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Nature:iPS怎样改变世界?

摘要 : 许多人曾以为诱导多能干细胞会引导一场医学革命。但是发现10年后,它们却在改变生物研究。

 

山中伸弥(ShinyaYamanaka)因为将成体细胞重编程还原到类胚胎状态而获得诺贝尔奖。

“细胞集落出现了。”

山中伸弥惊讶地抬头看着正和他说话的博士后。“细胞集落出现了,”高桥和利(Kazutoshi Takahashi)又说了一遍。山中从位子上跳了起来,跟着高桥去了位于日本京都大学的组织培养室。在显微镜下,他们看到了一簇簇细胞形成的小球——这就是他们五年工作的结晶。山中伸弥简直不相信这是真的。

两周前,高桥从成年小鼠的皮肤上采集了细胞,并用一种病毒将其感染。这些病毒经过设计,引入 24 个精心挑选的基因。现在,细胞的改造完成,它们的外貌和行为都和胚胎干细胞(embryonicstem,ES)相似。它们是多能细胞,能够发育成皮肤、神经、肌肉或者其他任意细胞类型。

山中凝视着眼前用细胞完成的“点石成金”的魔法。“那时候我想着,‘一定是搞错了”他回忆道。他又让高桥做了一次又一次的实验。每次实验都成功了。

接下来的两个月里,高桥把能够让细胞发育的时钟倒退的基因范围缩小到 4 个。2006 年 6 月,山中在加拿大多伦多召开的国际干细胞研究协会(InternationalSociety for Stem Cell Research)年会上发表了这项研究的结果,震惊四座。

他把这种细胞称为“胚胎干细胞样细胞”(ES-likecells),后来又易名为诱导多能干细胞(inducedpluripotent stem cell),或称 iPS 细胞。“许多人当时不相信此事,”麻省理工学院(Massachusetts Institute ofTechnology)的生物学家 Rudolf Jaenisch 表示。他当时就在现场。不过 Jaenisch 了解并信任山中的研究。他觉得这个研究“相当高明”。

这些细胞将为再生医学带来福音:研究人员只需取些一个人的皮肤、血液或是其他细胞,就可以把这些细胞重编程转变为 iPS 细胞,然后用这些细胞来培养肝细胞、神经元或者任何可以用来治病的细胞。这种个性化的疗法可以规避免疫排斥反应的风险,也回避了用胚胎细胞进行治疗的伦理问题。

十年后,这些细胞的使命发生了变化。一部分的原因是,以上疗法的设想被证明难于实现。唯一一个应用了 iPS 细胞的临床试验在 2015 年被叫停,仅有一人接受了治疗。

但是 iPS 细胞却在别处大放异彩。它们成为对人类疾病进行建模和研究,以及进行药物筛选的重要工具。

人们对这种细胞的制备方法以及基因编辑技术进行了改良,把 iPS 细胞变成了实验室的主力。它为研究提供了无穷无尽的人体组织供应,这一度是不可能的。

约翰霍普金斯大学的神经科学家 Guo-li Ming 表示,在人体发育和神经系统疾病的研究领域内,这点尤其可贵。她从 2006 年起就开始使用 iPS 细胞。

这个领域依然在经历成长的阵痛。随着越来越多的实验室开始应用 iPS 细胞,一致性的问题愈发凸显。加州斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的干细胞生物学家 Jeanne Loring 表示,“最大的挑战是让每个人都用同一套质量控制规范。”

“依然有人发表用单一细胞系干了些大事的论文,结果没人能够复制这些研究,”她说,“掌握了技术不再是难事。但是要让大家都正确运用。”

从皮肤到眼睛

在成果公布 6 个星期之后,山中和高桥发表了论文,在这篇论文中他们公布了能够将成体细胞重编程的基因:Oct3/4、Sox2、Klf4 以及 c-Myc。第二年,包括山中的实验室在内的三个实验室确认了上述结果,并且改良了重编程的方法。

在接下来的 6 个月里,山中和威斯康星大学麦迪逊分校(Universityof Wisconsin–Madison)的 James Thomson 成功地将人类成体细胞重编程。全世界的实验室一拥而上地使用这项技术。到 2009 年底,关于 iPS 细胞大约发表了 300 篇论文。

许多实验室专注解决何种成体细胞能够被重编程,以及 iPS 细胞能够发育为何种细胞的问题。其他实验室则进一步改良重编程的方法,一开始他们让重编程不再依赖于 c-Myc 基因(这个基因可能使一些细胞癌变),后来直接向细胞输送基因而不把它们嵌入到基因组中(将这些基因嵌入基因组的话有安全方面的问题,是 iPS 细胞疗法的风险所在)。

