出品|科学人栏目组 翟中超
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图注：源自人类胚胎干细胞的神经玫瑰花结。（图/洛克菲勒大学）
1998年，汤姆森在体外受精5天的人囊胚中成功分离出人类胚胎干细胞，就在同一年，迪特尔·埃格利也开始就读研究生学业。自1998年后近20年来，胚胎干细胞一直是迪特尔·埃格利研究的对象。埃格利现在是哥伦比亚大学的生物学家，他一直在探索如何将成体干细胞中的脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）重新编辑成胚胎状态，此外他还在整理并解决糖尿病发展及治疗中遇到的问题。埃格利甚至还协助培养出一种全新的人类胚胎干细胞，将这种新的干细胞作为研究对象，研究起不同的人体基因就会变得相对简单些。
迪特尔·埃格利的研究范围比较广泛，这确立了他在胚胎干细胞生物学方面的带头人角色。这一研究领域面临诸多挑战，比如说资金有限，比如说还会面临伦理上的负担。尽管有许多限制，但现在很多人意识到胚胎干细胞的研究具有重大意义。“研究胚胎干细胞是一件令我激动的事，这些研究会带来前所未有的发现，而这些发现将改变人类的生活，我对此深信不疑。”埃格利说道。
胚胎干细胞在早期发育阶段提供了非常重要的信息。宇宙之大包罗万象，天文学家会通过回顾宇宙大爆炸来探寻其中的奥秘；单一的原始细胞能变成数以万亿计的细胞，而且还能呈现出令人眼花缭乱的形式和功能，于是生物学家就通过仔细搜寻翻检胚胎干细胞中的细节来寻找上述变化的蛛丝马迹。科学家已经学会了如何将这些细胞转化成数十种成熟细胞类型，这些转化后的细胞可以在身体中发展成各种组织和器官。这样一来就借此进行药物测试，还能充当疾病模型，并且越来越多地被当成一种治病疗法。2010年，人们开始尝试用胚胎干细胞修复脊椎损伤，自此以后，由胚胎干细胞生成的细胞已经进行了十多次临床试验，比如说尝试治疗帕金森病和糖尿病以及其他病症。早期结果显示一些方法是有用的，比如说，本周发布的一篇期待已久且令人振奋的报告，该报告显示两名老年性黄斑病变患者的视力通过此疗法得到了改善。
“在某种意义上说，这一成果并不令人惊讶，因为20年我们就预料到了，但是当预言真真正正变成现实时我仍然感到很惊喜！”埃格利说道。
试验的开始
1981年，研究人员设法从小鼠胚胎中培养干细胞。科学家很快就认识到干细胞的研究潜能，这些细胞既能自我复制又能成为人体200多种细胞类型中的任意一种！但正是因为它太厉害了，所以也就带来很大的争议，在灵长目动物身上进行试验也就变得很困难。威斯康星大学麦迪逊分校的生物学家詹姆斯·汤姆森花了14年时间才得以在猴子身上进行了试验。1998年，汤姆森利用不孕治疗中尚未使用过的捐赠胚胎又一次开创了惊人之举，他培养出世界上第一例人类胚胎干细胞系！
这一发现引发了一场道德风暴。批评声大多来自宗教圈，他们认为胚胎是人类生命的最初形式，因此想阻止任何涉及破坏胚胎的研究。2001年，美国总统乔治·沃克·布什限制政府对当时进行的一些胚胎干细胞系的研究提供资助。但这一措施没能阻止科学家的步伐，抱定决心仍要继续研究的科研人员开始向私人或州政府寻求资金支持，他们想筹钱再办一个实验室。其中一个实验室进行胚胎干细胞研究，另一个实验室就进行由联邦政府提供资金的研究项目。在其他国家，比如说德国和意大利，完全禁止了培养胚胎干细胞的研究。
尽管如此，另外一些国家并没有停止这项研究。澳大利亚、新加坡、以色列、加拿大和美国等国的研究人员不久发布报告称他们已经成功地将胚胎干细胞转化成了神经细胞、免疫细胞和心脏细胞。
