誘導多能幹細胞技術生十年 它怎樣改變了世界？
【圖注】Illustration by Andy Potts; Photo: Chris Goodfellow/GladstoneInst.
山中伸彌（ShinyaYamanaka）因爲將成體細胞重編程還原到類胚胎狀態而獲得諾貝爾獎。
“細胞集落出現了。”
山中伸彌驚訝地擡頭看着正和他說話的博士後。“細胞集落出現了，”高橋和利（Kazutoshi Takahashi）又說了一遍。山中從位子上跳了起來，跟着高橋去了位於日本京都大學的組織培養室。在顯微鏡下，他們看到了一簇簇細胞形成的小球——這就是他們五年工作的結晶。山中伸彌簡直不相信這是真的。
兩週前，高橋從成年小鼠的皮膚上採集了細胞，並用一種病毒將其感染。這些病毒經過設計，引入24個精心挑選的基因。現在，細胞的改造完成，它們的外貌和行爲都和胚胎幹細胞（embryonicstem，ES）相似。它們是多能細胞，能夠發育成皮膚、神經、肌肉或者其他任意細胞類型。
山中凝視着眼前用細胞完成的“點石成金”的魔法。“那時候我想着，‘一定是搞錯了，’”他回憶道。他又讓高橋做了一次又一次的實驗。每次實驗都成功了。
接下來的兩個月裡，高橋把能夠讓細胞發育的時鐘倒退的基因範圍縮小到4個。2006年6月，山中在加拿大多倫多召開的國際幹細胞研究協會（InternationalSociety for Stem Cell Research）年會上發表了這項研究的結果，震驚四座。
他把這種細胞稱爲“胚胎幹細胞樣細胞”（ES-likecells），後來又易名爲誘導多能幹細胞（inducedpluripotent stem cell），或稱iPS細胞。“許多人當時不相信此事，”麻省理工學院（Massachusetts Institute ofTechnology）的生物學家Rudolf Jaenisch表示。他當時就在現場。不過Jaenisch瞭解並信任山中的研究。他覺得這個研究“相當高明”。
這些細胞將爲再生醫學帶來福音：研究人員只需取些一個人的皮膚、血液或是其他細胞，就可以把這些細胞重編程轉變爲iPS細胞，然後用這些細胞來培養肝細胞、神經元或者任何可以用來治病的細胞。這種個性化的療法可以規避免疫排斥反應的風險，也迴避了用胚胎細胞進行治療的倫理問題。
十年後，這些細胞的使命發生了變化。一部分的原因是，以上療法的設想被證明難於實現。唯一一個應用了iPS細胞的臨牀試驗在2015年被叫停，僅有一人接受了治療。
但是iPS細胞卻在別處大放異彩。它們成爲對人類疾病進行建模和研究，以及進行藥物篩選的重要工具。
人們對這種細胞的製備方法以及基因編輯技術進行了改良，把iPS細胞變成了實驗室的主力。它爲研究提供了無窮無盡的人體組織供應，這一度是不可能的。
約翰霍普金斯大學的神經科學家Guo-li Ming表示，在人體發育和神經系統疾病的研究領域內，這點尤其可貴。她從2006年起就開始使用iPS細胞。
這個領域依然在經歷成長的陣痛。隨着越來越多的實驗室開始應用iPS細胞，一致性的問題愈發凸顯。加州斯克裡普斯研究所（Scripps Research Institute）的幹細胞生物學家Jeanne Loring表示，“最大的挑戰是讓每個人都用同一套質量控制規範。”
“依然有人發表用單一細胞系幹了些大事的論文，結果沒人能夠複製這些研究，”她說，“掌握了技術不再是難事。但是要讓大家都正確運用。”
從皮膚到眼睛
在成果公佈6個星期之後，山中和高橋發表了論文，在這篇論文中他們公佈了能夠將成體細胞重編程的基因：Oct3/4、Sox2、Klf4以及c-Myc。第二年，包括山中的實驗室在內的三個實驗室確認了上述結果，並且改良了重編程的方法。
在接下來的6個月裡，山中和威斯康星大學麥迪遜分校（Universityof Wisconsin–Madison）的James Thomson成功地將人類成體細胞重編程。全世界的實驗室一擁而上地使用這項技術。到2009年底，關於iPS細胞大約發表了300篇論文。
許多實驗室專注解決何種成體細胞能夠被重編程，以及iPS細胞能夠發育爲何種細胞的問題。其他實驗室則進一步改良重編程的方法，一開始他們讓重編程不再依賴於c-Myc基因（這個基因可能使一些細胞癌變），後來直接向細胞輸送基因而不把它們嵌入到基因組中（將這些基因嵌入基因組的話有安全方面的問題，是iPS細胞療法的風險所在）。
另外一個大問題在於，iPS細胞到底有多像ES細胞。它們之間的差異慢慢浮現。科學家發現iPS細胞會保存一部分“表觀遺傳記憶”（epigenetic memory）——留在DNA上的化學標記模式，反映了原始細胞的類型。但是專家稱，這種變化應該不會影響iPS細胞在治療中的使用。Jaenisch表示，“（iPS細胞）和ES細胞有所區別，但是我相信這些差別並沒有什麼關係。”
