細胞逆轉(zhuǎn)推動生命再造時代？

劉俊

近日，中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員裴端卿、鄭輝的團隊發(fā)現(xiàn)了一種新細胞生物學(xué)機制，有望推動誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)更快地應(yīng)用到疾病治療中。誘導(dǎo)多能干細胞及其產(chǎn)生的功能細胞移植被認為是治療遺傳病、器官損傷以及帕金森等退行性疾病的重要手段，之前該領(lǐng)域的瓶頸正是對此缺乏分子機理認識。

2013年5月26日，這項研究成果被發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·細胞生物學(xué)》上。一時之間“細胞逆轉(zhuǎn)，即將實現(xiàn)‘返老還童”的說法充斥著各大媒體。

細胞“逆轉(zhuǎn)”的歷程

有一天，每個人都將成為自身健康的“庇佑者”，不論是因為衰老、創(chuàng)傷或者疾病，只要是造成組織的缺損和傷害，都可以取自身的體細胞作為“種子”，讓其重新“逆轉(zhuǎn)”成多能干細胞，并進一步分化為心臟、神經(jīng)、胰島、肝臟、腎臟等多種類型細胞，甚至組織器官……這聽起來真像是一部科幻電影里的場景，不過從2012年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎揭曉的那一刻起，人們就開始觸摸到了打開這個原本只存在于幻想中的世界大門的鑰匙。而科學(xué)家為之奮斗的時間更是長達半個多世紀。

2012年8月17日，京都大學(xué)物質(zhì)-細胞統(tǒng)合系統(tǒng)據(jù)點iPS細胞研究中心主任山中伸彌、英國發(fā)育生物學(xué)家約翰·戈登因在細胞核重新編程研究領(lǐng)域的杰出貢獻而獲得2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

所謂細胞核重編程即將成年體細胞重新誘導(dǎo)回早期干細胞狀態(tài)，以用于形成各種類型的細胞，應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。

一直以來，人體干細胞都被認為是單向地從不成熟細胞發(fā)展為專門的成熟細胞，生長過程不可逆轉(zhuǎn)。然而，戈登和山中伸彌教授發(fā)現(xiàn)，成熟的、專門的細胞可以重新編程，成為未成熟的細胞，并進而發(fā)育成人體的所有組織。

而早在20世紀60年代，約翰·戈登等人便首先證明末端分化細胞的特化過程是可逆轉(zhuǎn)的。在一項經(jīng)典實驗中，他將蝌蚪腸道的成熟特化細胞的細胞核替換掉青蛙卵細胞的細胞核，從而使卵細胞發(fā)育為性成熟的成體青蛙。盡管這一研究開展于50年前，但這些早期的核移植和克隆實驗還是引起了報刊上關(guān)于克隆人可能性的猜測。

自體細胞核移植實驗建立以來，領(lǐng)域內(nèi)眾多科學(xué)家相信在卵細胞和胚胎干細胞中含有某些能“賦予”末端分化體細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24個胚胎干細胞高表達的候選基因進行篩選后，最終確定了Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4四個因子起關(guān)鍵作用。而這個“簡單處方”可以使成熟的體細胞重編程為多能干細胞，這一開創(chuàng)性研究成果發(fā)表于國際知名期刊《細胞》上，引起了全世界的轟動。不到6年的時間，這一研究成果幾乎包攬了拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎、沃爾夫醫(yī)學(xué)獎等所有醫(yī)學(xué)界大獎。

在業(yè)界專家看來，這項研究首先具有重要的生物學(xué)意義，即對細胞實現(xiàn)人工主動調(diào)控和干預(yù)，實現(xiàn)細胞水平的生命再造，對研究發(fā)育本身提供了新的思路，同時避免了異體移植產(chǎn)生的免疫排斥反應(yīng)，是人類真正進入生命再造時代的開始；其次，具有重要的醫(yī)學(xué)意義：每個人身上約有千萬億個體細胞，如血液細胞、脂肪細胞、皮膚細胞、神經(jīng)細胞等，這項技術(shù)意味著生產(chǎn)人自體干細胞有了無窮盡的原料細胞，為干細胞抗衰老保健和疾病治療帶來了新的希望。

