干细胞研究突破“瓶颈”

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差不多两周前，日本京都大学和美国威斯康星大学麦迪逊分校的科学家分别利用人的皮肤细胞成功诱导生成类似胚胎干细胞性质的全能干细胞，以上研究成果论文经权威的《科学》和《细胞》杂志刊登后，全球学术界和舆论即为之轰动，一些报道称这项惊人突破有朝一日将在不会引起争议的情况下，给胚胎克隆技术带来医学上的突破。为了有助于读者了解这一科学事件的背景及其意义，本报记者采访了中科院上海细胞所原所长、著名分子生物学和细胞生物学家郭礼和教授，请他揭示胚胎干细胞研究这一当今生命科学最重要的前沿领域再次受到关注的原由。

     

称里程碑并不为过

     

    记者：有报道称，以此次日、美科学家的重要突破为标志，世界正迎来新一轮的干细胞研究热，请您介绍一下这方面的背景及其特点。

     

    郭礼和：干细胞如果粗分的话有两类，一类是胚胎干细胞，另一类叫成体干细胞，也叫组织干细胞。成体干细胞有组织特异性，例如造血干细胞主要分化为血液细胞，表皮干细胞主要分化为皮肤或粘膜;而胚胎干细胞来自于早期胚胎的内细胞团。这两类干细胞的特性不一样，它们主要差别表现在分化能力上，例如属于组织干细胞范筹的造血干细胞，在生理情况下一般分化为血液里的红血球、血小板、白细胞、淋巴细胞等等，具有专能或多能分化能力,具有组织特异性。胚胎干细胞的分化具有全能性,也就是能分化成机体内所有组织和器官

     

    组织干细胞(或称为成体干细胞)在临床上早就有应用实例，用得最多的就是骨髓移植，也就是造血干细胞移植，在临床上应用已经很长时间了。但是，组织干细胞的分化潜能没有胚胎干细胞那么全面，所以，人们往往把研究注意力集中在胚胎干细胞上。因为胚胎干细胞能分化成所有的组织，在临床上应用价值要大得多,对它更加重视也就不足为怪了。

     

    胚胎干细胞要研究的问题很多,有基础的,有应用的,但研究这些问题的前提必须先要获得胚胎干细胞。如何获得人的胚胎干细胞?目前有两条研究路线:一、从受精的人早期胚胎获得,也就是从人胚囊的内细胞团拿出细胞在体外培养和建系；二、用人的体细胞核移植到去核的卵发育成人的早期胚胎,然后取出内细胞团在体外培养和建系。这种方法也称无性克隆。但是,上述两种方法都要破坏人的胚胎，这就引起了很大的争议。在许多国家认为，人的胚胎有生命,应该具有人权，破坏胚胎就是侵犯人权,反对研究人的胚胎干细胞。尤其是美国政府反对更为激烈,美国国会两次通过立法允许人的胚胎干细胞研究，但两次都被布什总统否决掉了。

     

    为了打破这种僵局,就迫使人们要探索新的途径,在不触犯伦理、道德和法律的情况下，拿到类似胚胎的所谓全能性的干细胞,目前有三条研究路线在探索：一、在体外诱导组织干细胞跨胚层分化，也就是接近胚胎干细胞的全能性分化，例如造血干细胞分化为神经细胞；二、寻找具有胚胎干细胞性质的组织干细胞，例如羊膜细胞和羊水细胞，这些细胞具有分化各种组织的潜能；三、对组织细胞（例如皮肤细胞）转基因来诱导，使之转化为具有全能性分化的细胞。这次日美科学家在胚胎干细胞上的研究就是走的这条路线。

     

    他们的研究成果之所以受到人们如此关注和好评，就是在不破坏胚胎、不产生法律和伦理问题的前提下，将皮肤细胞（不经胚胎）直接变成类似胚胎的干细胞。国外有报道称这是一个里程碑式的事件，我看这个评价并不为过。但是,这项研究工作在临床上应用还有漫长的路要走,有许多困难要克服。

     

设法绕过伦理难题

     

    记者：科学家们具体是怎么来达到这个目标的？

     

    郭礼和：刚才讲到破坏胚胎，会造成伦理、道德、法律问题。所以这种操作在很多国家受到限制。现在得到全世界大多数国家认同的规范是，这种破坏胚胎而获得的干细胞用于临床治疗性研究是被允许的，但反对用作生殖和繁衍后代，对此已有50多个国家立了法,规范体外胚胎操作。

     

