细胞逆转推动生命再造时代？

刘俊

近日，中科院广州生物医药与健康研究院研究员裴端卿、郑辉的团队发现了一种新细胞生物学机制，有望推动诱导多能干细胞技术更快地应用到疾病治疗中。诱导多能干细胞及其产生的功能细胞移植被认为是治疗遗传病、器官损伤以及帕金森等退行性疾病的重要手段，之前该领域的瓶颈正是对此缺乏分子机理认识。

2013年5月26日，这项研究成果被发表在国际学术期刊《自然·细胞生物学》上。一时之间“细胞逆转，即将实现‘返老还童”的说法充斥着各大媒体。

细胞“逆转”的历程

有一天，每个人都将成为自身健康的“庇佑者”，不论是因为衰老、创伤或者疾病，只要是造成组织的缺损和伤害，都可以取自身的体细胞作为“种子”，让其重新“逆转”成多能干细胞，并进一步分化为心脏、神经、胰岛、肝脏、肾脏等多种类型细胞，甚至组织器官……这听起来真像是一部科幻电影里的场景，不过从2012年诺贝尔生理或医学奖揭晓的那一刻起，人们就开始触摸到了打开这个原本只存在于幻想中的世界大门的钥匙。而科学家为之奋斗的时间更是长达半个多世纪。

2012年8月17日，京都大学物质-细胞统合系统据点iPS细胞研究中心主任山中伸弥、英国发育生物学家约翰·戈登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献而获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。

所谓细胞核重编程即将成年体细胞重新诱导回早期干细胞状态，以用于形成各种类型的细胞，应用于临床医学。

一直以来，人体干细胞都被认为是单向地从不成熟细胞发展为专门的成熟细胞，生长过程不可逆转。然而，戈登和山中伸弥教授发现，成熟的、专门的细胞可以重新编程，成为未成熟的细胞，并进而发育成人体的所有组织。

而早在20世纪60年代，约翰·戈登等人便首先证明末端分化细胞的特化过程是可逆转的。在一项经典实验中，他将蝌蚪肠道的成熟特化细胞的细胞核替换掉青蛙卵细胞的细胞核，从而使卵细胞发育为性成熟的成体青蛙。尽管这一研究开展于50年前，但这些早期的核移植和克隆实验还是引起了报刊上关于克隆人可能性的猜测。

自体细胞核移植实验建立以来，领域内众多科学家相信在卵细胞和胚胎干细胞中含有某些能“赋予”末端分化体细胞核全能性或者多能性的因子，并做了诸多尝试，但一直未能成功。直到2006年，山中伸弥等人在对24个胚胎干细胞高表达的候选基因进行筛选后，最终确定了Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4四个因子起关键作用。而这个“简单处方”可以使成熟的体细胞重编程为多能干细胞，这一开创性研究成果发表于国际知名期刊《细胞》上，引起了全世界的轰动。不到6年的时间，这一研究成果几乎包揽了拉斯克基础医学奖、沃尔夫医学奖等所有医学界大奖。

在业界专家看来，这项研究首先具有重要的生物学意义，即对细胞实现人工主动调控和干预，实现细胞水平的生命再造，对研究发育本身提供了新的思路，同时避免了异体移植产生的免疫排斥反应，是人类真正进入生命再造时代的开始；其次，具有重要的医学意义：每个人身上约有千万亿个体细胞，如血液细胞、脂肪细胞、皮肤细胞、神经细胞等，这项技术意味着生产人自体干细胞有了无穷尽的原料细胞，为干细胞抗衰老保健和疾病治疗带来了新的希望。

“这项成果颠覆了人们对发育分化的传统观念，颠覆了人们对干细胞分化为体细胞这一过程不可逆的固有观念，为获取多能性干细胞增添了一个新的途径，为干细胞与再生医学、疾病发生发展机制研究和药物研发打开了一扇新的窗户。”“十二五”国家“863”计划“干细胞治疗临床转化研究”主题项目首席科学家、军事医学科学院全军干细胞与再生医学重点实验室主任裴雪涛教授对于该获奖项目曾给出这样的评价。

“所谓细胞核重编程，就是将已经分化了的成年体细胞进行诱导，让其重新回到发育早期多能性干细胞状态，重新获得发育成各种类型细胞的能力。通俗来讲，就是在细胞层面实现了‘返老还童。”中科院动物所赵同标研究员在接受采访的时候说，“一直以来，生物医学界普遍认为高等动物从受精卵发育到神经细胞、肌肉细胞、肝脏细胞等特化细胞，是一个不可逆的过程，末端分化的成体细胞绝对不会反过来逆分化变成干细胞，但英国科学家约翰·戈登和日本科学家山中伸弥的工作从根本上颠覆了这一传统观点。”

科研争夺的高地

自2006年日本科学家山中伸弥等人建立诱导多能干细胞技术以来，干细胞多能性研究一直是国际干细胞研究的热点和难点，全世界该领域的实验室就像在赛跑一样，一系列重大成果相继诞生。

2007年，日本科学家运用相同的“简单处方”成功实现人表皮成纤维细胞的重编程。同年，全球共有4个研究小组报道了人诱导多能干细胞体系的建立。美国和日本科学家相继通过诱导多能干细胞培育出嵌合体小鼠，证实诱导多能干细胞的多能性。此后，诱导多能干细胞的研究成为生物医学研究领域前沿中的前沿，多个实验室着眼于诱导多能干细胞技术的更新，先后创建了腺病毒载体技术、蛋白转染技术、小RNA技术等一系列非整合重编程技术，期望解决传统依靠病毒转染建立诱导多能干细胞的安全性问题。

