實(shí)現(xiàn)“生命再造”的夢(mèng)想——解讀2012諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

文/李 生

未來(lái)有一天，每個(gè)人都將成為自身健康的“庇佑者”，不論是衰老、創(chuàng)傷或者疾病，造成組織的缺損和傷害，都可以取自身的體細(xì)胞作為“種子”，讓其重新“逆轉(zhuǎn)”成多能干細(xì)胞，并進(jìn)一步分化為心臟、神經(jīng)、胰島、肝臟、腎臟等多種類(lèi)型細(xì)胞，甚至組織器官，最終實(shí)現(xiàn)“生命再造”的夢(mèng)想。如今，在邁向這一夢(mèng)想的階梯上，一個(gè)被稱為“細(xì)胞核重編程”的醫(yī)學(xué)理論成為新的基石和里程碑。

開(kāi)啟生命再造時(shí)代

日本科學(xué)家山中伸彌與英國(guó)科學(xué)家約翰·格登因在細(xì)胞核重編程研究領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，獲得2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?！斑@項(xiàng)成果顛覆了人們對(duì)發(fā)育分化的傳統(tǒng)觀念，顛覆了人們對(duì)干細(xì)胞分化為體細(xì)胞這一過(guò)程不可逆的固有觀念，為獲取多能性干細(xì)胞增添了一個(gè)新的途徑，為干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)、疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制研究和藥物研發(fā)打開(kāi)了一扇新的窗戶?！薄笆濉眹?guó)家“863”計(jì)劃“干細(xì)胞治療臨床轉(zhuǎn)化研究”主題項(xiàng)目首席科學(xué)家、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院全軍干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任裴雪濤教授對(duì)于該獲獎(jiǎng)項(xiàng)目給出了這樣的評(píng)價(jià)。

“所謂細(xì)胞核重編程，就是將已經(jīng)分化了的成年體細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)，讓其重新回到發(fā)育早期多能性干細(xì)胞狀態(tài)，重新獲得發(fā)育成各種類(lèi)型細(xì)胞的能力。通俗來(lái)講，就是在細(xì)胞層面實(shí)現(xiàn)了‘返老還童’?！敝锌圃簞?dòng)物所趙同標(biāo)研究員告訴記者，“一直以來(lái)，生物醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為高等動(dòng)物從受精卵發(fā)育到神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、肝臟細(xì)胞等特化細(xì)胞，是一個(gè)不可逆的過(guò)程，末端分化的成體細(xì)胞絕對(duì)不會(huì)反過(guò)來(lái)逆分化變成干細(xì)胞，但英國(guó)科學(xué)家約翰·格登和日本科學(xué)家山中伸彌的工作從根本上顛覆了這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)?！?/p>

據(jù)介紹，早在20世紀(jì)60年代，約翰·格登等人便首先證明末端分化細(xì)胞的特化過(guò)程是可逆轉(zhuǎn)的。在一項(xiàng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，他將蝌蚪腸道的成熟特化細(xì)胞的細(xì)胞核替換掉青蛙卵細(xì)胞的細(xì)胞核，從而使卵細(xì)胞發(fā)育為性成熟的成體青蛙。盡管這一研究開(kāi)展于50年前，但這些早期的核移植和克隆實(shí)驗(yàn)還是引起了報(bào)刊上關(guān)于克隆人可能性的猜測(cè)。

自體細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)建立以來(lái)，領(lǐng)域內(nèi)眾多科學(xué)家相信在卵細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞中含有某些能“賦予”末端分化體細(xì)胞核全能性或者多能性的因子，并做了諸多嘗試，但一直未能成功。直到2006年，山中伸彌等人在對(duì)24個(gè)胚胎干細(xì)胞高表達(dá)的候選基因進(jìn)行篩選后，最終確定了Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4四個(gè)因子起關(guān)鍵作用。而這個(gè)“簡(jiǎn)單處方”可以使成熟的體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞，這一開(kāi)創(chuàng)性研究成果發(fā)表于國(guó)際知名期刊《細(xì)胞》上，引起了全世界的轟動(dòng)。

“不到6年的時(shí)間，這一研究成果幾乎包攬了拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、沃爾夫醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)等所有醫(yī)學(xué)界大獎(jiǎng)，此次獲得諾獎(jiǎng)也是實(shí)至名歸?！痹谥袊?guó)工程院院士、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院原院校長(zhǎng)劉德培看來(lái)，該研究首先具有重要的生物學(xué)意義，即對(duì)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)人工主動(dòng)調(diào)控和干預(yù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞水平的生命再造，對(duì)研究發(fā)育本身提供了新的思路，同時(shí)避免了異體移植產(chǎn)生的免疫排斥反應(yīng)，是人類(lèi)真正進(jìn)入生命再造時(shí)代的開(kāi)始；其次，具有重要的醫(yī)學(xué)意義：每個(gè)人身上約有千萬(wàn)億個(gè)體細(xì)胞，如血液細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、皮膚細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等，這項(xiàng)技術(shù)意味著生產(chǎn)人自體干細(xì)胞有了無(wú)窮盡的原料細(xì)胞，為干細(xì)胞抗衰老保健和疾病治療帶來(lái)了新的希望。