另外一个大问题在于,iPS 细胞到底有多像 ES 细胞。它们之间的差异慢慢浮现。科学家发现 iPS 细胞会保存一部分“表观遗传记忆”(epigenetic memory)——留在 DNA 上的化学标记模式,反映了原始细胞的类型。但是专家称,这种变化应该不会影响 iPS 细胞在治疗中的使用。Jaenisch 表示,“(iPS 细胞)和 ES 细胞有所区别,但是我相信这些差别并没有什么关系。”

2012年,当山中伸弥因为 iPS 细胞和别人均分了诺贝尔生理学或医学奖(NobelPrize in Physiology or Medicine)的时候,iPS 细胞疗法的第一次人体临床实验已经在设计中了。当山中才发表了第一篇关于重编程方法的论文时,日本 RIKEN 发育生物学中心(CDB)的眼科专家高桥政代(MasayoTakahashi)此前一直为视网膜疾病研发基于 ES 细胞的疗法。

她马上转向 iPS 细胞,最终和山中开始合作。

2013 年,她的团队用来自两个患有老年性黄斑变性(AMD,可导致失明)的病人的皮肤细胞制造出了 iPS 细胞,然后用它们制造出了几层视网膜色素上皮细胞(RPE)用于临床试验。

不久后,受另一种细胞重编程技术——刺激触发性多能性获得(STAP)牵连,使用该技术的 CDB 研究人员接受学术不端调查。虽然这和 iPS 细胞试验无关,然而这场闹剧还是让高桥政代的研究进展受阻。她说这个事件让她的研究“平地起云烟”。

不过,她的团队还是不顾一切勇往直前。2014 年 9 月 12 日,医生们把第一个 RPE 移植到一个古稀之年的老太太的右眼上。高桥政代表示,这次手术中止了黄斑变性,让患者恢复了视力。

但是当实验室开始准备治疗第二个试验患者时,山中的团队发现了患者 iPS 细胞和相应 RPE 细胞中的 2 个微小的基因变异。虽然并没有证据显示这两起变异和癌变有关,但是“为了安全起见”,山中建议暂停试验。她听从了。

维斯加州大学的干细胞生物学家 Paul Knoepfler 认为,这次停摆也让其他对这个领域感兴趣的研究人员踟蹰了,“世界在静待此事的发展。”但是,牛津大学的 David Brindley 表示,iPS 细胞进入临床阶段所面临的困难并非与众不同。他研究的是干细胞的调控和制造。他说,一般情况下大约要花 20 年才能将科学发现转化为临床和商业应用,因此 iPS 细胞“只是走在老路上。”

在美国,安斯泰来再生医学研究所(AstellasInstitute for Regenerative Medicine,前身为先进细胞技术公司 Advanced CellTechnology)的首席科学官 Robert Lanza 表示,该公司已经计划了几个 iPS 细胞疗法,其中包括黄斑变性和青光眼的疗法。

对于任何这类疗法来说,都要需要数年才能找到一个合适的方法来,得以足够纯度大量制造所需类型的细胞。“ iPS 细胞是临床中遇到的最复杂、最充满变数的疗法,”Lanza 表示,“我是第一个想要看见它在临床中得到应用的人,但是必须十分小心谨慎才行。”

另外一个挑战在于,搞明白需要什么才能让这种疗法得到批准。Loring 希望在未来两年内开展针对帕金森氏病的 iPS 细胞疗法临床试验。但是这很难办:疗法将采用来自单个病人的细胞, Loring 打算对每个细胞系进行一系列复杂的检测和确认,以向美国食品药品管理局(FDA)证实其安全性。

山中表示,为哪怕一个人研发并测试某种疗法都是有意义的。不过给一个人开发并测试药物需花费 1 年的时间和 1 百万美金。他预计未来的疗法会采用细胞库中来自供体的 iPS 细胞,而不是为每个病人单独定制。

高桥政代计划将细胞库中的 iPS 细胞和从病人身上采样的细胞进行一一对照,以观察免疫反应方面的差别。她打算“很快”向日本政府申请重新启动她的黄斑病变临床试验。不过当被询问具体的时间轴时,她没有回应。

改良细胞群

虽然细胞疗法遭遇了挫折,但是其他相关研究领域却蓬勃发展。Knoepfler 表示,“仅仅过去五年,制造 iPS 细胞的方法更甄完美和简洁。”

不过大多数重编程技术相当低效:只有一小部分细胞最后实现完全的重编程。像所有细胞系一样,iPS 细胞系之间互不相同,这使得实验中很难设控制组。

洛克菲勒大学(RockefellerUniversity)的神经科学家 Marc Tessier-Lavigne 和纽约干细胞基金会(New York Stem Cell Foundation)接受了这个挑战,他们用来自早发性阿尔兹海默症和额颞叶痴呆病人的 iPS 进行研究。他们很快发现,用病人的 iPS 细胞和控制组的健康人群细胞进行比较行不通——培养时这两类细胞的行为天差地别,可能是因为它们的基因背景或是基因表达方面存在巨大差异。Tessier-Lavigne 表示,“因此我们转而求助于基因编辑技术。”

