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20年间,胚胎干细胞的“革命之路” | Nature长文

2018/03/29 来源:生物探索
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导读
胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESCs)是早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞,因为自我更新、多向分化的潜能而被医学界誉为“万能细胞”。自1998年科学界首次成功获得人类胚胎干细胞至今,20年间围绕着它的研究一直在希望、争议之间发展,并正朝着临床的方向积极前进。


由胚胎干细胞分化而来的神经群,在培养基中聚集成球状。图片来源:Brivanlou Lab/Rockefeller University

胚胎干细胞(ES)为生命的早期发育提供了丰富的信息。类似于天文学家们回顾宇宙大爆炸,生物学家们也倾向于在这类细胞中寻找生命起源的秘密。科学家们将胚胎干细胞培育成多种不同类型的成熟细胞,构成机体不同的组织和器官用于测试药物、构建疾病模型等多种用途。

其中,最让人期待的是疾病治疗——自2010年尝试修复脊髓损伤开始,目前已有十多个基于ES细胞来源的细胞临床试验正在进行中,用于治疗帕金森症、糖尿病等多种疾病。今年3月,一项发表于《Nature Biotechnology》期刊的文章揭示了利用来源于胚胎干细胞的视网膜色素上皮细胞治疗年龄相关性黄斑变性眼疾的临床试验的安全性和可行性。

“胚胎干细胞一直让我很兴奋。它们会带来前所未有的新发现,并有着改变生命的意义。我对此毫不怀疑。” 哥伦比亚大学教授Dieter Egli强调道。他带领团队利用胚胎干细胞探索来源于成熟细胞的DNA经过重编程“还原”至胚胎状态的可能,为糖尿病诊疗带来新线索。2016年,Dieter Egli在《Nature》期刊发表重要研究,开发出一种全新的人类胚胎干细胞(只携带一半数量的染色体),简化对人类基因组的研究。

试探性的开端

1981年,科学家成功从小鼠胚胎中提取出干细胞,并实现体外培养。很快,他们见识到干细胞的潜能:无限复制、自我更新和多向分化,可以衍生出超200种不同类型的细胞。但是,这一奇妙在灵长类动物身上并不容易实现。

威斯康星大学麦迪逊分校的James Thomson教授投入14年时间、心血才在灵长类动物身上成功验证。直到1998年,Thomson利用捐赠的人类胚胎构建出世界首份人类胚胎干细胞系。

然而,这一研究引发了一场“道德风暴”——以宗教界为主的批评人士认为胚胎是生命的组成部分,他们希望禁止任何试图破坏它们的研究。2001年,美国第43任总统George W. Bush严格限制对胚胎干细胞的研究。与此同时,包括德国、意大利在内的国家也对其发布了禁令。

尽管如此,科学并未停止步伐。来自于澳大利亚、新加坡、以色列、加拿大和美国等多个国家的科学家们先后证实,胚胎干细胞可以分化形成神经元、免疫细胞和心脏细胞。

另外,他们希望从不同的途径获得胚胎干细胞,例如从体细胞核移植(创建多莉羊的克隆技术)来源的胚胎中提取干细胞。虽然经历了2005年黄禹锡“利用体细胞克隆出与患者基因相吻合的11种特制型胚胎干细胞”造假事件的影响,俄勒冈健康与科学大学的干细胞研究团队最终在2013年证实了从克隆胚胎中提取出干细胞的可行性。

强有力的竞争对手

最初的15年,大多数针对胚胎干细胞的研究都集中于其多向分化的功能,并找到了多能性的关键,由此而奠基了诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)的出现。


图片来源:Chris Goodfellow/Gladstone Inst.

2006年,日本京都大学的山中伸弥团队成功利用病毒载体将4个转录因子转入成年老鼠的皮肤细胞中,使其重编程并获得一簇类似于胚胎干细胞(ESCs)的新型细胞,由此打开了诱导性多能干细胞的研究大门。随后一年,山中伸弥和James Thomson教授团队都成功将人类成体细胞诱导成多能性干细胞。

理论上,iPSCs提供了一种可与患者基因匹配的个性化医疗潜能,降低免疫排斥风险的同时还绕开了使用胚胎干细胞引发的伦理道德问题。当时不少人预测,iPSCs将很快取代胚胎干细胞的研究地位。

然而,预言并没有发生。2006年后基于胚胎干细胞的学术文章迅速增长,尤其是2012年之后每年的论文数量平均增长约2000篇。相比于iPSCs,胚胎干细胞被认为是“黄金标准”。

即便是现在,iPSCs依然有很多未知。中国科学院干细胞研究首席科学家周琪院士认为iPSCs存在致瘤风险,所以他更倾向于利用胚胎干细胞来源的体细胞进行临床试验。

应用价值

利用胚胎干细胞培育出所需的细胞并不容易,最初这一操作的成功率不足1%。2007年,日本RIKEN发育生物学中心的Yoshiki Sasai团队发现一种抑制因子——ROCK,可以维持胚胎干细胞的活性,避免其死亡。伴随着这些进展,胚胎干细胞分化出特定成熟细胞的成功率提高至27%。“这些技术促使ES细胞进入‘黄金时代’。” 瑞典隆德大学的细胞生物学家Malin Parmar肯定道。

