細胞重新編程：開拓再生醫(yī)學新天地

張　路

2008年12月18日美國《科學》雜志評出了本年度十大科學進展，細胞重新編程成為十大科學進展之首。之所以把細胞重新編程列為2008年十大科學進展之冠，是因為這一方式開辟了再生醫(yī)學的新天地，研究人員可以繞過胚胎干細胞的倫理爭論而直接讓細胞重新編程，成為各種類型的干細胞，并可以生長為各種組織和器官，為再生醫(yī)學奠定物質(zhì)基礎。

細胞重新編程的歷史

細胞重新編程指的是分化的細胞在特定的條件下被逆轉后恢復到全能分化的狀態(tài)，或者形成胚胎干細胞系，或者進一步發(fā)育成一個新的個體。而在此之前的一項研究已經(jīng)提示了這個領域的重大進展，即“誘導性多能干細胞”(又稱干細胞樣細胞)，該研究曾被評為2007年十大科學進展的第二項。

2007年11月20日美國威斯康星大學的詹姆斯·湯姆森等人在《科學》雜志發(fā)表研究成果，而日本京都大學教授山中伸彌領導的研究小組在《細胞》雜志發(fā)表研究成果，他們都以逆轉錄病毒為載體向人體皮膚細胞中植入4個基因(Oct4、Sox2、c-myc、K1f4)，通過基因重新編碼，使皮膚細胞具備胚胎干細胞的功能。而被改造過的細胞被稱作“誘導性多能干細胞”。

在把人的皮膚干細胞通過基因重新編程改造成干細胞之前，研究人員已經(jīng)在小鼠身上獲得了成功。2006年，山中伸彌等研究人員稱，他們發(fā)現(xiàn)了一個能避開人體胚胎干細胞倫理限制而獲得干細胞的方法。他們將4個基因導入在培養(yǎng)皿中生長的小鼠尾部細胞，得到了外表和功能與胚胎干細胞極其相似的新細胞，這就是誘導性多能干細胞。

現(xiàn)在，研究人員通過插入4種基因，以回撥細胞發(fā)育時鐘的方法，使細胞成為可以再分化生長的干細胞。而且，研究人員可以從不同疾病的患者身上提取皮膚細胞，將其重新編程為干細胞。這些干細胞在實驗室里能生長并分裂，這既可以讓研究人員理解疾病的過程，也是干細胞利用的新途徑，因而在未來可以用患者自身細胞治療疾病。

在此之前的兩個進展引人注目。一是研究人員用基因技術徹底去除了細胞的發(fā)育“記憶”，使其回到原始胚胎狀態(tài)，然后重新生長成不同的細胞。也就是說，可以通過細胞再編程，讓成年細胞重新回到胚胎狀態(tài)，然后可以發(fā)育成各種所需的組織和器官。

另一種方法更為先進。研究人員用活鼠做試驗，讓細胞直接從一種成體細胞變成另一種成體細胞，打破了細胞單向發(fā)育的規(guī)則。這種方法的先進之處在于直接，省去了讓細胞重新編程變?yōu)楦杉毎倪^程。

很多細胞都可以重新編程

2008年細胞重新編程的一個重要成果是對人類一種頑癥——肌萎縮性脊髓側索硬化癥(ALS)的探索。美國哈佛大學的艾根研究小組和美國哥倫比亞大學的研究小組共同從患有肌萎縮性脊髓側索硬化癥病人的皮膚中提取了致病細胞，對其進行基因改造，然后將改造后的細胞注入患者的大腦中，結果令人鼓舞。經(jīng)過基因改造的細胞在人體內(nèi)能夠正常工作。

肌萎縮性脊髓側索硬化癥又稱路葛雷克氏癥(俗稱漸凍癥)，是一種運動神經(jīng)細胞受損的疾病，患病后肌肉會逐漸萎縮，進而全身癱瘓并死于呼吸衰竭。研究人員是從兩位患有肌萎縮性脊髓側索硬化癥的姐妹身上提取的細胞，她們一人為83歲，另一人是82歲。由于這一疾病的遺傳性，姐妹倆的祖先中有2％的人患有此種疾病。

