實現“生命再造”的夢想——解讀2012諾貝爾生理學或醫學獎

文/李 生

未來有一天，每個人都將成為自身健康的“庇佑者”，不論是衰老、創傷或者疾病，造成組織的缺損和傷害，都可以取自身的體細胞作為“種子”，讓其重新“逆轉”成多能干細胞，并進一步分化為心臟、神經、胰島、肝臟、腎臟等多種類型細胞，甚至組織器官，最終實現“生命再造”的夢想。如今，在邁向這一夢想的階梯上，一個被稱為“細胞核重編程”的醫學理論成為新的基石和里程碑。

開啟生命再造時代

日本科學家山中伸彌與英國科學家約翰·格登因在細胞核重編程研究領域的杰出貢獻，獲得2012年諾貝爾生理學或醫學獎?！斑@項成果顛覆了人們對發育分化的傳統觀念，顛覆了人們對干細胞分化為體細胞這一過程不可逆的固有觀念，為獲取多能性干細胞增添了一個新的途徑，為干細胞與再生醫學、疾病發生發展機制研究和藥物研發打開了一扇新的窗戶。”“十二五”國家“863”計劃“干細胞治療臨床轉化研究”主題項目首席科學家、軍事醫學科學院全軍干細胞與再生醫學重點實驗室主任裴雪濤教授對于該獲獎項目給出了這樣的評價。

“所謂細胞核重編程，就是將已經分化了的成年體細胞進行誘導，讓其重新回到發育早期多能性干細胞狀態，重新獲得發育成各種類型細胞的能力。通俗來講，就是在細胞層面實現了‘返老還童’。”中科院動物所趙同標研究員告訴記者，“一直以來，生物醫學界普遍認為高等動物從受精卵發育到神經細胞、肌肉細胞、肝臟細胞等特化細胞，是一個不可逆的過程，末端分化的成體細胞絕對不會反過來逆分化變成干細胞，但英國科學家約翰·格登和日本科學家山中伸彌的工作從根本上顛覆了這一傳統觀點?！?/p>

據介紹，早在20世紀60年代，約翰·格登等人便首先證明末端分化細胞的特化過程是可逆轉的。在一項經典實驗中，他將蝌蚪腸道的成熟特化細胞的細胞核替換掉青蛙卵細胞的細胞核，從而使卵細胞發育為性成熟的成體青蛙。盡管這一研究開展于50年前，但這些早期的核移植和克隆實驗還是引起了報刊上關于克隆人可能性的猜測。

自體細胞核移植實驗建立以來，領域內眾多科學家相信在卵細胞和胚胎干細胞中含有某些能“賦予”末端分化體細胞核全能性或者多能性的因子，并做了諸多嘗試，但一直未能成功。直到2006年，山中伸彌等人在對24個胚胎干細胞高表達的候選基因進行篩選后，最終確定了Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4四個因子起關鍵作用。而這個“簡單處方”可以使成熟的體細胞重編程為多能干細胞，這一開創性研究成果發表于國際知名期刊《細胞》上，引起了全世界的轟動。

“不到6年的時間，這一研究成果幾乎包攬了拉斯克基礎醫學獎、沃爾夫醫學獎等所有醫學界大獎，此次獲得諾獎也是實至名歸?！痹谥袊こ淘涸菏?、中國醫學科學院北京協和醫學院原院校長劉德培看來，該研究首先具有重要的生物學意義，即對細胞實現人工主動調控和干預，實現細胞水平的生命再造，對研究發育本身提供了新的思路，同時避免了異體移植產生的免疫排斥反應，是人類真正進入生命再造時代的開始；其次，具有重要的醫學意義：每個人身上約有千萬億個體細胞，如血液細胞、脂肪細胞、皮膚細胞、神經細胞等，這項技術意味著生產人自體干細胞有了無窮盡的原料細胞，為干細胞抗衰老保健和疾病治療帶來了新的希望。

“一花”引來“萬花”開

自2006年日本科學家山中伸彌等人建立誘導多能干細胞技術以來，干細胞多能性研究一直是國際干細胞研究的熱點和難點。在趙同標看來，6年來，全世界該領域的實驗室就像在賽跑一樣，一系列重大成果相繼誕生。

2007年，日本科學家運用相同的“簡單處方”成功實現人表皮成纖維細胞的重編程。同年，全球共有4個研究小組報道了人誘導多能干細胞體系的建立。美國和日本科學家相繼通過誘導多能干細胞培育出嵌合體小鼠，證實誘導多能干細胞的多能性。此后，誘導多能干細胞的研究成為生物醫學研究領域前沿中的前沿，多個實驗室著眼于誘導多能干細胞技術的更新，先后創建了腺病毒載體技術、蛋白轉染技術、小RNA技術等一系列非整合重編程技術，期望解決傳統依靠病毒轉染建立誘導多能干細胞的安全性問題。

同樣，我國在細胞核重編程及再生醫學應用領域也取得了令人矚目的成就。據劉德培介紹，在體細胞克隆領域，我國相繼成功獲得第一頭克隆牛、豬、猴等大動物，并在國際上率先成功獲得人類體細胞克隆胚胎。在誘導多能干細胞領域，中科院動物所研究員周琪和北京生命科學研究所高紹榮兩支研究團隊，于2009年分別利用iPS細胞克隆出小鼠，從而在世界上首次證明誘導多能干細胞的全能性。對于細胞核重新編程的機制研究，中科院研究員裴端卿等人在《干細胞》上報道了間充質表皮細胞轉換對重編程的發生是必需的。

2009年，周琪首次利用iPS細胞，通過四倍體囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠，從而在世界上第一次證明了iPS細胞的全能性。