“這項成果顛覆了人們對發(fā)育分化的傳統(tǒng)觀念，顛覆了人們對干細胞分化為體細胞這一過程不可逆的固有觀念，為獲取多能性干細胞增添了一個新的途徑，為干細胞與再生醫(yī)學(xué)、疾病發(fā)生發(fā)展機制研究和藥物研發(fā)打開了一扇新的窗戶?！薄笆濉眹摇?63”計劃“干細胞治療臨床轉(zhuǎn)化研究”主題項目首席科學(xué)家、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院全軍干細胞與再生醫(yī)學(xué)重點實驗室主任裴雪濤教授對于該獲獎項目曾給出這樣的評價。

“所謂細胞核重編程，就是將已經(jīng)分化了的成年體細胞進行誘導(dǎo)，讓其重新回到發(fā)育早期多能性干細胞狀態(tài)，重新獲得發(fā)育成各種類型細胞的能力。通俗來講，就是在細胞層面實現(xiàn)了‘返老還童?！敝锌圃簞游锼w同標研究員在接受采訪的時候說，“一直以來，生物醫(yī)學(xué)界普遍認為高等動物從受精卵發(fā)育到神經(jīng)細胞、肌肉細胞、肝臟細胞等特化細胞，是一個不可逆的過程，末端分化的成體細胞絕對不會反過來逆分化變成干細胞，但英國科學(xué)家約翰·戈登和日本科學(xué)家山中伸彌的工作從根本上顛覆了這一傳統(tǒng)觀點?！?/p>

科研爭奪的高地

自2006年日本科學(xué)家山中伸彌等人建立誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)以來，干細胞多能性研究一直是國際干細胞研究的熱點和難點，全世界該領(lǐng)域的實驗室就像在賽跑一樣，一系列重大成果相繼誕生。

2007年，日本科學(xué)家運用相同的“簡單處方”成功實現(xiàn)人表皮成纖維細胞的重編程。同年，全球共有4個研究小組報道了人誘導(dǎo)多能干細胞體系的建立。美國和日本科學(xué)家相繼通過誘導(dǎo)多能干細胞培育出嵌合體小鼠，證實誘導(dǎo)多能干細胞的多能性。此后，誘導(dǎo)多能干細胞的研究成為生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域前沿中的前沿，多個實驗室著眼于誘導(dǎo)多能干細胞技術(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)多能干細胞的安全性問題。

同樣，我國在細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。在體細胞克隆領(lǐng)域，我國相繼成功獲得第一頭克隆牛、豬、猴等大動物，并在國際上率先成功獲得人類體細胞克隆胚胎。在誘導(dǎo)多能干細胞領(lǐng)域，中科院動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隊，于2009年分別利用iPS細胞克隆出小鼠，從而在世界上首次證明誘導(dǎo)多能干細胞的全能性。

據(jù)統(tǒng)計，2011年，中國在誘導(dǎo)多能干細胞領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量位居世界第三，而在干細胞領(lǐng)域發(fā)表論文的總數(shù)量已經(jīng)超過日本，躍居世界第二。

而早在2010年，裴端卿團隊就發(fā)現(xiàn)，細胞“逆轉(zhuǎn)”過程是由間充質(zhì)細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變到上皮細胞狀態(tài)來驅(qū)動的。在進一步的研究中，裴端卿、鄭輝團隊通過優(yōu)化轉(zhuǎn)化因子導(dǎo)入的順序，發(fā)現(xiàn)在間充質(zhì)細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變到上皮細胞狀態(tài)前還存在一個上皮細胞狀態(tài)向間充質(zhì)細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并證明這樣的多次轉(zhuǎn)換有利于提高重編程效率。

