山中伸彌 逆轉(zhuǎn)生命程序

文/蒂 姆

2012年諾貝爾獎(jiǎng)揭曉儀式于10月8日起陸續(xù)舉行，首個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)、醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主于斯德哥爾摩時(shí)間8日11 時(shí)30 分（北京時(shí)間8日17時(shí)30分）誕生。京都大學(xué)物質(zhì)－細(xì)胞統(tǒng)合系統(tǒng)據(jù)點(diǎn)iPS細(xì)胞研究中心長(zhǎng)山中伸彌、英國(guó)發(fā)育生物學(xué)家約翰·格登因在細(xì)胞核重新編程研究領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。大多數(shù)重大成果都要等上十幾年到幾十年（如格登等了50年）才能拿到諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，而山中的工作只等了6年，可知其重要意義。

人生萬(wàn)事如塞翁失馬

山中最初想成為一名整形外科醫(yī)生。因?yàn)樵谥袑W(xué)訓(xùn)練柔道時(shí)，他有過(guò)10次以上腳趾或鼻子等處骨折的經(jīng)歷。為成為一名運(yùn)動(dòng)外傷整形領(lǐng)域的專家，從神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)部畢業(yè)后，他進(jìn)入國(guó)立大阪醫(yī)院的整形外科，成為一名研修醫(yī)生。

山中時(shí)常都會(huì)回憶自己從神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)院畢業(yè)后，做的第一次手術(shù)。那是一次良性瘤移除手術(shù)，熟練的醫(yī)生10分鐘就可以做完，但山中鼓搗了一個(gè)小時(shí)，也沒(méi)有完成。由于山中臨床能力笨拙，一些前輩們甚至送他外號(hào)——“絆腳石”。

從事醫(yī)生職業(yè)讓山中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)中很多患者是無(wú)法治愈的。更痛苦的是，他不擅長(zhǎng)手術(shù)?！拔也贿m合這項(xiàng)工作”，當(dāng)時(shí)他難過(guò)地認(rèn)為。

在接觸得不到有效治療的患者時(shí)，他開(kāi)始感到，“為了治愈他們，必須做好基礎(chǔ)研究”。1989年，他從醫(yī)院辭職，進(jìn)入大阪大學(xué)的研究生院。畢業(yè)后，他又前往美國(guó)舊金山的格拉斯頓研究所留學(xué)，從事老鼠的胚胎干細(xì)胞研究。

但是，1996年回國(guó)后他又遭遇了新的困難期。在美國(guó)，他可以全身心投入研究，但日本的環(huán)境卻有差距，這讓他感到苦惱?！皼](méi)有能夠討論問(wèn)題的對(duì)象，沒(méi)有研究資金，只能跟實(shí)驗(yàn)用的老鼠打交道。我已經(jīng)進(jìn)入了半抑郁癥狀態(tài)?！彼难芯肯萑胪踔潦チ烁蓜?。

“不如放棄研究，轉(zhuǎn)回臨床，”他曾經(jīng)這么想。但此時(shí)，有兩件事救了他的研究事業(yè)：1998年，美國(guó)研究人員成功制作了人的胚胎干細(xì)胞。這是極為鼓舞人心的消息；1999年12月，他通過(guò)了奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)的副教授招聘。他說(shuō)：“我的研究生命幾乎已經(jīng)死亡，但上天又給了我一次機(jī)會(huì)?！痹?7歲這年，他前往奈良就職。

2003年，日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)為他提供了為期5年、總額3 億日元的研究經(jīng)費(fèi)。前大阪大學(xué)校長(zhǎng)岸本忠三當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)審批他的項(xiàng)目。岸本說(shuō)：“我當(dāng)時(shí)知道項(xiàng)目進(jìn)展不會(huì)順利，但被他的精神所感動(dòng)。”在研究初期，山中確實(shí)又失敗過(guò)很多次，但再也沒(méi)想過(guò)停止研究?！皩W(xué)生和年輕同事一直激勵(lì)著我，因此我始終在堅(jiān)持?！?年后，他使用老鼠的皮膚細(xì)胞成功制作了人工多功能干細(xì)胞（iPS）。