2012年，當山中伸彌因爲iPS細胞和別人均分了諾貝爾生理學或醫學獎（NobelPrize in Physiology or Medicine）的時候，iPS細胞療法的第一次人體臨牀實驗已經在設計中了。當山中才發表了第一篇關於重編程方法的論文時，日本RIKEN發育生物學中心（CDB）的眼科專家高橋政代（MasayoTakahashi）此前一直爲視網膜疾病研發基於ES細胞的療法。
她馬上轉向iPS細胞，最終和山中開始合作。
2013年，她的團隊用來自兩個患有老年性黃斑變性（AMD，可導致失明）的病人的皮膚細胞製造出了iPS細胞，然後用它們製造出了幾層視網膜色素上皮細胞（RPE）用於臨牀試驗。
不久後，受另一種細胞重編程技術——刺激觸發性多能性獲得（STAP）牽連，使用該技術的CDB研究人員接受學術不端調查。雖然這和iPS細胞試驗無關，然而這場鬧劇還是讓高橋政代的研究進展受阻。她說這個事件讓她的研究“平地起雲煙”。
不過，她的團隊還是不顧一切勇往直前。2014年9月12日，醫生們把第一個RPE移植到一個古稀之年的老太太的右眼上。高橋政代表示，這次手術中止了黃斑變性，讓患者恢復了視力。
但是當實驗室開始準備治療第二個試驗患者時，山中的團隊發現了患者iPS細胞和相應RPE細胞中的2個微小的基因變異。雖然並沒有證據顯示這兩起變異和癌變有關，但是“爲了安全起見”，山中建議暫停試驗。她聽從了。
維斯加州大學的幹細胞生物學家Paul Knoepfler認爲，這次停擺也讓其他對這個領域感興趣的研究人員踟躕了，“世界在靜待此事的發展。”但是，牛津大學的David Brindley表示，iPS細胞進入臨牀階段所面臨的困難並非與衆不同。他研究的是幹細胞的調控和製造。他說，一般情況下大約要花20年才能將科學發現轉化爲臨牀和商業應用，因此iPS細胞“只是走在老路上。”
在美國，安斯泰來再生醫學研究所（AstellasInstitute for Regenerative Medicine，前身爲先進細胞技術公司Advanced CellTechnology）的首席科學官Robert Lanza表示，該公司已經計劃了幾個iPS細胞療法，其中包括黃斑變性和青光眼的療法。
對於任何這類療法來說，都要需要數年才能找到一個合適的方法來，得以足夠純度大量製造所需類型的細胞。“ iPS細胞是臨牀中遇到的最複雜、最充滿變數的療法，”Lanza表示，“我是第一個想要看見它在臨牀中得到應用的人，但是必須十分小心謹慎才行。”
另外一個挑戰在於，搞明白需要什麼才能讓這種療法得到批准。Loring希望在未來兩年內開展針對帕金森氏病的iPS細胞療法臨牀試驗。但是這很難辦：療法將採用來自單個病人的細胞， Loring打算對每個細胞系進行一系列複雜的檢測和確認，以向美國食品藥品管理局（FDA）證實其安全性。
山中表示，爲哪怕一個人研發並測試某種療法都是有意義的。不過給一個人開發並測試藥物需花費1年的時間和1百萬美金。他預計未來的療法會採用細胞庫中來自供體的iPS細胞，而不是爲每個病人單獨定製。
高橋政代計劃將細胞庫中的iPS細胞和從病人身上採樣的細胞進行一一對照，以觀察免疫反應方面的差別。她打算“很快”向日本政府申請重新啓動她的黃斑病變臨牀試驗。不過當被詢問具體的時間軸時，她沒有迴應。
改良細胞羣
雖然細胞療法遭遇了挫折，但是其他相關研究領域卻蓬勃發展。Knoepfler表示，“僅僅過去五年，製造iPS細胞的方法更甄完美和簡潔。”
不過大多數重編程技術相當低效：只有一小部分細胞最後實現完全的重編程。像所有細胞系一樣，iPS細胞系之間互不相同，這使得實驗中很難設控制組。
洛克菲勒大學（RockefellerUniversity）的神經科學家Marc Tessier-Lavigne和紐約幹細胞基金會（New York Stem Cell Foundation）接受了這個挑戰，他們用來自早發性阿爾茲海默症和額顳葉癡呆病人的iPS進行研究。他們很快發現，用病人的iPS細胞和控制組的健康人羣細胞進行比較行不通——培養時這兩類細胞的行爲天差地別，可能是因爲它們的基因背景或是基因表達方面存在巨大差異。Tessier-Lavigne表示，“因此我們轉而求助於基因編輯技術。”
CRISPR-Cas9基因編輯工具在最近幾年大熱。它讓研究人員能夠爲iPS細胞樣品插入與疾病相關的基因變異，然後把它們和同一批未經編輯的細胞系進行比較。Jaenisch的實驗室每天都在用CRISPR–Cas9編輯iPS細胞。他說，“我們想要怎麼操縱都行。”