同样，我国在细胞核重编程及再生医学应用领域也取得了令人瞩目的成就。在体细胞克隆领域，我国相继成功获得第一头克隆牛、猪、猴等大动物，并在国际上率先成功获得人类体细胞克隆胚胎。在诱导多能干细胞领域，中科院动物所研究员周琪和北京生命科学研究所高绍荣两支研究团队，于2009年分别利用iPS细胞克隆出小鼠，从而在世界上首次证明诱导多能干细胞的全能性。

据统计，2011年，中国在诱导多能干细胞领域发表的论文数量位居世界第三，而在干细胞领域发表论文的总数量已经超过日本，跃居世界第二。

而早在2010年，裴端卿团队就发现，细胞“逆转”过程是由间充质细胞状态转变到上皮细胞状态来驱动的。在进一步的研究中，裴端卿、郑辉团队通过优化转化因子导入的顺序，发现在间充质细胞状态转变到上皮细胞状态前还存在一个上皮细胞状态向间充质细胞状态转换过程，并证明这样的多次转换有利于提高重编程效率。

“这一发现与中国传统阴阳太极理念较一致。我们进一步推论，间充质细胞状态与上皮细胞状态之间的多次相互转换机理具有较高的普遍性，在其他系统或研究中也存在。”裴端卿说。

诱导多能干细胞及其产生的功能细胞移植被认为是治疗遗传病、器官损伤以及帕金森等退行性疾病的重要手段。诱导多能干细胞过程可以将人体内的普通细胞“逆转”回到早期胚胎发育状态，从而重新获得可分化成为体内绝大多数种类细胞的能力。

据了解，按照新细胞生物学机制，其可像正常胚胎干细胞一样转换成各种不同类型的细胞，如神经细胞、肝细胞和心脏细胞等。由于这些重组细胞产自患者的核遗传物质，因此不用考虑患者的移植排斥反应。“以干细胞治疗为核心的再生医学，将成为继药物治疗、手术治疗后的另一种疾病治疗途径，从而成为新医学革命的核心。”科技部《干细胞研究国家重大科学研究计划“十二五”专项规划》对干细胞治疗的地位作了上述评估。

技术用于临床为时尚早

据介绍，2011年年初，中国科学院已将“干细胞与再生医学研究”作为战略性先导科技专项。该专项首席科学家、中科院动物所研究员周琪表示，希望通过发现干细胞生物学的基本规律，揭示干细胞在组织器官发生和形成及再生中的本质作用，建立具有自主知识产权的新技术，实现干细胞修复组织和治疗疾病的总体目标。

然而，干细胞产业尽管市场前景广阔，但国内干细胞技术的科研成果转换目前还存在一定障碍。国家干细胞工程技术研究中心主任韩忠朝表示：“干细胞再生医学产品研究开发代表着新方向，但是目前只有干细胞库技术服务产生了经济效益，其他干细胞产品还不能走入市场。干细胞药物上市审批存在障碍，导致科研成果难以转化、VC/PE不敢投资、企业不愿投入科研资金。”

裴雪涛认为，之所以将细胞核重编程技术视为再生医学发展的基础，是因为它为多能干细胞的获得提供了新的途径。此前，实验室研究的干细胞主要来源为胚胎干细胞和成体干细胞，前者虽具有多向分化潜能，但因伦理、技术、资源、免疫、致瘤等问题使其研究和应用受到限制；而后者虽然较易获得，但其分化效率、组织整合等并不理想。综合而言，诱导多能干细胞则集合了两者的优点，淡化了两者的缺点：来源为成熟细胞，获得相对广泛、数量充足；通过细胞核重编程，可使其获得多向分化潜能；来源于患者自体，因此免除了伦理和免疫排斥等问题的困扰。

裴雪涛坦言，诱导多能干细胞也有其不可回避的问题。它不仅要面对与其他干细胞研究相同的挑战，例如，如何分离获得各种组织特异性干细胞，如何保证高效的定向分化，如何确保整个分化过程安全、有效、可控，以及后续必须要解决的临床前研究、安全性评估、质量控制等。此外，还要解决其在诱导过程中可能出现的一系列问题，包括在重编程过程中，因基因转入而带来的安全风险；如何提高分化效率，确保在体外大量繁殖，以适应未来临床需要；一旦拿到重编程细胞，如何界定其与生理性细胞发育的区别等。

很多专家也提出，诱导多能干细胞的应用面临的最大的挑战就是它可能潜在的致瘤性。来自美国加州大学戴维斯分校的研究人员发现的证据表明，如今被认为大有希望用于一系列疾病治疗之中的诱导多能干细胞，非常类似于产生癌症的细胞类型。“科学家和临床医生必须对任何临床应用保持审慎。将诱导多能干细胞用于临床治疗，还需开展更多研究。”

因此，也许未来的某一天，人体更换器官可以像换汽车零件一样简单。但专家们这些看法也清楚地表明了，将细胞核移植和诱导多能干细胞等技术应用于人类我们还需要耐心等待一段时间。

不过，尽管干细胞产业发展存在阻碍和质疑，但是，裴端卿、郑辉团队文章发表的新闻一见诸报端，A股唯一的干细胞上市公司中源协和当日就大涨5.04%，印证了干细胞概念对于股市的强大影响力。新技术屡获轰动的背后，反映出了公众和资本市场对于干细胞技术应用的期待。