    由于胚胎干细胞具有免疫原性,不配型移植到人体会被排斥。如果像骨髓移植需要配型那样建立骨髓库,那么需要多少不同类型的胚胎来建立干细胞库？！这在临床上很难办到。为了克服这个难题，继续这一研究，就要想办法另辟蹊径。人们想到的第一条路就是体细胞克隆(也称为无性繁殖),用病人自身的体细胞核移植到去核的卵,发育成胚胎,然后从囊胚內细胞团制备胚胎干细胞,再移植到病人体内医治疾病。由于胚胎干细胞的全部基因来自于病人,故病人不会排斥它们。用体细胞和去核卵子直接培养出胚胎,并发育成个体，这种技术称为体细胞克隆(也称为无性繁殖)。1996年多利羊的诞生就是这一技术的一个成功案例。后来又陆续克隆成功猫、小鼠，老鼠、狗,狼等等。

     

    虽然有许多体细胞克隆成功例子，但是从中要获得胚胎干细胞效率很低，尤其是灵长类更难成功。今年11月14日，美国俄勒冈州健康和科学大学国家灵长类研究中心的一个研究小组从一只9岁公猕猴身上提取皮肤细胞，再从一些母猕猴体内提取卵子，然后把公猴皮肤细胞的细胞核转移到处理过的(去核)卵子中，最终成功培育出猕猴胚胎。从20个胚胎获得2株胚胎干细胞系。尽管成功了。但是困难很大，成功率也很低。这也正是克隆羊“多利”的培育者——维尔穆特前不久宣布放弃这一研究路线的原因，当年克隆多利羊也是从227个胚胎才克隆成功一个。

     

    这次，日、美科学家工作的技术路线给人们带来新的希望。日本京都大学山中伸弥教授研究组的路线，是去年6月发表的，就是把4个基因转到老鼠皮肤细胞里，使皮肤细胞反分化，返回到胚胎时期,变成一种类似胚胎的干细胞。这一方法是世界上首次报道，解决了方法学问题。上月，美国威斯康星大学麦迪逊分校汤姆森实验室和日本京都大学山中伸弥教授研究组差不多同时在《科学》和《细胞》杂志上分别发表文章，都是进一步利用人体的成体细胞（皮肤细胞）诱导成干细胞，所不同的是日本科学家用的人体皮肤细胞分别取自一个36岁的女性和一个69岁的男性，用他们的皮肤细胞转化成类似胚胎的干细胞；而美国威斯康星大学的实验材料则取自一名胎儿的皮肤和一个新生儿的包皮。这些研究成果从科学意义上来看，证明了去年6月在老鼠身上所建立的方法在人体上也是可行的。

     

    记者：您刚才讲到两点需要进一步求证，一是现在干细胞研究正使得已分化的细胞（体细胞）和胚胎干细胞在功能上的差距在缩小，二是即使不断传来进步的捷报，但是目前这种研究实验的成功率还非常低，请您再作解释。

     

    郭礼和：胚胎早期从受精卵发育到囊胚,然后由囊胚内细胞团分化成外、内、中三个胚层，我们的皮肤、神经系统这些组织器官都是由外胚层分化来的;我们的骨头、肌肉是由中胚层分化来的;我们的内脏和血液是由内胚层分化来的。所以胚胎干细胞必须对三个胚层的组织都能分化。而成体干细胞，过去认为是不能跨胚层的，就是说一个已经分化成神经干细胞的成体干细胞不大可能分化成肌肉或内脏。但是实际上现在研究下来，成体干细胞在某些外界因素诱导下也可以跨胚层分化，但这种分化能力比胚胎干细胞低得多，因为一个本身就是干这个事的，另一个则是人为的。

     

    现在研究认为体细胞保留个体发育全套遗传信息和指令，特定的体细胞只是这些信息表达处于某一特化阶段,如果将这一特化阶段程序倒回去重新编程序(又称再编程),那么体细胞就又回到胚胎干细胞阶段。这次日美科学家的实验工作就是用典型的成体细胞——皮肤细胞,移植4个基因使其重编程,回到胚胎干细胞阶段。也就是说，不管是成体还是胚胎细胞，它们的遗传信息都是相同的,只是表达程序位于不同阶段,造成了不同的组织细胞各式各样的变化。所以，新的研究的重点就是关注细胞体系的再编程。正常情况下，这个体系从一个胚胎细胞变成一个皮肤细胞时，细胞很多基因表达被关闭了，同时又有许多基因表达被打开。无论将皮肤细胞移到去核的卵里或用4个基因来诱导,目的都是要它恢复胚胎细胞的功能，也就是重新编程，将程序恢复到原始阶段,使发育从头开始做起。要真正理解这种程序的机制才能编好程序，但是现在人们离这一目标还相距甚远，这可能就是目前人工制备胚胎干细胞或克隆动物成功率很低的原因。而且，不仅是成功率低，还伴有很大的致残的风险。

