胚胎干細胞（ES）為生命的早期發(fā)育提供了豐富的信息。類(lèi)似于天文學(xué)家們回顧宇宙大爆炸，生物學(xué)家們也傾向于在這類(lèi)細胞中尋找生命起源的秘密?？茖W(xué)家們將胚胎干細胞培育成多種不同類(lèi)型的成熟細胞，構成機體不同的組織和器官用于測試藥物、構建疾病模型等多種用途。

       其中，最讓人期待的是疾病治療——自2010年嘗試修復脊髓損傷開(kāi)始，目前已有十多個(gè)基于ES細胞來(lái)源的細胞臨床試驗正在進(jìn)行中，用于治療帕金森癥、糖尿病等多種疾病。今年3月，一項發(fā)表于《Nature Biotechnology》期刊的文章揭示了利用來(lái)源于胚胎干細胞的視網(wǎng)膜色素上皮細胞治療年齡相關(guān)性黃斑變性眼疾的臨床試驗的安全性和可行性。

       “胚胎干細胞一直讓我很興奮。它們會(huì )帶來(lái)前所未有的新發(fā)現，并有著(zhù)改變生命的意義。我對此毫不懷疑。” 哥倫比亞大學(xué)教授Dieter Egli強調道。他帶領(lǐng)團隊利用胚胎干細胞探索來(lái)源于成熟細胞的DNA經(jīng)過(guò)重編程“還原”至胚胎狀態(tài)的可能，為糖尿病診療帶來(lái)新線(xiàn)索。2016年，Dieter Egli在《Nature》期刊發(fā)表重要研究，開(kāi)發(fā)出一種全新的人類(lèi)胚胎干細胞（只攜帶一半數量的染色體），簡(jiǎn)化對人類(lèi)基因組的研究。

       試探性的開(kāi)端

       1981年，科學(xué)家成功從小鼠胚胎中提取出干細胞，并實(shí)現體外培養。很快，他們見(jiàn)識到干細胞的潛能：無(wú)限復制、自我更新和多向分化，可以衍生出超200種不同類(lèi)型的細胞。但是，這一奇妙在靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物身上并不容易實(shí)現。

       威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的James Thomson教授投入14年時(shí)間、心血才在靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物身上成功驗證。直到1998年，Thomson利用捐贈的人類(lèi)胚胎構建出世界首份人類(lèi)胚胎干細胞系。

       然而，這一研究引發(fā)了一場(chǎng)“道德風(fēng)暴”——以宗教界為主的批評人士認為胚胎是生命的組成部分，他們希望禁止任何試圖破壞它們的研究。2001年，美國第43任總統George W. Bush嚴格限制對胚胎干細胞的研究。與此同時(shí)，包括德國、意大利在內的國家也對其發(fā)布了禁令。

       盡管如此，科學(xué)并未停止步伐。來(lái)自于澳大利亞、新加坡、以色列、加拿大和美國等多個(gè)國家的科學(xué)家們先后證實(shí)，胚胎干細胞可以分化形成神經(jīng)元、免疫細胞和心臟細胞。

       另外，他們希望從不同的途徑獲得胚胎干細胞，例如從體細胞核移植（創(chuàng )建多莉羊的克隆技術(shù)）來(lái)源的胚胎中提取干細胞。雖然經(jīng)歷了2005年黃禹錫“利用體細胞克隆出與患者基因相吻合的11種特制型胚胎干細胞”造假事件的影響，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的干細胞研究團隊最終在2013年證實(shí)了從克隆胚胎中提取出干細胞的可行性。

       強有力的競爭對手

       最初的15年，大多數針對胚胎干細胞的研究都集中于其多向分化的功能，并找到了多能性的關(guān)鍵，由此而奠基了誘導性多能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）的出現。

       圖片來(lái)源：Chris Goodfellow/Gladstone Inst.