“一花”引來(lái)“萬(wàn)花”開(kāi)

自2006年日本科學(xué)家山中伸彌等人建立誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)以來(lái)，干細(xì)胞多能性研究一直是國(guó)際干細(xì)胞研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在趙同標(biāo)看來(lái)，6年來(lái)，全世界該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室就像在賽跑一樣，一系列重大成果相繼誕生。

2007年，日本科學(xué)家運(yùn)用相同的“簡(jiǎn)單處方”成功實(shí)現(xiàn)人表皮成纖維細(xì)胞的重編程。同年，全球共有4個(gè)研究小組報(bào)道了人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞體系的建立。美國(guó)和日本科學(xué)家相繼通過(guò)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞培育出嵌合體小鼠，證實(shí)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的多能性。此后，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的研究成為生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域前沿中的前沿，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室著眼于誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)的更新，先后創(chuàng)建了腺病毒載體技術(shù)、蛋白轉(zhuǎn)染技術(shù)、小RNA技術(shù)等一系列非整合重編程技術(shù)，期望解決傳統(tǒng)依靠病毒轉(zhuǎn)染建立誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的安全性問(wèn)題。

同樣，我國(guó)在細(xì)胞核重編程及再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域也取得了令人矚目的成就。據(jù)劉德培介紹，在體細(xì)胞克隆領(lǐng)域，我國(guó)相繼成功獲得第一頭克隆牛、豬、猴等大動(dòng)物，并在國(guó)際上率先成功獲得人類(lèi)體細(xì)胞克隆胚胎。在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞領(lǐng)域，中科院動(dòng)物所研究員周琪和北京生命科學(xué)研究所高紹榮兩支研究團(tuán)隊(duì)，于2009年分別利用iPS細(xì)胞克隆出小鼠，從而在世界上首次證明誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的全能性。對(duì)于細(xì)胞核重新編程的機(jī)制研究，中科院研究員裴端卿等人在《干細(xì)胞》上報(bào)道了間充質(zhì)表皮細(xì)胞轉(zhuǎn)換對(duì)重編程的發(fā)生是必需的。

2009年，周琪首次利用iPS細(xì)胞，通過(guò)四倍體囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠，從而在世界上第一次證明了iPS細(xì)胞的全能性。

“中國(guó)不論在細(xì)胞核移植領(lǐng)域還是iPS領(lǐng)域均已經(jīng)具備了較強(qiáng)的實(shí)力，并且已經(jīng)取得了一些成就?！弊鳛閲?guó)際干細(xì)胞組織（ISCF）中國(guó)代表，中科院動(dòng)物所研究員周琪肯定了中國(guó)科學(xué)家在iPS細(xì)胞領(lǐng)域的工作。

而中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員王江云認(rèn)為，我國(guó)干細(xì)胞的研究水平在世界上相對(duì)處于較高水平。他特別提到，在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)”的支持下，干細(xì)胞研究呈現(xiàn)出良好勢(shì)頭。

2011年，中國(guó)在iPS領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量?jī)H遜于美國(guó)和日本，居于世界第三位；但在干細(xì)胞領(lǐng)域發(fā)表論文的總數(shù)量已經(jīng)超過(guò)日本躍居世界第二。

“論文數(shù)量可以反映我們的進(jìn)步，但差距仍是巨大的?！敝茜髡J(rèn)為，尤為突出的問(wèn)題是原始創(chuàng)新能力不足，開(kāi)展開(kāi)拓性工作的信心不夠。繼續(xù)重視基礎(chǔ)研究，強(qiáng)調(diào)原創(chuàng)性工作，仍是需要長(zhǎng)期堅(jiān)持的方針。

對(duì)于這些成績(jī)，裴雪濤給出了客觀的評(píng)價(jià)：“導(dǎo)多能干細(xì)胞作為一項(xiàng)新興技術(shù)，無(wú)疑是干細(xì)胞領(lǐng)域的重大突破，值得追捧。論文數(shù)量的增多證明了我國(guó)在這一領(lǐng)域跟進(jìn)快，與世界差距在縮小，但從另一角度看，我國(guó)在干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究在原始創(chuàng)新性和質(zhì)量上仍有欠缺。我們應(yīng)該靜下心來(lái)，把眼光從技術(shù)突破本身延伸到再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)檫@是未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)和戰(zhàn)略要地，也是最終能造福人類(lèi)的重要‘出口’?！?/p>

逆轉(zhuǎn)細(xì)胞發(fā)育的程序

王江云認(rèn)為，獲獎(jiǎng)的研究工作破除了以往認(rèn)為胚胎發(fā)育及細(xì)胞分化不可逆的概念，完成了在體細(xì)胞中轉(zhuǎn)入基因并將其轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞的重大突破，為實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞治療及體外器官培養(yǎng)鋪平了道路。

