实现“生命再造”的梦想——解读2012诺贝尔生理学或医学奖

文/李 生

未来有一天，每个人都将成为自身健康的“庇佑者”，不论是衰老、创伤或者疾病，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，最终实现“生命再造”的梦想。如今，在迈向这一梦想的阶梯上，一个被称为“细胞核重编程”的医学理论成为新的基石和里程碑。

开启生命再造时代

日本科学家山中伸弥与英国科学家约翰·格登因在细胞核重编程研究领域的杰出贡献，获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。“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给出了这样的评价。

“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告诉记者，“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·格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。”

据介绍，早在20世纪60年代，约翰·格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，此次获得诺奖也是实至名归。”在中国工程院院士、中国医学科学院北京协和医学院原院校长刘德培看来，该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。

“一花”引来“万花”开

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。在赵同标看来，6年来，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。据刘德培介绍，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。对于细胞核重新编程的机制研究，中科院研究员裴端卿等人在《干细胞》上报道了间充质表皮细胞转换对重编程的发生是必需的。

2009年，周琪首次利用iPS细胞，通过四倍体囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠，从而在世界上第一次证明了iPS细胞的全能性。

“中国不论在细胞核移植领域还是iPS领域均已经具备了较强的实力，并且已经取得了一些成就。”作为国际干细胞组织（ISCF）中国代表，中科院动物所研究员周琪肯定了中国科学家在iPS细胞领域的工作。

而中国科学院生物物理研究所研究员王江云认为，我国干细胞的研究水平在世界上相对处于较高水平。他特别提到，在中国科学院战略性先导专项“干细胞与再生医学”的支持下，干细胞研究呈现出良好势头。

2011年，中国在iPS领域发表的论文数量仅逊于美国和日本，居于世界第三位；但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。

“论文数量可以反映我们的进步，但差距仍是巨大的。”周琪认为，尤为突出的问题是原始创新能力不足，开展开拓性工作的信心不够。继续重视基础研究，强调原创性工作，仍是需要长期坚持的方针。

对于这些成绩，裴雪涛给出了客观的评价：“导多能干细胞作为一项新兴技术，无疑是干细胞领域的重大突破，值得追捧。论文数量的增多证明了我国在这一领域跟进快，与世界差距在缩小，但从另一角度看，我国在干细胞与再生医学领域的研究在原始创新性和质量上仍有欠缺。我们应该静下心来，把眼光从技术突破本身延伸到再生医学应用领域，因为这是未来的发展目标和战略要地，也是最终能造福人类的重要‘出口’。”

逆转细胞发育的程序

王江云认为，获奖的研究工作破除了以往认为胚胎发育及细胞分化不可逆的概念，完成了在体细胞中转入基因并将其转化为干细胞的重大突破，为实现干细胞治疗及体外器官培养铺平了道路。

“细胞命运是否可以改变，是一个很古老的命题。”周琪说。

早在戈登研究前很多年，科学家就已经证明了植物细胞的全能性；1938年，德国科学家Spemann提出了细胞核移植的概念和设想；后来，戈登分别发表于1962年和1966年的工作创造性地回答了Spemann的问题，证明细胞可以通过细胞核移植改变命运，生命可以重新启动；而哺乳动物体细胞核移植的首次成功，则是大家熟悉的1997年发表的克隆羊“多利”的工作。

相对于细胞核移植的烦琐和复杂，周琪认为，2006年山中伸弥仅用4个基因就让细胞变成多能干细胞的工作，显得更为神奇。

随之，小鼠、人等不同物种iPS细胞（诱导多能干细胞）的成功已经反复证明了细胞命运是可以通过基因调节转换的。

“今后，也许能实现人体的器官像汽车零件一样可以更换。”王江云说。周琪也相信，细胞核移植和iPS两项成果的获奖，将会进一步推动该领域新的诊断和治疗方法的产生。

不过，“干细胞离治疗还有距离。山中发明的方法虽有所突破，但迄今尚未证明是否最后能用于人体治疗。”北京大学生命科学学院院长饶毅表示。

周琪也强调，将细胞核移植和iPS等技术应用于人类为时尚早。

“干细胞研究还处于实验室研究阶段，这一领域面临的挑战和问题依然很多。”王江云举例说，如诱导生成干细胞的效率需要进一步提高，干细胞的质量控制需要有更好的标准等。

“这些问题需要各国科学家的共同努力和合作来解决。”周琪说。

相关技术用于临床为时尚早

裴雪涛告诉记者，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。

在采访中，刘德培院士则提出，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。”

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。