研究人員從這兩位老人身上提取皮膚細胞后，加入4種基因將這些細胞轉變回誘導性多能干細胞。研究人員用這4種基因來重新設定細胞程序，使其演變?yōu)檎T導性多能干細胞狀態(tài)的基因，這是細胞重新編程的第一步。然后，研究人員將來自其中一名病人的誘導性多能干細胞沉浸在多種信號分子中，設法使這些細胞成為看上去像是運動神經(jīng)元的細胞，而運動神經(jīng)元就是在肌萎縮性脊髓側索硬化癥中遭損害的細胞。

這一做法的目的是，用誘導性多能干細胞來制造在遺傳上與病人相匹配的健康細胞，并取代病變的細胞，這樣不會產(chǎn)生排異反應。但是，在將這種方法安全地用于人身上之前，仍然有重大的障礙需要克服。而且，在實施中也可能有麻煩，例如，通過重新編程的細胞變成干細胞后是否會難以控制其生長。如果不能控制，就容易誘發(fā)癌癥。

此后，美國哈佛大學干細胞研究所的喬治·戴利等人與其他研究人員合作，創(chuàng)立了20個誘導性多能干細胞系，它們代表的是10種疾病，包括腺苷脫氨酶嚴重聯(lián)合免疫缺陷癥、Ⅲ型戈謝病、杜興氏肌肉萎縮癥、貝克肌肉萎縮癥、唐氏綜合征、帕金森病、青少年糖尿病、舒－戴二氏綜合征、亨廷頓舞蹈病、萊施－奈恩二氏綜合征(攜帶者)。

對這些疾病建立誘導性多能干細胞(干細胞樣細胞)也是利用細胞重新編程的方法，而這是建立疾病干細胞樣細胞庫的開始，有助于研究多種疾病。同時，哈佛大學的研究人員還承諾將免費向全世界的科學家提供疾病干細胞樣細胞系資源。讓一種細胞轉化成另一種細胞

進一步的研究還獲得了細胞重新編程以獲取干細胞的新認識，即再編程的目標并不一定要回到胚胎狀態(tài)，而是可以讓細胞直接變成另一種新的成體細胞。這就是利用基因重組技術，實現(xiàn)不同種類成體細胞之間的直接轉化，也因此，這代表了再生醫(yī)學的更為直接和先進的方向。

哈佛大學醫(yī)學院的周橋和波士頓兒童醫(yī)院的道格拉斯·梅爾頓研究小組通過注射冷凍的普通腺病毒，把3種基因(Ngn3、Pdx1、Mafa)送入體內(nèi)缺乏胰島B細胞的病鼠胰腺內(nèi)，結果鼠的胰腺內(nèi)大約20％的外分泌細胞轉化成胰島B細胞。胰島B細胞增加，分泌的胰島素相應增多，病鼠體內(nèi)過高的血糖水平降低，糖尿病病情便減輕。

腺病毒攜帶的3種基因具備將普通細胞轉化成胰島B細胞的功能。胰島B細胞數(shù)量稀少，如果受到破壞，就會引發(fā)I型糖尿病。而外分秘細胞在胰腺中較常見，大約占胰腺的95％。

不過，盡管腺病毒作為載體比較安全，但研究人員還是希望找到避免使用病毒的方法，不把3種基因注入人體中，否則風險較大，也因此會招致美國相關管理部門的反對。

利用細胞重新編程獲得干細胞還有其他多種方法。例如，把胰腺中的成熟的胰腺細胞(又稱外分泌細胞)再編程為胰島B細胞，也可以采用引進4種基因的方法。美國麻薩諸塞州總醫(yī)院癌癥研究所和再生醫(yī)學中心的馬塞厄斯·斯達特費爾德研究小組用這樣的方法也成功地讓小鼠的胰腺外分泌細胞轉化成胰島B細胞。