“細(xì)胞命運(yùn)是否可以改變，是一個(gè)很古老的命題?！敝茜髡f(shuō)。

早在戈登研究前很多年，科學(xué)家就已經(jīng)證明了植物細(xì)胞的全能性；1938年，德國(guó)科學(xué)家Spemann提出了細(xì)胞核移植的概念和設(shè)想；后來(lái)，戈登分別發(fā)表于1962年和1966年的工作創(chuàng)造性地回答了Spemann的問(wèn)題，證明細(xì)胞可以通過(guò)細(xì)胞核移植改變命運(yùn)，生命可以重新啟動(dòng)；而哺乳動(dòng)物體細(xì)胞核移植的首次成功，則是大家熟悉的1997年發(fā)表的克隆羊“多利”的工作。

相對(duì)于細(xì)胞核移植的煩瑣和復(fù)雜，周琪認(rèn)為，2006年山中伸彌僅用4個(gè)基因就讓細(xì)胞變成多能干細(xì)胞的工作，顯得更為神奇。

隨之，小鼠、人等不同物種iPS細(xì)胞（誘導(dǎo)多能干細(xì)胞）的成功已經(jīng)反復(fù)證明了細(xì)胞命運(yùn)是可以通過(guò)基因調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的。

“今后，也許能實(shí)現(xiàn)人體的器官像汽車(chē)零件一樣可以更換?！蓖踅普f(shuō)。周琪也相信，細(xì)胞核移植和iPS兩項(xiàng)成果的獲獎(jiǎng)，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域新的診斷和治療方法的產(chǎn)生。

不過(guò)，“干細(xì)胞離治療還有距離。山中發(fā)明的方法雖有所突破，但迄今尚未證明是否最后能用于人體治療?！北本┐髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)饒毅表示。

周琪也強(qiáng)調(diào)，將細(xì)胞核移植和iPS等技術(shù)應(yīng)用于人類(lèi)為時(shí)尚早。

“干細(xì)胞研究還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，這一領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題依然很多?！蓖踅婆e例說(shuō)，如誘導(dǎo)生成干細(xì)胞的效率需要進(jìn)一步提高，干細(xì)胞的質(zhì)量控制需要有更好的標(biāo)準(zhǔn)等。

“這些問(wèn)題需要各國(guó)科學(xué)家的共同努力和合作來(lái)解決?！敝茜髡f(shuō)。

相關(guān)技術(shù)用于臨床為時(shí)尚早

裴雪濤告訴記者，之所以將細(xì)胞核重編程技術(shù)視為再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，是因?yàn)樗鼮槎嗄芨杉?xì)胞的獲得提供了新的途徑。此前，實(shí)驗(yàn)室研究的干細(xì)胞主要來(lái)源為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞，前者雖具有多向分化潛能，但因倫理、技術(shù)、資源、免疫、致瘤等問(wèn)題使其研究和應(yīng)用受到限制;而后者雖然較易獲得，但其分化效率、組織整合等并不理想。綜合而言，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞則集合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，淡化了兩者的缺點(diǎn)：來(lái)源為成熟細(xì)胞，獲得相對(duì)廣泛、數(shù)量充足;通過(guò)細(xì)胞核重編程，可使其獲得多向分化潛能;來(lái)源于患者自體，因此免除了倫理和免疫排斥等問(wèn)題的困擾。

裴雪濤坦言，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞也有其不可回避的問(wèn)題。它不僅要面對(duì)與其他干細(xì)胞研究相同的挑戰(zhàn)，例如，如何分離獲得各種組織特異性干細(xì)胞，如何保證高效的定向分化，如何確保整個(gè)分化過(guò)程安全、有效、可控，以及后續(xù)必須要解決的臨床前研究、安全性評(píng)估、質(zhì)量控制等。此外，還要解決其在誘導(dǎo)過(guò)程中可能出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，包括在重編程過(guò)程中，因基因轉(zhuǎn)入而帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn);如何提高分化效率，確保在體外大量繁殖，以適應(yīng)未來(lái)臨床需要;一旦拿到重編程細(xì)胞，如何界定其與生理性細(xì)胞發(fā)育的區(qū)別等。

在采訪中，劉德培院士則提出，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的應(yīng)用面臨的最大的挑戰(zhàn)就是它可能潛在的致瘤性。來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明，如今被認(rèn)為大有希望用于一系列疾病治療之中的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，非常類(lèi)似于產(chǎn)生癌癥的細(xì)胞類(lèi)型?！翱茖W(xué)家和臨床醫(yī)生必須對(duì)任何臨床應(yīng)用保持審慎。將誘導(dǎo)多能干細(xì)胞用于臨床治療，還需開(kāi)展更多研究?！?/p>

據(jù)介紹，2011年年初，中國(guó)科學(xué)院已將“干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究”作為戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。該專項(xiàng)首席科學(xué)家、中科院動(dòng)物所研究員周琪表示，希望通過(guò)發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞生物學(xué)的基本規(guī)律，揭示干細(xì)胞在組織器官發(fā)生和形成及再生中的本質(zhì)作用，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞修復(fù)組織和治療疾病的總體目標(biāo)。