生物学上有个专有名词叫做体细胞核移植，这是动物细胞工程技术中常用的技术手段，这种技术又称体细胞克隆。科研人员讨论了利用这种技术从胚胎中提取干细胞的计划。体细胞核移植技术就是把体细胞核移入去核卵母细胞中，使其发生再程序化并发育为新的胚胎，这个胚胎最终发育为动物个体，用核移植方法获得的动物称为克隆动物，比如说多利羊。这种“治疗性克隆”的基本原理就是提供与细胞供体DNA相同的动态细胞，而且要保证这种动态细胞有个无限的来源。科学家开始讨论研究复杂的遗传病，他们还设想像换汽车零件一样更换人体失灵的器官和组织。刚开始他们就犯了几个错误，尤其是在2005年，比如韩国科学家谎称自己利用体细胞克隆技术成功地分离出干细胞。但到了2013年，由美国俄勒冈州健康与科学大学干细胞研究员舒克拉特·米塔利波夫领导的一个团队终于首次成功实现了人类胚胎干细胞克隆。
在最初的15年里，不管怎样，很多胚胎干细胞研究都集中在利用干细胞来理解多能性。多能性就是指干细胞具有成为任何类型的细胞的神奇能力。一点一点地，科学家们一直在拼接分子途径以使该技术成为可能。“我们从胚胎干细胞中学习了解了多能性，”米塔利波夫说道。
这一研究为21世纪第一个10年的再生医学和生物研究领域的最大创新做出了贡献：科学家发现了诱导性多能干细胞。2006年，干细胞生物学家山中伸弥在日本京都大学仅使用4个转录因子就将成年小鼠的干细胞恢复到类胚胎状态。接下来的一年，山中伸弥和汤姆森在人体细胞中也取得了同样的成就。从理论上讲，这一过程所带来的潜在回报与治疗性克隆是一样的。治疗性克隆就是无限供应在基因上与病人匹配的多能细胞，这种方法的最终目的是用于干细胞治疗，而非得到克隆个体，其目的不是将胚胎培育成人，而是为了提取全能型的胚胎干细胞，然后在合适的条件下使其发育成为人体的任何一个器官或组织并将用于医疗。治疗性克隆已获得不少国家的默许，相对而言没有伦理困境。
许多人预测，诱导性多能干细胞将很快取代胚胎干细胞在研究领域的地位，但这一预言并未成为现实。在2006年之后，关于胚胎干细胞的论文发表数量一直保持着较高的数字，比如说，自2012年以来，每年发表的相关论文就有2000份左右。胚胎干细胞是研究人员比较诱导性多能干细胞的黄金标准，这是论文较多的部分原因。中国科学院动物研究所的干细胞生物学家周琦表示自己担心诱导性多能干细胞会导致肿瘤，正是这种担心使他用胚胎干细胞进行了十多次临床试验。
很多关于胚胎干细胞的研究都是为了让它们更容易使用。一开始获取的过程就十分复杂：需要在极短的时间内从培养的细胞中抽取出后再生长成一个新的种群。不过有些进展已经改变了这种情况。比如说，2007年，日本神户发展生物学中心的科学家笹井芳树发现了一种叫做ROCK抑制物的分子，这种分子可以使胚胎干细胞在从菌落中被移除时保持活力。随后科学家创造新的菌落的成功率猛涨至27%。“这一突破从根本上改变了你能做哪些事，”来自瑞典隆德大学的细胞生物学家马林·帕马说道。帕马正在利用胚胎干细胞获取神经元，他在为一例帕金森病临床试验进行这项研究。帕马表示这样的技术进步为胚胎干细胞研究开辟了一个“新的黄金时代”。
这些细胞现在可以被快速、可靠且无限地生产出来。但是正如一些人担心的那样，他们还是避免不了癌症的发生。“我们仍然不清楚它们是如何保持这种平衡的，”东京大学干细胞生物学家中内启光说道。中内启光一直在尝试从胚胎干细胞和诱导性多能干细胞中获得无限量的血小板供应。
多样化的时间到了
研究人员也在尝试培育器官。只要有合适的信号分子和三维环境，胚胎干细胞就能组成类器官的复合组织，这一过程甚至在培养皿中就可实现。詹姆斯·威尔斯是俄亥俄州辛辛那提儿童医院的研究人员，上边刚提到的那种能力对他而言就很要要。威尔斯正在开发用于测试药物的肠道类器官，或许有一天这种类器官还能进行移植！?
