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“细胞点金术”改变世界——记诱导多能干细胞发现十年

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发表于 2016-7-19 10:01 |显示全部帖子
我们已经掌握了这项技术,我们需要让人们正确使用它。

山中伸弥因对成熟细胞进行编辑从而使其达到胚胎状态而获得诺贝尔奖。 Andy Potts制图

“我们培养出种群了。”

山中伸弥惊讶地看着说这话的一名博士后。 “我们培养出种群了。”高桥和利又一次说道。山中伸弥从桌子后面跳起来,跟着高桥和利走到了他们位于日本京都大学的组织培养室。他们在一个显微镜下看到了一小簇细胞群,这是他们5年来的工作成果,山中伸弥甚至也不能确定他们能否实现该目标。

两周前,高桥和利采集了成年小鼠的皮肤样本并使其感染了一种病毒,以引入24种经过仔细选择的基因。现在,那些细胞已经改变。它们看起来像胚胎干(ES)细胞的表现一样,ES细胞又被称为“多能”细胞,它们拥有发育成皮肤、神经、肌肉或是任何其他细胞种类的能力。山中伸弥盯着眼前的“细胞点金术”实验。“当时,我想‘一定是发生了什么错误’。”他回忆说。他请高桥和利一次又一次重复了实验。但每次实验都成功了。

接下来两个月,高桥和利将相关的基因缩小到4个,用来回溯组织发育时钟。2006年6月,山中伸弥在加拿大多伦多的国际干细胞研究学会年会上报告了这一让满堂科学家吃惊得合不拢嘴的研究结果。他将这种细胞称为“类似ES细胞”,并在随后称其为诱导多能干细胞(iPS细胞)。“很多人不相信。”当时在场的美国麻省理工学院生物学家Rudolf Jaenisch说。但Jaenisch信任山中伸弥,并认为这项研究是“独创的绝妙”成果。

这种细胞给再生医学带来了新的前景:研究人员可能对人体皮肤、血液或其他细胞进行重新编辑,使其成为iPS细胞,然后用其生长肝脏细胞、神经元或是所需要的任何组织用来治疗疾病。这种个性化的疗法将能够避免免疫排斥的风险,并能回避利用胚胎细胞的伦理风险。

但10年之后,iPS细胞的原本目标在部分程度上已经发生了偏移,因为那些疗法已经证明很难开展。在仅有1人接受治疗之后,利用iPS细胞进行的临床实验已经在2015年终止。但是iPS细胞却通过另一种方式展示了该技术的影响力。它们已经成为对人类疾病进行建模和调查以及筛选药物的重要工具。

尽管如此,该领域依然在经历成长的痛楚。随着越来越多实验室采用iPS细胞,研究人员仍在与一致性作斗争。“最大的挑战是让每个人就质量控制达成共识。”加州斯克里普斯研究所干细胞生物学家Jeanne Loring说,“我们已经掌握了这项技术,我们需要让人们正确使用它。”

从皮肤到眼睛

呈现其研究结果6周后,山中伸弥和高桥和利发表了负责重编程激成体细胞的基因身份:Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc。接下来1年,包括山中伸弥的实验室在内,有3个实验室确定了这一研究结果,并改进了基因修饰方法。又过了半年,山中伸弥和麦迪逊市威斯康星州立大学生物学家James Thomson对人类成体细胞进行了重新编辑。随后全世界的实验室蜂拥般涌向该技术,到2009年年底,已经发表了300篇左右关于iPS细胞的论文。

到2012年,当山中伸弥因该成果分享诺贝尔生理学或医学奖时,全球首例基于iPS细胞的人体临床治疗已经做好了计划。当山中伸弥首次发表其重新编辑基因的方法时,日本理化研究所(RIKEN)发育生物学中心(CDB)眼科医生高桥政代一直在尝试基于ES细胞治疗视网膜疾病的方法。她迅速转向了iPS细胞方向,最终与山中伸弥联手合作。

2013年,该团队利用两名与年龄相关的黄斑变性(可导致失明的一种眼病)患者的皮肤细胞制成了iPS细胞,并用它们了培养视网膜色素上皮(RPE)细胞层用于临床试验。不久之后,CDB研究人员利用另一种细胞编辑技术获得的刺激触发性多能性获得(STAP)细胞因涉嫌学术不端被调查,尽管这起事件与iPS细胞临床试验没有关系,但其造成的骚动使高桥政代不能再向前推进研究。“这件事使我所从事的领域平地起波澜。”她说。然而,她的团队依然在坚持研究,2014年9月12日,医生向一名70岁高龄的女性患者右眼移植了首个RPE层。高桥政代表示,这项疗法阻止了该患者的黄斑退化,增强了其视物的清晰度。