“人生萬(wàn)事如塞翁失馬”。山中伸彌說(shuō)，這句話為他從事研究提供了精神力量。

山中表示：“希望將這一技術(shù)發(fā)展為真正能為患者所用的技術(shù)。這是我研究的原動(dòng)力。”在新藥開(kāi)發(fā)、疑難病癥研究和再生醫(yī)療等廣泛領(lǐng)域，人工多功能干細(xì)胞的研究正在推進(jìn)。

“這樣再努力10 到20年，如今難以醫(yī)治的患者將有治愈的希望，”他說(shuō)。

終結(jié)胚胎干細(xì)胞領(lǐng)域的倫理之爭(zhēng)

盡管在名義上，日本政府允許使用胚胎干細(xì)胞，但實(shí)際操作中，人類胚胎干細(xì)胞的獲取和使用都受到非常嚴(yán)格的限制。為了獲準(zhǔn)使用胚胎干細(xì)胞，研究人員往往要花費(fèi)一年的時(shí)間，來(lái)辦理各種申請(qǐng)手續(xù)。

在日本，不僅科學(xué)氛圍沉悶，研究人員還受到很多規(guī)則的束縛。不過(guò)，山中伸彌卻意外成為這種科學(xué)文化的受益者。山中伸彌回憶道：“做完博士后研究回到日本時(shí)，我喪失了全部動(dòng)力。資金少得可憐，優(yōu)秀科學(xué)家屈指可數(shù)，我還得親自飼養(yǎng)近1000只小鼠?！?/p>

湯姆森分離出胚胎干細(xì)胞后，很多研究人員試圖控制這些細(xì)胞，讓它們分化為特定細(xì)胞類型，以替代病變或受損組織，從而改進(jìn)現(xiàn)有醫(yī)療手段。山中伸彌說(shuō)：“對(duì)于這樣的研究，我們實(shí)驗(yàn)室根本不具備競(jìng)爭(zhēng)力，所以我想，反其道而行之或許是條出路——不是讓胚胎干細(xì)胞變成什么，而是讓別的東西變成胚胎干細(xì)胞?！?997年，英國(guó)科學(xué)家伊恩·威爾穆特（Ian Wilmut）成功克隆出多利羊，給了他很大的啟發(fā)：“我們從中了解到，即使是完全分化的細(xì)胞，也能回到類似胚胎干細(xì)胞的狀態(tài)，但我們同時(shí)也認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要漫長(zhǎng)的研究過(guò)程——可能要花二三十年?！?/p>

然而，山中伸彌只花了不到10年時(shí)間。為了解決胚胎干細(xì)胞研究中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，山中伸彌變得干勁十足。一個(gè)是細(xì)胞來(lái)源問(wèn)題。他曾參觀過(guò)一個(gè)朋友的生殖學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在顯微鏡下看到了早期胚胎。脆弱的初生生命打動(dòng)了他，不過(guò)他強(qiáng)調(diào)不反對(duì)利用胚胎干細(xì)胞拯救病人；另一個(gè)問(wèn)題是，胚胎干細(xì)胞移植到人體時(shí)，免疫排斥可能危害健康，而來(lái)自病人自身的iPS細(xì)胞分化出的細(xì)胞，就不會(huì)產(chǎn)生這樣的副作用。

山中伸彌開(kāi)始研究小鼠胚胎細(xì)胞如何保持多能性，以便能分化成身體里的任意細(xì)胞類型。他猜測(cè)，小鼠胚胎可能含有一些特殊蛋白質(zhì)，這是成熟細(xì)胞所沒(méi)有的。如果將相應(yīng)基因（尤其是控制其他基因活性的轉(zhuǎn)錄因子的基因）插入普通皮膚細(xì)胞的染色體中，也許就能使皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化為胚胎干細(xì)胞。