胚胎干细胞的新来源为遗传疾病充当了研究工具。比如说，在2004年，芝加哥的不孕不育科医生开始从体外受精产生的胚胎（被选的胚胎具有遗传缺陷，因此之下胚胎不符合不育治疗的要求）中制作胚胎干细胞系。这就使研究小组得以创建地中海贫血症、亨廷顿氏舞蹈病、马凡氏综合征、肌肉萎缩症和其他遗传疾病的细胞模型。2007年，研究人员用胚胎干细胞阻止了在可遗传条件下导致认知障碍的某种疾病的分子变化，这种疾病就是脆性X染色体综合征。
研究人员表示诱导性多能干细胞对于研究培养皿中的疾病甚至有着更广阔的的前景，换句话说，诱导性多能干细胞有能力从任何有潜在遗传疾病的活人身上培育出干细胞。但是很多研究者仍然认为在这一领域胚胎干细胞有很强的潜力。一些条件下会对成体干细胞造成损害，这会使源自这些细胞中的诱导性多能干细胞不具有任何信息。所以胚胎干细胞仍然具有辅助作用。
再举个例子，2008年，哈佛大学的凯文·伊根从患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症这一神经退行性疾病的患者身上制造出诱导性多能干细胞系。从之前的胚胎干细胞的研究中，伊根知道如何将多能干细胞诱导成运动神经元，也就是受疾病影响的脑细胞。当他对病人衍生出的诱导性多能干细胞做同样的事情时，他就能快速比较这两种细胞。来自病人的细胞比没有疾病的人的细胞更容易出问题。“我们利用了所有我们在胚胎干细胞上所做的工作来理解运动神经元，”现在说道。现在，一种能够平息从患者身上产生的诱导性多能干细胞的抗癫痫药正在人类身上进行测试，而测试结果预计将在未来两个月内公布。
耶路撒冷希伯来大学的埃格利和尼西姆颠覆了人们长期以来的人类生物学概念，因为他们仅用正常染色体数目的一半就衍生出了胚胎干细胞系。研究人员现在开始在这些“单倍体”胚胎干细胞上使用基因编辑工具来了解基因在发育中的作用。“因为他们只有一组基因需要担心，这些细胞可以提供更直接的结果，”埃格利说道。
利用胚胎干细胞进行的疾病研究的进展并不总是顺利的。哈佛大学干细胞研究所的道格拉斯麦尔登将胚胎干细胞转化成功能β细胞花了15年时间！β细胞这种胰脏细胞能感知到葡萄糖并产生胰岛素。而且他根本找不到正常胚胎干细胞和诱导性多能干细胞产生的胰脏细胞与1型或2型糖尿病患者产生的胰脏细胞有和差别。“我们知道有易感性基因，但这并不意味着你能在体外看到它，”麦尔登说道。
黄斑变性重见光明
麦尔登仍然计划继续研究从胚胎干细胞中制出的β细胞。麦尔登希望将β细胞移植到1型糖尿病患者身上以结束病人对胰岛素注射的依赖，即使不能彻底结束，他也希望至少能减少对胰岛素注射的依赖。这项工作的最后一项障碍就是引入细胞，这样它们就不会被免疫系统破坏掉。麦尔登在美国马萨诸塞州波士顿都市区剑桥市成立了一家名为Semma Therapeutics的公司，该公司旨在通过将细胞放在一个小袋里来保证引入的细胞不受免疫系统的破坏，这种袋子可以允许留下养分并释放出胰岛素，但这种方法会阻断免疫细胞的通路。他希望在3年内开始临床试验。加州圣地亚哥的ViaCyte公司在重新设计了封装技术后刚刚重启了一个类似的临床试验，这项试验在2014年就启动过。还有其他公司，如丹麦著名制药公司诺和诺德公司就利用从胚胎干细胞中衍生的细胞启动了相关糖尿病项目计划。
在临床领域，很多人认为诱导性多能干细胞会最终胜过胚胎干细胞。诱导性多能干细胞一个潜在的优势就是它们可以产生与患者DNA相同的细胞和组织，因此，移植后也就不会引起免疫反应。但对于1型糖尿病在内的大多数遗传疾病来说，从病人体内产生的诱导性多能干细胞会含有引发问题的突变，因此不得不对这些细胞进行修改才能产生治疗的益处。