       2006年，日本京都大學(xué)的山中伸彌團隊成功利用病毒載體將4個(gè)轉錄因子轉入成年老鼠的皮膚細胞中，使其重編程并獲得一簇類(lèi)似于胚胎干細胞（ESCs）的新型細胞，由此打開(kāi)了誘導性多能干細胞的研究大門(mén)。隨后一年，山中伸彌和James Thomson教授合作，成功將人類(lèi)成體細胞誘導成多能性干細胞，并因此入選Science年度十大科學(xué)突破。

       理論上，iPSCs提供了一種可與患者基因匹配的個(gè)性化醫療潛能，降低免疫排斥風(fēng)險的同時(shí)還繞開(kāi)了使用胚胎干細胞引發(fā)的倫理道德問(wèn)題。當時(shí)不少人預測，iPSCs將很快取代胚胎干細胞的研究地位。

       然而，預言并沒(méi)有發(fā)生。2006年后基于胚胎干細胞的學(xué)術(shù)文章迅速增長(cháng)，尤其是2012年之后每年的論文數量平均增長(cháng)約2000篇。相比于iPSCs，胚胎干細胞被認為是“黃金標準”。

       即便是現在，iPSCs依然有很多未知。中國科學(xué)院干細胞研究首席科學(xué)家周琪院士認為iPSCs存在致瘤風(fēng)險，所以他更傾向于利用胚胎干細胞來(lái)源的體細胞進(jìn)行臨床試驗。

       應用價(jià)值

       利用胚胎干細胞培育出所需的細胞并不容易，最初這一操作的成功率不足1%。2007年，日本RIKEN發(fā)育生物學(xué)中心的Yoshiki Sasai團隊發(fā)現一種抑制因子——ROCK，可以維持胚胎干細胞的活性，避免其死亡。伴隨著(zhù)這些進(jìn)展，胚胎干細胞分化出特定成熟細胞的成功率提高至27%。“這些技術(shù)促使ES細胞進(jìn)入‘黃金時(shí)代’。” 瑞典隆德大學(xué)的細胞生物學(xué)家Malin Parmar肯定道。

       除了分化出所需的成熟細胞之外，胚胎干細胞還有很多應用潛能：培育特定的類(lèi)器官，用于藥物篩選、疾病致病機理研究。給予3D環(huán)境、正確的信號通路，胚胎干細胞可以形成類(lèi)器官（organoids），例如腸道——俄亥俄州辛辛那提兒童醫院的James Wells團隊利用這一潛能篩選藥物。

       2004年，因為體外受精獲得的胚胎干細胞攜帶有遺傳缺陷不得不終止生育應用，芝加哥醫生團隊開(kāi)始以其為材料，構建與地中海貧血、亨廷頓氏病、肌肉萎縮癥等遺傳病的細胞模型。2007年，他們利用胚胎干細胞篩選到引發(fā)認知損傷（由脆性X染色體綜合征導致）的分子突變。

       哈佛干細胞研究所的Douglas Melton耗時(shí)15年將胚胎干細胞培育成功能性的胰島β細胞（感知葡萄糖水平并分泌胰島素）。但是Douglas Melton并沒(méi)有在正常ES來(lái)源的胰島細胞與iPS細胞（來(lái)源于糖尿病患者）分化而來(lái)的胰島細胞之間找到任何差異。“我們知道遺傳易感性，但是這并不意味著(zhù)可以在體外找到它。” Douglas Melton表達道。

       臨床潛能：糖尿病、帕金森、黃斑變性……

       Douglas Melton試圖將來(lái)源于胚胎干細胞的胰島β細胞移植給患有1型糖尿病的病人，他希望，這一策略至少可以減輕患者對于胰島素注射的依賴(lài)。這一試驗的最后一道障礙是如何在不受免疫系統破壞的前提下實(shí)現細胞植入。

       為此，Douglas Melton創(chuàng )建了一家生物技術(shù)公司Semma Therapeutics，旨在開(kāi)發(fā)一種特殊的“育兒袋”（pouch）——將ES來(lái)源的胰島β細胞置于其中（保證營(yíng)養物質(zhì)可以進(jìn)入、胰島素可以釋放），同時(shí)避免免疫系統的攻擊。他計劃在3年內啟動(dòng)臨床試驗。