“中國不論在細胞核移植領域還是iPS領域均已經具備了較強的實力，并且已經取得了一些成就?！弊鳛閲H干細胞組織（ISCF）中國代表，中科院動物所研究員周琪肯定了中國科學家在iPS細胞領域的工作。

而中國科學院生物物理研究所研究員王江云認為，我國干細胞的研究水平在世界上相對處于較高水平。他特別提到，在中國科學院戰略性先導專項“干細胞與再生醫學”的支持下，干細胞研究呈現出良好勢頭。

2011年，中國在iPS領域發表的論文數量僅遜于美國和日本，居于世界第三位；但在干細胞領域發表論文的總數量已經超過日本躍居世界第二。

“論文數量可以反映我們的進步，但差距仍是巨大的?！敝茜髡J為，尤為突出的問題是原始創新能力不足，開展開拓性工作的信心不夠。繼續重視基礎研究，強調原創性工作，仍是需要長期堅持的方針。

對于這些成績，裴雪濤給出了客觀的評價：“導多能干細胞作為一項新興技術，無疑是干細胞領域的重大突破，值得追捧。論文數量的增多證明了我國在這一領域跟進快，與世界差距在縮小，但從另一角度看，我國在干細胞與再生醫學領域的研究在原始創新性和質量上仍有欠缺。我們應該靜下心來，把眼光從技術突破本身延伸到再生醫學應用領域，因為這是未來的發展目標和戰略要地，也是最終能造福人類的重要‘出口’?！?/p>

逆轉細胞發育的程序

王江云認為，獲獎的研究工作破除了以往認為胚胎發育及細胞分化不可逆的概念，完成了在體細胞中轉入基因并將其轉化為干細胞的重大突破，為實現干細胞治療及體外器官培養鋪平了道路。

“細胞命運是否可以改變，是一個很古老的命題。”周琪說。

早在戈登研究前很多年，科學家就已經證明了植物細胞的全能性；1938年，德國科學家Spemann提出了細胞核移植的概念和設想；后來，戈登分別發表于1962年和1966年的工作創造性地回答了Spemann的問題，證明細胞可以通過細胞核移植改變命運，生命可以重新啟動；而哺乳動物體細胞核移植的首次成功，則是大家熟悉的1997年發表的克隆羊“多利”的工作。

相對于細胞核移植的煩瑣和復雜，周琪認為，2006年山中伸彌僅用4個基因就讓細胞變成多能干細胞的工作，顯得更為神奇。

隨之，小鼠、人等不同物種iPS細胞（誘導多能干細胞）的成功已經反復證明了細胞命運是可以通過基因調節轉換的。

“今后，也許能實現人體的器官像汽車零件一樣可以更換?！蓖踅普f。周琪也相信，細胞核移植和iPS兩項成果的獲獎，將會進一步推動該領域新的診斷和治療方法的產生。

不過，“干細胞離治療還有距離。山中發明的方法雖有所突破，但迄今尚未證明是否最后能用于人體治療?！北本┐髮W生命科學學院院長饒毅表示。

周琪也強調，將細胞核移植和iPS等技術應用于人類為時尚早。

“干細胞研究還處于實驗室研究階段，這一領域面臨的挑戰和問題依然很多。”王江云舉例說，如誘導生成干細胞的效率需要進一步提高，干細胞的質量控制需要有更好的標準等。

“這些問題需要各國科學家的共同努力和合作來解決?！敝茜髡f。

相關技術用于臨床為時尚早

裴雪濤告訴記者，之所以將細胞核重編程技術視為再生醫學發展的基礎，是因為它為多能干細胞的獲得提供了新的途徑。此前，實驗室研究的干細胞主要來源為胚胎干細胞和成體干細胞，前者雖具有多向分化潛能，但因倫理、技術、資源、免疫、致瘤等問題使其研究和應用受到限制;而后者雖然較易獲得，但其分化效率、組織整合等并不理想。綜合而言，誘導多能干細胞則集合了兩者的優點，淡化了兩者的缺點：來源為成熟細胞，獲得相對廣泛、數量充足;通過細胞核重編程，可使其獲得多向分化潛能;來源于患者自體，因此免除了倫理和免疫排斥等問題的困擾。

裴雪濤坦言，誘導多能干細胞也有其不可回避的問題。它不僅要面對與其他干細胞研究相同的挑戰，例如，如何分離獲得各種組織特異性干細胞，如何保證高效的定向分化，如何確保整個分化過程安全、有效、可控，以及后續必須要解決的臨床前研究、安全性評估、質量控制等。此外，還要解決其在誘導過程中可能出現的一系列問題，包括在重編程過程中，因基因轉入而帶來的安全風險;如何提高分化效率，確保在體外大量繁殖，以適應未來臨床需要;一旦拿到重編程細胞，如何界定其與生理性細胞發育的區別等。

在采訪中，劉德培院士則提出，誘導多能干細胞的應用面臨的最大的挑戰就是它可能潛在的致瘤性。來自美國加州大學戴維斯分校的研究人員發現的證據表明，如今被認為大有希望用于一系列疾病治療之中的誘導多能干細胞，非常類似于產生癌癥的細胞類型?！翱茖W家和臨床醫生必須對任何臨床應用保持審慎。將誘導多能干細胞用于臨床治療，還需開展更多研究?！?/p>

據介紹，2011年年初，中國科學院已將“干細胞與再生醫學研究”作為戰略性先導科技專項。該專項首席科學家、中科院動物所研究員周琪表示，希望通過發現干細胞生物學的基本規律，揭示干細胞在組織器官發生和形成及再生中的本質作用，建立具有自主知識產權的新技術，實現干細胞修復組織和治療疾病的總體目標。