然后就是成本问题。“为临床应用准备一个单诱导性多能干细胞系大概会花费100万美元，”位于加州拉荷亚的斯克利普斯研究所的干细胞生物学家珍妮·劳瑞说道。如果目标是使用患者自己的细胞，那么这个价格目前而言还是高的令人难以接受。但劳瑞认为价格将会下降。劳瑞现在正致力于开发诱导性多能干细胞以作为治疗帕金森病的一种疗法。
到目前为止，研究人员利用从诱导性多能干细胞中提取的细胞启动了一项人体试验。日本研究所发育生物学中心的眼科医生高桥雅代领导的一个研究小组，他们旨在治疗黄斑变性，但在2014年该研究有了停顿，因为研究人员决定简化程序并使用捐赠者衍生的干细胞，在此前他们使用的是病人的干细胞。2017年这项研究重新启动了，但在一月份又遇到了另一个障碍，因为在试验参与者眼中培育发展的一层膜质出现问题，必须通过手术移除。
黄斑变性是胚胎干细胞疗法所要解决的的一个常见病症。在美国、英国、中国、以色列和韩国至少已经进行了6个相关临床试验。3月19日，伦敦治疗盲症工程（London Project to Cure Blindness）和加州大学圣芭芭拉分校主任、眼科医师皮特·科菲领导的一个研究团队报道了一项研究的结果，该研究将一片由胚胎干细胞制成的细胞植入到了两个患者受损的视网膜中。术后一年，尽管阅读速度比较慢，但两名参与者终于重新看清的字体！
艾伦是明尼苏达州罗彻斯特市梅约诊所的眼科医生，他称这是该领域的“一大进步”。“这是头一次在人体中实现出如此强劲的功效，这一成果必定会支持身体其他部位的进一步研究，”他说道。科菲表示由于科学家正在研究出如何将这些细胞以最佳方式植入体内，所以这些突破终于到来了。“10年前，我们的想法很简单，‘你只需把细胞放进去，然后细胞会知道自己该怎么做’。这种想法是错误的，我们必须以适当的方式对这些细胞加以控制。”干细胞领域的很多人打赌胚胎干细胞领域下一个重大突破将会是帕金森病的治疗。帕金森病是由神经递质多巴胺的缺失引起的，6家公司和诊所正准备用胚胎干细胞或诱导性多能干细胞来替代分泌多巴胺的神经细胞。
一个至关重要的问题是，在移植之前，多能干细胞应该处在一个什么状态。澳大利亚在2016年开始了一项试验，中国在2017年也开始了一项试验，这两个试验都利用未成熟的神经前体细胞进行试验，这种前体细胞不产生多巴胺。研究人员称，这些细胞的不成熟将帮助它们在移植中存活下并整合融入到新主人的大脑中。但有些研究人员给出了不同的看法，一个名为GForce-PD的干细胞研究团队内的许多带头人表示他们使用更成熟的细胞生成的能够生产多巴胺的细胞表现的更加可靠，而且失控的可能性更小。
替代动物试验的前景
如果能克服前方的障碍，胚胎干细胞研究仍然有发展的空间。一大问题是许多细胞类型的生产就是一项挑战。麦尔登估计，到目前为止，只有大约10个细胞类型和正常的人体细胞具有真正的功能对等。还有一些应用会产生深远影响，比如说卵细胞和精子，在可预见的未来，这仍将是一个挑战。
该领域还面临资金的不确定性。科学家们最近经常会听到有关美国总统唐纳德·特兰普可能会对投入胚胎干细胞研究的联邦资金进行新的限制的传闻。
尽管在以往的研究中有时会出现不稳定的情况，但许多研究人员表示胚胎干细胞已经多次证明了自身的价值，有时它们展示价值的方式可谓出人意料。一些科研人员甚至减少了对动物模型的使用，因为在研究人类疾病时胚胎干细胞似乎能提供更好的路径。“我的格言就是研究人类疾病自然要用人来做试验，”麦尔登说道。
山中伸弥表示胚胎干细胞是自己研究诱导性多能干细胞的动力。汤姆森培养出了人类胚胎干细胞，这就使得人们可以用人类诱导性多能胚胎干细胞来代替小鼠进行试验，这只用了1年时间就完了了这种转变。而从小鼠的胚胎干细胞转到人类的干细胞却花了将近20年的时间。“我们清楚地知道我们非常应该培养人类诱导性多能干细胞，”山中伸弥说道。
山中伸弥表示，“为了更好地理解多潜能的机制、为了改进多能细胞的医学应用，胚胎干细胞在如今也同样重要。人类胚胎干细胞的重要性不亚于20年前，而且未来前景更加广阔。”