除了分化出所需的成熟细胞之外,胚胎干细胞还有很多应用潜能:培育特定的类器官,用于药物筛选、疾病致病机理研究。给予3D环境、正确的信号通路,胚胎干细胞可以形成类器官(organoids),例如肠道——俄亥俄州辛辛那提儿童医院的James Wells团队利用这一潜能筛选药物。

2004年,因为体外受精获得的胚胎干细胞携带有遗传缺陷不得不终止生育应用,芝加哥医生团队开始以其为材料,构建与地中海贫血、亨廷顿氏病、肌肉萎缩症等遗传病的细胞模型。2007年,他们利用胚胎干细胞筛选到引发认知损伤(由脆性X染色体综合征导致)的分子突变。

哈佛干细胞研究所的Douglas Melton耗时15年将胚胎干细胞培育成功能性的胰岛β细胞(感知葡萄糖水平并分泌胰岛素)。但是Douglas Melton并没有在正常ES来源的胰岛细胞与iPS细胞(来源于糖尿病患者)分化而来的胰岛细胞之间找到任何差异。“我们知道遗传易感性,但是这并不意味着可以在体外找到它。” Douglas Melton表达道。

临床潜能:糖尿病、帕金森、黄斑变性……

Douglas Melton试图将来源于胚胎干细胞的胰岛β细胞移植给患有1型糖尿病的病人,他希望,这一策略至少可以减轻患者对于胰岛素注射的依赖。这一试验的最后一道障碍是如何在不受免疫系统破坏的前提下实现细胞植入。

为此,Douglas Melton创建了一家生物技术公司Semma Therapeutics,旨在开发一种特殊的“育儿袋”(pouch)——将ES来源的胰岛β细胞置于其中(保证营养物质可以进入、胰岛素可以释放),同时避免免疫系统的攻击。他计划在3年内启动临床试验。

在临床应用领域,许多科学家认为iPS细胞最终会战胜ES细胞。一个潜在的优势是,iPS细胞可以分化出于患者自身遗传背景相同的细胞/组织,在移植时可以避免免疫排斥。但是,对于大多数遗传性疾病而言,来源于患者本身的iPS细胞同样包含多种突变。而且基于iPS细胞的治疗策略面临时间和成本问题,需要投入近百万美元的费用用于细胞培养和检测,患者需要等待11个月才能进行移植手术。

迄今为止,医学界仅完成一例iPS细胞治疗临床试验——由日本RIKEN中心的眼科医生Masayo Takahashi团队于2014年完成,旨在治疗黄斑变性。随后,临床试验因多种原因而中止。2017年,Masayo Takahashi团队宣布重新启动相关研究,不同的是他们使用的诱导性多能干细胞来源于捐赠的细胞,即世界首例异体诱导性多能干细胞移植试验。让人忐忑的是,这一试验在今年1月再次遇到“坎坷”——其中一名患者眼睛中出现一种薄膜,必须经过手术切除。

黄斑变性眼疾一直是胚胎干细胞治疗的热门,包括美国、英国、韩国、中国和以色列在内,至少有6项临床试验正在进行中。3月19日,由眼科专家Pete Coffey带领的团队发布了最新成果:他们将来源于胚胎干细胞的视网膜色素上皮细胞植入两名患者的眼睛中,一年后,虽然速度很慢,患者重获阅读机会。

梅奥诊所的眼科专家Alan Marmorstein评价这一研究为ES领域的“重大突破”。他表示:“10年前,我们以为,只需要将细胞植入进入,它们知道怎么做。但是事实并非如此,我们需要以适当的方式加以控制。”

很多学者推测,干细胞领域的下一个重大临床突破将是帕金森治疗。这一疾病主要源于多巴胺的缺失,有6家公司和诊所正试图利用ES细胞或者iPS细胞取代分泌多巴胺的神经元。

一个关键的问题是,在移植之前,多能干细胞应该在分化、成熟的道路上“走多远”?澳大利亚、中国有团队曾先后开始研究使用未成熟的神经前体细胞(不产生多巴胺),结果显示,这种“不成熟”有助于细胞在移植后融入患者大脑。但是,也有研究团队表示,使用更成熟的细胞(用于生产分泌多巴胺的神经细胞)更为可靠。

下一步

胚胎干细胞研究仍然有巨大的空间,当然也面临着很大的障碍,例如许多成体细胞无法获得。Douglas Melton预估,胚胎干细胞目前只能分化出约10种具备正常功能细胞类型。另外一些具有深远意义的细胞,例如卵细胞、精细胞,依然是一个挑战。

除了技术障碍之外,ES研究还面临着资金的不确定性。美国前总统Barack Obama曾在其上任之初就解除了胚胎干细胞研究的限令。然而,随着第45任美国总统Donald J. Trump的当选,是否对胚胎干细胞研究施加新的限制一直未有定数。

不可否认的是,胚胎干细胞的价值一再被证实,它是解析细胞多能性、改善再生医学、助力细胞治疗的重要元件。未来,它将会带来更多的惊喜,我们拭目以待!

参考资料:

How human embryonic stem cells sparked a revolution

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