經(jīng)過(guò)4年的試驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)了24個(gè)因子，將它們轉(zhuǎn)入普通小鼠的成纖維細(xì)胞，并經(jīng)過(guò)合適的培養(yǎng)步驟后，就可以生成與干細(xì)胞相同的多能細(xì)胞。山中伸彌檢測(cè)了每一個(gè)因子，發(fā)現(xiàn)任何因子都無(wú)法單獨(dú)發(fā)揮作用，只有特定的4 種因子的組合才能完成這一任務(wù)。2006年，他在《細(xì)胞》（cell）雜志上發(fā)表了一篇里程碑式的論文，介紹了編碼 上 述4 種 因 子 的 基 因：Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4。

這篇文章震驚了全世界，也促使科學(xué)家產(chǎn)生了更為大膽的想法：人類細(xì)胞是否也能像小鼠細(xì)胞一樣重返干細(xì)胞狀態(tài)？2007年，山中伸彌和湯姆森的研究小組幾乎在同一時(shí)間宣布，他們利用此前發(fā)現(xiàn)的4種轉(zhuǎn)錄因子（分別由Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4 編碼），成功制造出人類iPS 細(xì)胞。盡管湯姆森表示“我們的實(shí)驗(yàn)非常簡(jiǎn)單，很容易重復(fù)，”但其他科學(xué)家仍然認(rèn)為，這一重大突破好比點(diǎn)石成金。

持續(xù)確保iPS 細(xì)胞的安全性

此后，科學(xué)家紛紛放棄胚胎干細(xì)胞研究，轉(zhuǎn)而進(jìn)行成熟細(xì)胞的誘導(dǎo)工作。目前，山中伸彌和其他研究小組已把多種組織（包括肝、胃和大腦）的細(xì)胞，轉(zhuǎn)變成了iPS細(xì)胞，并讓iPS細(xì)胞分化成了皮膚、肌肉、胃腸道、軟骨、能分泌神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的神經(jīng)細(xì)胞以及可以同步搏動(dòng)的心臟細(xì)胞。

不過(guò)，兩個(gè)安全隱患決定了iPS細(xì)胞無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入臨床應(yīng)用。c-Myc 除了編碼轉(zhuǎn)錄因子，還有另外一種身份：癌基因，而山中伸彌制造的iPS細(xì)胞也確實(shí)容易發(fā)生癌變。他解釋說(shuō)：“制造iPS 細(xì)胞就像在制造癌癥?！逼鋵?shí)，制造iPS細(xì)胞可以不需要c-Myc：山中伸彌和美國(guó)麻省理工學(xué)院的魯?shù)婪颉ふ材崾浚≧udolf Jaenisch）發(fā)現(xiàn)，如果優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)條件，即使不使用c-Myc，也能將小鼠細(xì)胞轉(zhuǎn)化為iPS 細(xì)胞。為了比較含有和不含c-Myc 的iPS 細(xì)胞的安全性，山中伸彌將兩類細(xì)胞分別移植到100 只小鼠體內(nèi)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，100 天后，接受不含c-Myc的iPS細(xì)胞的小鼠無(wú)一死亡，而另外100只小鼠則有6只死于癌癥。

第二個(gè)安全隱患來(lái)自基因載體——逆轉(zhuǎn)錄病毒（retroviruses）。利用這類載體向細(xì)胞插入基因，會(huì)使生成的干細(xì)胞充滿病毒。而且，逆轉(zhuǎn)錄病毒還可能誘導(dǎo)細(xì)胞突變，導(dǎo)致癌癥。不過(guò)，科學(xué)家很快就會(huì)解決這個(gè)難題。2008年9月，哈佛大學(xué)干細(xì)胞研究所的一個(gè)研究組宣布，他們用腺病毒作為載體，制造出了小鼠iPS 細(xì)胞。1 個(gè)月后，山中伸彌又用質(zhì)粒（即環(huán)形DNA片段）攜帶基因，成功制造出iPS細(xì)胞。逆轉(zhuǎn)錄病毒的其他替代品還有蛋白質(zhì)和脂質(zhì)分子。