       在臨床應用領(lǐng)域，許多科學(xué)家認為iPS細胞最終會(huì )戰勝ES細胞。一個(gè)潛在的優(yōu)勢是，iPS細胞可以分化出于患者自身遺傳背景相同的細胞/組織，在移植時(shí)可以避免免疫排斥。但是，對于大多數遺傳性疾病而言，來(lái)源于患者本身的iPS細胞同樣包含多種突變。而且基于iPS細胞的治療策略面臨時(shí)間和成本問(wèn)題，需要投入近百萬(wàn)美元的費用用于細胞培養和檢測，患者需要等待11個(gè)月才能進(jìn)行移植手術(shù)。

       迄今為止，醫學(xué)界僅完成一例iPS細胞治療臨床試驗——由日本RIKEN中心的眼科醫生Masayo Takahashi團隊于2014年完成，旨在治療黃斑變性。隨后，臨床試驗因多種原因而中止。2017年，Masayo Takahashi團隊宣布重新啟動(dòng)相關(guān)研究，不同的是他們使用的誘導性多能干細胞來(lái)源于捐贈的細胞，即世界首例異體誘導性多能干細胞移植試驗。讓人忐忑的是，這一試驗在今年1月再次遇到“坎坷”——其中一名患者眼睛中出現一種薄膜，必須經(jīng)過(guò)手術(shù)切除。

       黃斑變性眼疾一直是胚胎干細胞治療的熱門(mén)，包括美國、英國、韓國、中國和以色列在內，至少有6項臨床試驗正在進(jìn)行中。3月19日，由眼科專(zhuān)家Pete Coffey帶領(lǐng)的團隊發(fā)布了最新成果：他們將來(lái)源于胚胎干細胞的視網(wǎng)膜色素上皮細胞植入兩名患者的眼睛中，一年后，雖然速度很慢，患者重獲閱讀機會(huì )。

       梅奧診所的眼科專(zhuān)家Alan Marmorstein評價(jià)這一研究為ES領(lǐng)域的“重大突破”。他表示：“10年前，我們以為，只需要將細胞植入進(jìn)入，它們知道怎么做。但是事實(shí)并非如此，我們需要以適當的方式加以控制。”

       很多學(xué)者推測，干細胞領(lǐng)域的下一個(gè)重大臨床突破將是帕金森治療。這一疾病主要源于多巴胺的缺失，有6家公司和診所正試圖利用ES細胞或者iPS細胞取代分泌多巴胺的神經(jīng)元。

       一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是，在移植之前，多能干細胞應該在分化、成熟的道路上“走多遠”？澳大利亞、中國有團隊曾先后開(kāi)始研究使用未成熟的神經(jīng)前體細胞（不產(chǎn)生多巴胺），結果顯示，這種“不成熟”有助于細胞在移植后融入患者大腦。但是，也有研究團隊表示，使用更成熟的細胞（用于生產(chǎn)分泌多巴胺的神經(jīng)細胞）更為可靠。

       下一步

       胚胎干細胞研究仍然有巨大的空間，當然也面臨著(zhù)很大的障礙，例如許多成體細胞無(wú)法獲得。Douglas Melton預估，胚胎干細胞目前只能分化出約10種具備正常功能細胞類(lèi)型。另外一些具有深遠意義的細胞，例如卵細胞、精細胞，依然是一個(gè)挑戰。

       除了技術(shù)障礙之外，ES研究還面臨著(zhù)資金的不確定性。美國前總統Barack Obama曾在其上任之初就解除了胚胎干細胞研究的限令。然而，隨著(zhù)第45任美國總統Donald J. Trump的當選，是否對胚胎干細胞研究施加新的限制一直未有定數。

       不可否認的是，胚胎干細胞的價(jià)值一再被證實(shí)，它是解析細胞多能性、改善再生醫學(xué)、助力細胞治療的重要元件。未來(lái)，它將會(huì )帶來(lái)更多的驚喜，我們拭目以待！

       參考資料：

       How human embryonic stem cells sparked a revolution

點(diǎn)擊下圖，即刻登記觀(guān)展！