CRISPR-Cas9 基因编辑工具在最近几年大热。它让研究人员能够为 iPS 细胞样品插入与疾病相关的基因变异,然后把它们和同一批未经编辑的细胞系进行比较。Jaenisch 的实验室每天都在用 CRISPR–Cas9 编辑 iPS 细胞。他说,“我们想要怎么操纵都行。”

新出现的更加完美的基因编辑方法的用处更大。今年4月,Tessier-Lavigne 实验室的 Dominik Paquet 和 Dylan Kwart 发明了一种技术,它能够用 CRISPR 为 iPS 细胞引入特定点位的变异,并且该技术仅对一对基因中的一个,而不是双双进行编辑。这个技术让他们能够用阿尔兹海默症相关基因变异的精确组合制造细胞,并研究相关的效应。

但是,因为 iPS 细胞和胚胎细胞很相似,它们并不总是适合研究晚发性疾病(如痴呆症)。因此研究人员在研究通过给细胞施加压力或者引入蛋白质让其早衰的办法。Tessier-Lavigne 表示,“这方面的担心是有道理的,问题也还没有得到解决。不过有许多方法可以用来尝试对付这个问题。”

iPS细胞能够模拟人类早期发育的特点已经在另一个领域里发挥了作用——关于孕妇体内的寨卡病毒是否会导致小头症及其病变过程的研究竞赛。小头症表现为婴儿的头部比正常情况要小。

Ming 和她的同事用 iPS 细胞制造了大脑类器官——和发育中的器官很像的三维组织。当他们用寨卡病毒感染大脑类器官时,他们发现病原体更喜欢感染神经干细胞而不是新形成的神经元,这就导致神经干细胞的死亡率增加、大脑皮层中神经元减少。这些情况和小头症很相似。

其他研究人员用 iPS 细胞制造了诸如迷你肠道和迷你肝脏一类的类器官。利用 iPS 细胞做出的疾病相关发现的数量在不断增长。其中包括,青光眼患者的某个基因复制导致神经细胞群凋亡;对和亨廷顿氏病有关的基因和细胞变化的重新描述。

在药物研发方面,iPS 细胞也获得了成功。它们为药物筛查和实验性药物的测试提供了大量来自患者的细胞。2012 年,用神经细胞发育不良症患者的细胞制造的神经干细胞被用来筛查接近 7000 种小分子,并且识别出了一种有治疗潜力的药物。同年,一个团队报告称,他们用遗传性疼痛障碍患者的细胞制成的iPS 细胞生成了感觉神经元。

这些研究者发现,一种阻断钠的化合物能够减少神经元的兴奋性并减少病人的疼痛。这项研究的第一作者,辉瑞公司神经科学与疼痛研究单位(PfizerNeuroscience and Pain Research Unit)的研究员 Edward Stevens 表示,用 iPS 细胞来预测人们是否会对特定药物起反应是很赞的事。不过在这方面还需要更多的证据来证明这个方法行得通。

甚至在细胞重编程被发现 10 年后,研究人员依然对其作用机理不甚明了。目前,这个领域主要关注通过检查基因组、基因表达模式等等方面来系统地确认细胞系的种类和安全性。进行这方面研究的其中一个机构是位于英国的欧洲诱导多功能干细胞银行(EuropeanBank for Induced Pluripotent Stem Cells)。今年 3 月,这个机构公开启动了对标准化 iPS 细胞进行编录以用于疾病建模的项目。

为了今后疗法的研发,山中也在建立 iPS 细胞库。他收集了大量样本,这些样本在广泛的人群中具有免疫兼容性。但是他表示,未来最大的挑战并不来自科学。

研究人员需要医药行业和政府的强力支持才能在细胞疗法领域有所建树。在药物研发和疾病建模方面,研究人员一定要保持耐心、持之以恒。山中表示,iPS细胞只会缩短科研的进程,但无法直接创造出药物。“这方面没有什么魔法。不管是 iPS 细胞也好,任何其他新科技也好,都需要很长的时间。”

原文链接:

How iPS cells changed the world

原文摘要:

Shinya Yamanaka looked up in surprise at the postdoc who had spoken. “We have colonies,” Kazutoshi Takahashi said again. Yamanaka jumped from his desk and followed Takahashi to their tissue-culture room, at Kyoto University in Japan. Under a microscope, they saw tiny clusters of cells — the culmination of five years of work and an achievement that Yamanaka hadn't even been sure was possible.

来源: Nature 浏览次数:1

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