這種情況對舊有的醫(yī)學現(xiàn)象和理論是一種顛覆，因為在生物體內(nèi)，分化了的細胞幾乎從來不改變發(fā)展方向，比如從肌細胞變成肺細胞。然而，這種細胞的直接再編程對治療某些疾病來說比采用多能干細胞更簡單、更安全。這項技術也許能使科學家

們加快在實驗室培養(yǎng)所需的細胞類型，用確定的因子把培養(yǎng)的一種細胞變成另一種細胞。安全的擔憂和改進技術

但是，細胞重新編程既然是改變細胞的一種方式，這也意味著會永久改變細胞DNA，造成安全隱患。因為，把外源性基因插入細胞的基因組中可能會改變現(xiàn)有的基因，例如防癌基因，導致細胞容易形成腫瘤。盡管插入的基因在重新編程結束后自動關閉，讓細胞自身的基因接管，但研究人員仍然擔心插入的基因會再激活或者對細胞產(chǎn)生其他微妙的影響。

例如，引進4種基因(Oct4、Sox2、c-myc、K1f4)進行細胞重新編程的方法需要用4個獨立的病毒，每個病毒對應1個重組基因，才能將基因轉移到細胞的DNA中。而這些病毒可能會把這4個基因植入到細胞DNA中的任何部位，因此有可能引發(fā)致癌基因的表達，引起癌癥。

為了避免這種危險，研究人員正在嘗試多種方法。例如，美國懷特海德生物醫(yī)學研究所的研究人員嘗試將4個重組基因串聯(lián)起來，用一種病毒把它們植入成年實驗鼠和人類細胞的基因組，結果顯示這種方法能夠表達所有4種重組基因，從而啟動細胞重新編程。而這種在基因重組過程中把所需病毒的數(shù)目從4個減少到1個的方法能極大地簡化誘導多能干細胞的生成，同時也增加了安全性。

另一方面，日本的研究人員也發(fā)現(xiàn)，一種稱為質(zhì)粒的DNA環(huán)狀體也可以將啟動細胞重新編程的基因載入細胞。另外，腺病毒也是基因工程中常見的一種載體病毒，該病毒導致常見的感冒，但并不將自己插入細胞的基因組中。腺病毒的功能是，能長時間地表達插入的外源性基因，將細胞重新編程。但是隨著細胞分裂，病毒被稀釋到檢測不到的水平，使重新編程后的細胞內(nèi)原來的基因組保持不變。

但是這些比較安全的插入外源性基因以啟動細胞重新編程的方法在效率上似乎又較低。這也逼迫研究人員探索既安全又有效率的方法。如今，在大多數(shù)實驗中，1萬個細胞中能被成功重新編程的細胞少于1個。不過，美國加利福尼亞州和西班牙的兩個研究小組發(fā)現(xiàn)一種叫做角質(zhì)細胞的皮膚細胞特別容易重新編程。研究人員能把大約1％的角質(zhì)細胞重新編程，整個過程只要10天，而其他細胞則需要好幾個星期。毛囊是角質(zhì)細胞的一個豐富來源，研究人員稱，他們從人頭上拔下的一根頭發(fā)的細胞中獲得了個性化的細胞系。而從頭發(fā)獲得細胞比切下一塊皮膚要容易得多。

最后的情況是，既然研究人員繞過胚胎干細胞而用多種方法獲得各種干細胞，但現(xiàn)階段還只是在實驗室中可以讓干細胞轉變成特定的細胞和組織，例如讓干細胞轉變成有心博的心臟細胞。然而，這些細胞是否能融入病人的組織并替代或修復患病的細胞和組織，仍有很多技術和難關需要攻克。(文章代碼：0203)

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