但当该实验室准备开展第二例临床实验时,山中伸弥的团队在两名患者的iPS细胞和由其得到的RPE细胞中发现了细微的基因变异。并没有迹象表明,这些突变会与肿瘤形成相关联,然而“为了确保安全性”,山中伸弥建议高桥政代暂缓第二例临床实验。她照做了。

这项实验的停止也给对该领域感兴趣的其他研究人员踩了刹车,加州大学戴维斯分校干细胞生物学家Paul Knoepfler说,“全世界都在看它会怎样发展。”但英国牛津大学研究干细胞管理和制作的专家David Brindley表示,iPS细胞走向临床面临的难题并不稀奇,一项科学发现走向临床和商业化应用需要花费20年左右的时间,所以iPS细胞“也在沿着大约同样的轨迹前行”。

提高技术精确度

尽管iPS细胞疗法遭遇了挫折,但该技术在其他领域的研究却欣欣向荣。制作iPS细胞的方法“比5年前更加先进、精确”,Knoepfler说。

但大多数重新编辑技术效率都不高:只有一小部分细胞最终得到成功编辑。像所有细胞系一样,iPS细胞的每个细胞株之间都存在差异。这使其很难在实验中被控制。

纽约市洛克菲勒大学神经学家Marc Tessier-Lavigne和纽约干细胞基金会的同事在利用阿尔茨海默氏症和额颞叶痴呆早期患者的组织样本生成的iPS细胞进行研究时就面临这个挑战。他们很快意识到应该将患者的iPS细胞和那些对照健康组的人生成的iPS细胞进行对比,可能是因为遗传背景或基因表达差别悬殊的结果,那些细胞在培养皿中的表现完全不同。“所以我们把目光聚焦在基因编辑方面。”Tessier-Lavigne说。

近年来,CRISPR-Cas9基因编辑技术非常受欢迎,它让研究人员能够将与疾病关联的突变引入一项iPS细胞样本中,并将其与原始的未经编辑的细胞系进行对比。Jaenisch的实验室就将CRISPR-Cas9和iPS细胞一起使用。“我们可以做任何想要的基因编辑操作。”他说。

更加精确的新基因编辑方法已经证明非常有价值。例如,今年4月,Tessier-Lavigne实验室的两名研究人员展示了一项技术,能够利用CRISPR向iPS细胞引入具体位点的基因突变,并仅编辑一个基因的单个复本,而不是两个。这使他们能够产生拥有阿尔茨海默氏症关联基因突变的精确结合体,并用于研究疾病的效应。

但是因为iPS细胞类似于胚胎细胞,它们在研究痴呆等晚发性疾病时并不那么理想。因此,研究人员正在探索新方法,给细胞增加压力或引入让细胞过早成熟的蛋白质。“这是个尚未得到解决的合理的担忧,但是有一系列方法可以尝试解决它。”Tessier-Lavigne说。

依然任重道远

iPS细胞可模仿早期人体发育的事实已经被证明在其他领域也具有价值,如发现孕妇感染寨卡病毒是否会导致小头症,其作用机制如何。马里兰州约翰斯·霍普金斯大学神经学家Guo-li Ming和同事利用iPS细胞建立了大脑类组织(类似发育器官的三维组织)。当研究人员将其暴露在寨卡病毒中时,他们发现病原体会倾向于感染新形成神经元的神经干细胞,导致更多神经干细胞死亡以及大脑皮层神经元容积的减少,类似于小头症。

其他研究团队曾利用iPS细胞建造微肠道、微肝脏等类器官,利用iPS细胞做出的与疾病相关联的发现仍在逐渐增多。其中包括青光眼中的基因复制如何导致神经细胞群的死亡,概括与亨廷顿氏症相关的遗传和细胞突变等。

此外,iPS细胞在药物发现方面也有一些成功的应用,该方法提供了大量来自患者的细胞,可用于筛选及检测试验性药物。例如,2012年,用采集自神经细胞发育疾病患者的细胞生成的神经干细胞,被用于筛选近7000种小分子以及鉴定一种可治疗该疾病的潜在药物。

现在,该领域正通过检查基因组、基因表达模式等信息,聚焦于系统地辨别细胞系的身份和安全性。今年3月,剑桥欧洲iPS细胞库启动了标准化的iPS细胞索引,可用于疾病建模。山中伸弥也参与了储存iPS细胞以用于未来治疗。

然而,他表示未来最大的挑战不是科学方面的。研究人员需要来自制药产业和政府的大力支持,以推进细胞疗法;对于药物发现和疾病建模来说,研究人员必须持之以恒,要有耐心。他表示,iPS细胞只会缩短发现药物的过程,而不会跳过这一过程。“没有任何魔法。无论是用iPS细胞还是任何其他新技术,仍有很长的路要走。”(红枫)

《中国科学报》 (2016-07-19 第3版 国际)
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