还有一个问题就是科研经费来源的不确 定性。比如我们经常听到有传言称，美国总统 Donald Trump 又要颁发干细胞研究禁令了。

虽然干细胞研究的道路上充满了挑战， 但总是能够给我们带来惊喜，并且一次又一次 地、出乎意料地证明了它们的价值。很多科研 人员甚至都减少了动物模型的用量，因为胚胎 干细胞在研究人体疾病方面，似乎比动物模型 更加合适。Melton 自己的科研格言就是：在任 何时候，只用人体材料。

Yamanaka 认为，胚胎干细胞就是激励他 开展 iPS 细胞研究的源动力。是 Thomson 的人 体胚胎干细胞研究成果让他们能够在短短一年 的时间里，就获得了从小鼠 iPS 细胞到人体 iPS 细胞的成功。而在此之前，研究人员用了整整 20 年，才获得了由小鼠胚胎干细胞到人胚胎干 细胞的成功。Yamanaka 表示，，他们已经非常 清楚如何培育人体 iPS 细胞了。

Yamanaka 认为，直至今天，胚胎干细胞 仍然是非常重要的，它可以帮助我们更好地了 解多潜能性的作用机制，也可以帮助我们更好 地在临床上使用这些具备多向分化潜能的细 胞。我们在十几年前才认识到胚胎干细胞的重 要性，而且他也认为这种重要性还将继续维持 下去，还能维持至少 20 年。

原文检索：

David Cyranoski. (2018) How human embryonic stem cells sparked a revolution Nature, 555: 428-430. 

文章来源：序说DNASpeaking