     

严格控制致瘤风险

     

    记者：怎么理解您讲的风险？

     

    郭礼和：日本科学家让老鼠的皮肤变成胚胎干细胞所做的动物实验表明，这种诱导出的干细胞有20%是致瘤的，所以就有很大的安全风险，如果移到人身上，就有导致肿瘤的危险。

     

    现在干细胞在临床治疗上有两个问题要解决，第一个就是安全问题，它的核心就是引发肿瘤的问题。无论是日本科学家还是美国科学家转4个基因诱导皮肤细胞转变为胚胎干细胞的方法，移植给人体的风险都要比天然的胚胎干细胞风险大得多。就是外源的4个基因进入细胞以后，它们会随机整合到皮肤细胞基因组内,有可能打乱原有的遗传程序,使转化的细胞向肿瘤方向发展,导致肿瘤发生。

     

    肿瘤细胞和干细胞在生长性上有相似之处，即都具有旺盛的增殖能力，但增殖失控就变成肿瘤了。天然的干细胞移植也存在这个问题，包括骨髓移植大概有2%几率会产生肿瘤。如果把外面的基因随机导进细胞，风险就会更大，因为破坏了细胞原有的程序，使原有的发育程序乱了套，其结果不是发育终止就是致残或者变成了肿瘤。这是体细胞克隆或干细胞移植最值得担心的问题。

     

    第二个问题是免疫问题，因为人与人之间的器官移植都要配型，讲到底就是个体化治疗，必须要配型配得上才能使用；这个问题也是干细胞用到临床上的一个拦路虎。因为研究工作还没有走到这一步，所以大家还不重视，但是真到上临床时就必须考虑这个问题了。

     

几种技术路线

     

    记者：看来科学技术每前进一步都会碰到新的问题，针对您讲的风险，现在有什么应对之策吗？

     

    郭礼和：这至少提醒我们，在胚胎干细胞研究中，不是一种技术成功了就要把其他的路线废掉，现在看来还不能废。在胚胎干细胞培养方面现在有几条路线，包括黄禹锡的技术路线，他的思路就是拿病人的体细胞来进行无性繁殖，把病人的细胞核放到去核的卵子里去，发育成胚胎，从胚胎的内细胞团培养成病人的胚胎干细胞，再用这些干细胞治疗病人自己的疾病。如果这个方法能够成功的话，上面讲的致瘤和免疫排斥两个问题都可以解决了。但因为技术难度太大，压力又大，所以他造假了，这是另外一个问题,但他的研究路线还是对的。

     

    刚才讲到的美国人用猴子作为研究材料，目的也是为了将来用到人体身上。因为猴子和人最接近了，这样可以避开伦理和法律问题,猴子能做成功，用在人身上成功的可能性就大了。所以，美国俄勒冈州健康和科学大学国家灵长类研究中心所做的工作，以我们搞科学的人来看，其实用性更大。

     

    除了上面讲的几种技术路线外，还有一种是从羊水和羊膜中也可以拿到类似胚胎的干细胞，这个方法也不用破坏胚胎，它们能分化成三个胚层不同的组织。所以，这也是一条路子。现在国内外都有人在做这方面的研究工作。

     

    未来的发展我比较看好羊水和羊膜细胞。为什么看好它？因为它没有致瘤的问题，其次羊膜细胞有免疫豁免的功能，防止母体的免疫系统对胎儿排斥。第三它没有伦理的问题，作为一种胚外组织，最终是被废弃的。另一个优点是它能跨越三个胚层分化，也就是相当于胚胎干细胞的功能。如此来源多、没有伦理问题,又安全、不排斥、各种组织都能分化的材料，实在是很难得到的,所以具有广泛的临床应用前景。

     

新闻回放

     

    美国和日本的两个实验小组分别宣布开发出了能令普通皮肤细胞取代胚胎干细胞培殖器官的技术。这项有可能在不挑起伦理争议前提下的重大成果有朝一日可能会给胚胎克隆技术带来医学上的突破。权威的科学杂志《科学》和《细胞》11月20日刊登了这两个实验室的论文。《细胞》论文中的研究成果来自日本京都大学的山中伸弥博士；《科学》论文中的研究成果则源自美国威斯康星大学麦迪逊分校干细胞研究先驱汤姆森的实验室研究团队，其中助理科学家俞君英为论文的第一作者和共同通讯作者。