新出現的更加完美的基因編輯方法的用處更大。今年4月，Tessier-Lavigne實驗室的Dominik Paquet和Dylan Kwart發明了一種技術，它能夠用CRISPR爲iPS細胞引入特定點位的變異，並且該技術僅對一對基因中的一個，而不是雙雙進行編輯。這個技術讓他們能夠用阿爾茲海默症相關基因變異的精確組合製造細胞，並研究相關的效應。
但是，因爲iPS細胞和胚胎細胞很相似，它們並不總是適合研究晚發性疾病（如癡呆症）。因此研究人員在研究通過給細胞施加壓力或者引入蛋白質讓其早衰的辦法。Tessier-Lavigne表示，“這方面的擔心是有道理的，問題也還沒有得到解決。不過有許多方法可以用來嘗試對付這個問題。”
iPS細胞能夠模擬人類早期發育的特點已經在另一個領域裡發揮了作用——關於孕婦體內的寨卡病毒是否會導致小頭症及其病變過程的研究競賽。小頭症表現爲嬰兒的頭部比正常情況要小。
Ming和她的同事用iPS細胞製造了大腦類器官——和發育中的器官很像的三維組織。當他們用寨卡病毒感染大腦類器官時，他們發現病原體更喜歡感染神經幹細胞而不是新形成的神經元，這就導致神經幹細胞的死亡率增加、大腦皮層中神經元減少。這些情況和小頭症很相似。
其他研究人員用iPS細胞製造了諸如迷你腸道和迷你肝臟一類的類器官。利用iPS細胞做出的疾病相關發現的數量在不斷增長。其中包括，青光眼患者的某個基因複製導致神經細胞羣凋亡；對和亨廷頓氏病有關的基因和細胞變化的重新描述。
在藥物研發方面，iPS細胞也獲得了成功。它們爲藥物篩查和實驗性藥物的測試提供了大量來自患者的細胞。2012年，用神經細胞發育不良症患者的細胞製造的神經幹細胞被用來篩查接近7000種小分子，並且識別出了一種有治療潛力的藥物。同年，一個團隊報告稱，他們用遺傳性疼痛障礙患者的細胞製成的iPS細胞生成了感覺神經元。
這些研究者發現，一種阻斷鈉的化合物能夠減少神經元的興奮性並減少病人的疼痛。這項研究的第一作者，輝瑞公司神經科學與疼痛研究單位（PfizerNeuroscience and Pain Research Unit）的研究員Edward Stevens表示，用iPS細胞來預測人們是否會對特定藥物起反應是很讚的事。不過在這方面還需要更多的證據來證明這個方法行得通。
甚至在細胞重編程被發現10年後，研究人員依然對其作用機理不甚明瞭。目前，這個領域主要關注通過檢查基因組、基因表達模式等等方面來系統地確認細胞系的種類和安全性。進行這方面研究的其中一個機構是位於英國的歐洲誘導多功能幹細胞銀行（EuropeanBank for Induced Pluripotent Stem Cells）。今年3月，這個機構公開啓動了對標準化iPS細胞進行編錄以用於疾病建模的項目。
爲了今後療法的研發，山中也在建立iPS細胞庫。他收集了大量樣本，這些樣本在廣泛的人羣中具有免疫兼容性。但是他表示，未來最大的挑戰並不來自科學。
研究人員需要醫藥行業和政府的強力支持才能在細胞療法領域有所建樹。在藥物研發和疾病建模方面，研究人員一定要保持耐心、持之以恆。山中表示，iPS細胞只會縮短科研的進程，但無法直接創造出藥物。“這方面沒有什麼魔法。不管是iPS細胞也好，任何其他新科技也好，都需要很長的時間。”
附錄：iPS革命年表
山中伸彌的發現啓迪了數以千計的論文，這些論文研究了iPS細胞的種類、性質以及在研中的應用。
2006
日本京都大學的山中發現，只需要4個基因就能使小鼠成體細胞重編程回到胚胎的狀態，變成“多能” iPS細胞。
2007
山中和威斯康星大學麥迪遜分校的James Thomson均報告稱制造出了人類iPS細胞。
2009
爲了在培養皿中模擬帕金森氏病，患者的皮膚細胞被轉換爲能夠產生多巴胺的神經元。
2010
幾個團隊證明，無需在基因組中插入基因也能製造iPS細胞。
2012-2013
山中（和瑞典國王卡爾十六世·古斯塔夫握手）和劍橋大學的John Gurdon因爲在細胞重編程方面的貢獻獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。
2014
日本研究人員率先開始對來自iPS的細胞進行人體臨牀試驗，他們想要治療一種退行性眼部疾病。
2015
日本臨牀試驗被叫停。
撰文Megan Scudellari
翻譯 徐寒易
審校 紫蘇
原文鏈接：http://www.nature.com/news/how-ips-cells-changed-the-world-1.20079