“這一發(fā)現(xiàn)與中國傳統(tǒng)陰陽太極理念較一致。我們進一步推論，間充質(zhì)細胞狀態(tài)與上皮細胞狀態(tài)之間的多次相互轉(zhuǎn)換機理具有較高的普遍性，在其他系統(tǒng)或研究中也存在?！迸岫饲湔f。

誘導(dǎo)多能干細胞及其產(chǎn)生的功能細胞移植被認為是治療遺傳病、器官損傷以及帕金森等退行性疾病的重要手段。誘導(dǎo)多能干細胞過程可以將人體內(nèi)的普通細胞“逆轉(zhuǎn)”回到早期胚胎發(fā)育狀態(tài)，從而重新獲得可分化成為體內(nèi)絕大多數(shù)種類細胞的能力。

據(jù)了解，按照新細胞生物學(xué)機制，其可像正常胚胎干細胞一樣轉(zhuǎn)換成各種不同類型的細胞，如神經(jīng)細胞、肝細胞和心臟細胞等。由于這些重組細胞產(chǎn)自患者的核遺傳物質(zhì)，因此不用考慮患者的移植排斥反應(yīng)?！耙愿杉毎委煘楹诵牡脑偕t(yī)學(xué)，將成為繼藥物治療、手術(shù)治療后的另一種疾病治療途徑，從而成為新醫(yī)學(xué)革命的核心?！笨萍疾俊陡杉毎芯繃抑卮罂茖W(xué)研究計劃“十二五”專項規(guī)劃》對干細胞治療的地位作了上述評估。

技術(shù)用于臨床為時尚早

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

然而，干細胞產(chǎn)業(yè)盡管市場前景廣闊，但國內(nèi)干細胞技術(shù)的科研成果轉(zhuǎn)換目前還存在一定障礙。國家干細胞工程技術(shù)研究中心主任韓忠朝表示：“干細胞再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品研究開發(fā)代表著新方向，但是目前只有干細胞庫技術(shù)服務(wù)產(chǎn)生了經(jīng)濟效益，其他干細胞產(chǎn)品還不能走入市場。干細胞藥物上市審批存在障礙，導(dǎo)致科研成果難以轉(zhuǎn)化、VC/PE不敢投資、企業(yè)不愿投入科研資金?！?/p>

裴雪濤認為，之所以將細胞核重編程技術(shù)視為再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，是因為它為多能干細胞的獲得提供了新的途徑。此前，實驗室研究的干細胞主要來源為胚胎干細胞和成體干細胞，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)多能干細胞則集合了兩者的優(yōu)點，淡化了兩者的缺點：來源為成熟細胞，獲得相對廣泛、數(shù)量充足；通過細胞核重編程，可使其獲得多向分化潛能；來源于患者自體，因此免除了倫理和免疫排斥等問題的困擾。

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

很多專家也提出，誘導(dǎo)多能干細胞的應(yīng)用面臨的最大的挑戰(zhàn)就是它可能潛在的致瘤性。來自美國加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明，如今被認為大有希望用于一系列疾病治療之中的誘導(dǎo)多能干細胞，非常類似于產(chǎn)生癌癥的細胞類型?！翱茖W(xué)家和臨床醫(yī)生必須對任何臨床應(yīng)用保持審慎。將誘導(dǎo)多能干細胞用于臨床治療，還需開展更多研究?！?/p>

因此，也許未來的某一天，人體更換器官可以像換汽車零件一樣簡單。但專家們這些看法也清楚地表明了，將細胞核移植和誘導(dǎo)多能干細胞等技術(shù)應(yīng)用于人類我們還需要耐心等待一段時間。

不過，盡管干細胞產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在阻礙和質(zhì)疑，但是，裴端卿、鄭輝團隊文章發(fā)表的新聞一見諸報端，A股唯一的干細胞上市公司中源協(xié)和當日就大漲5.04%，印證了干細胞概念對于股市的強大影響力。新技術(shù)屢獲轟動的背后，反映出了公眾和資本市場對于干細胞技術(shù)應(yīng)用的期待。