     

    美国先进细胞技术公司首席科学主任兰扎形容这项工作代表科学上一个伟大里程碑，其在生物学上的意义等同莱特兄弟建造第一架飞机。但他提醒，现阶段的工作离带来医学成果尚远。目前这一新技术有可能有致癌的风险。对胚胎干细胞最诱人的用途（即获取理论上可以治疗糖尿病、帕金森氏症或脊椎神经损伤等疾病的移植细胞组织）来说，这种风险是不可接受的。

     

条条大路通罗马

     

    □钟扬

     

    去年7月19日，美国总统布什否决了参众两院通过的一项有关人类胚胎干细胞研究法案，由此引发了有关干细胞研发中技术与伦理问题的新一轮争论。一周后，我在为《第一财经日报》撰文的结尾写道：美国政府对人类胚胎干细胞研究不予支持的态度，使其生物医学研究领域的发展蒙上了一层阴影，也使世界范围内众多的科学工作者深感失望。

     

    一年后的今天，日、美科学家终于在障碍重重的人类干细胞研究领域闯出了一条新路──通过将最可能重新编程人类细胞的4个基因插入已分化的成体细胞（表皮细胞）获得干细胞（类胚胎干细胞）。对这项具有科学里程碑意义的突破，国际学术界赞誉有加，甚至有权威将其比喻为“莱特兄弟发明的飞机”。对全世界公众，它的确传达了强烈的信息：笼罩在人类干细胞研究天空的乌云正在消散，再生医学将迎来新的春天！

     

    正如访谈中郭先生所述，类胚胎干细胞技术本身和实际应用方面留给生物医学界做的事还有很多。无论是提高实验成功率还是拓展研究对象（如其他灵长类）和材料来源（如羊水和羊膜），都会有一批细胞生物学家、遗传学家、免疫学家、药物学家和临床医生们沿着这条新辟大路奋力前行，去攻克一个又一个难关；也总会有一批人另辟蹊径，不断提出新的方法，解决新的问题。

     

    或许有人认为，类胚胎干细胞技术并未全面解决人类干细胞研究所涉及的生命伦理等问题。其实，生命科学一直就是一门自然科学。既要在学术上勇于突破，又要应对繁杂的社会纷争，是当代生命科学工作者所面临的挑战。殊不知，此次突破的一个重要意义还在于：条条大路通罗马——干细胞领域的顶尖高手们需要不断化挑战为机遇，以技术创新规避伦理风险，开创新的成功范例。

     

    （作者系复旦大学生命科学学院常务副院长、教授）

     

胚胎干细胞研究大事记

     

    2002年3月，美国怀特黑德生物医学研究所借助克隆技术成功对实验鼠进行了胚胎干细胞治疗，首次在动物身上证实“治疗性克隆”技术是可行的。

     

    2002年10月，中国中山大学第二附属医院用人工受精卵发育成的囊胚内细胞团建立了首个中国人胚胎干细胞系，使中国在该领域跻身世界前列。

     

    2003年4月，日本物理化学研究所宣布，在世界上首次用猴胚胎干细胞生成两种末梢神经，这一成果拓宽了再生医疗的前景。

     

    2004年5月，世界上首个国家胚胎干细胞库在英国伦敦建立，它可为糖尿病、癌症、帕金森氏症和早老性痴呆等疾病的研究和治疗储存、提供干细胞。

     

    2004年9月，美国马萨诸塞州细胞技术公司宣布，首次用人类胚胎干细胞成功培育出了视网膜细胞，该技术有望用于治疗视网膜退化造成的失明。

     

    2005年1月，日本京都大学专家首次报告说，他们将猴胚胎干细胞分化成神经干细胞，再植入6只患有帕金森氏症的猴子的脑部，结果它们的病情明显好转。

     

    2006年8月，日本京都大学宣布，该大学研究人员利用实验鼠皮肤细胞制成可分化为各种组织和器官的“多能细胞”，这一成果为利用人类皮肤细胞“仿制”胚胎干细胞打下了技术基础。

     

    2007年11月14日，美国俄勒冈州健康和科学大学报告说，他们用取自不同猕猴的皮肤细胞和卵子培育出胚胎。这是科学家首次成功克隆灵长类动物胚胎。

     

    2007年11月20日，美国威斯康星大学和日本京都大学专家报告说，他们将人体皮肤细胞改造成了几乎能和胚胎干细胞相媲美的干细胞，这一成果有望使胚胎干细胞研究避开一直以来面临的伦理争议，从而大大推动与干细胞有关的疾病治疗研究。