盡管在利益的驅(qū)動(dòng)下，iPS技術(shù)發(fā)展非常迅速，各大實(shí)驗(yàn)室也在爭(zhēng)相完善這門技術(shù)，但山中伸彌并不認(rèn)為iPS細(xì)胞現(xiàn)在就可以取代胚胎干細(xì)胞。美國(guó)馬薩諸塞綜合醫(yī)院再生醫(yī)學(xué)中心的康拉德·霍切林格（Konrad Hochedlinger）說(shuō)：“我們還不知道胚胎干細(xì)胞與iPS 細(xì)胞是否真的完全相同。目前，iPS細(xì)胞只是多能細(xì)胞的一種補(bǔ)充來(lái)源，要徹底取代胚胎干細(xì)胞，它必須經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。如果現(xiàn)在就得出結(jié)論，顯然為時(shí)過(guò)早?！?/p>

在堅(jiān)持認(rèn)為iPS 細(xì)胞距離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)距離的同時(shí)，山中伸彌也高調(diào)宣稱這類細(xì)胞對(duì)于治療糖尿病、脊髓損傷、帕金森病甚至失明具有巨大潛力。日本理化研究所發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任西川伸一（Shinichi Nishikawa）評(píng)價(jià)道：“這一激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)為再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞治療技術(shù)都提供了一個(gè)清晰的發(fā)展框架?！?/p>

計(jì)劃儲(chǔ)存iPS 細(xì)胞用于醫(yī)療

干細(xì)胞療法方面的進(jìn)展由于面臨各種研究挑戰(zhàn)、倫理和法律障礙以及民眾恐慌而一直緩步不前，干細(xì)胞研究的先驅(qū)者、日本京都大學(xué)教授山中伸彌打算通過(guò)建立治療用干細(xì)胞銀行來(lái)改變這一現(xiàn)狀。該銀行將保存幾十種誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS 細(xì)胞）系，日本也將因此站到努力引介這一開(kāi)拓性生物醫(yī)療技術(shù)的最前沿。

iPS 細(xì)胞儲(chǔ)存計(jì)劃是山中伸彌長(zhǎng)久以來(lái)的一個(gè)夢(mèng)想，該計(jì)劃終于在10月份獲得了支持——日本衛(wèi)生部委員會(huì)決定，批準(zhǔn)利用來(lái)自全國(guó)保存的數(shù)千份胎兒臍帶血樣本建立一個(gè)細(xì)胞系庫(kù)。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞生物學(xué)家喬治·戴利稱，山中伸彌計(jì)劃儲(chǔ)存iPS 細(xì)胞用于醫(yī)療是“一個(gè)大膽的舉動(dòng)”。但也有一些研究人員質(zhì)疑iPS細(xì)胞是否已做好進(jìn)入臨床的準(zhǔn)備。

山中伸彌于2006年率先證實(shí)，成年小鼠皮膚細(xì)胞可被轉(zhuǎn)化為iPS 細(xì)胞。2007年，他用人類細(xì)胞重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)。iPS細(xì)胞能夠繞開(kāi)與胚胎干細(xì)胞相關(guān)的倫理問(wèn)題，并可為患者量身定制，以防止免疫系統(tǒng)產(chǎn)生排異反應(yīng)。

日本現(xiàn)有8 個(gè)長(zhǎng)期項(xiàng)目旨在將iPS 細(xì)胞療法引入臨床應(yīng)用，其中就包括京都大學(xué)iPS 細(xì)胞研究與應(yīng)用中心針對(duì)帕金森氏癥的研究，該項(xiàng)目由山中伸彌主持，離進(jìn)入臨床試驗(yàn)至少還有3年時(shí)間。首個(gè)利用iPS 細(xì)胞修復(fù)視網(wǎng)膜病變的人體臨床試驗(yàn)預(yù)計(jì)將于明年在日本理化研究所發(fā)育生物學(xué)研究中心進(jìn)行。如果這些或任何其他的iPS 細(xì)胞實(shí)驗(yàn)獲得成功，對(duì)iPS 細(xì)胞的需求將呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。而為個(gè)體患者定制iPS細(xì)胞，每種細(xì)胞系的制備和測(cè)試需要花費(fèi)6個(gè)月時(shí)間，耗資數(shù)萬(wàn)美元。

山中伸彌的計(jì)劃是，到2020年建立一個(gè)包含75 種iPS 細(xì)胞系的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，足以匹配日本80%的人口。為此，山中伸彌需要從6.4 萬(wàn)人的樣本中篩選出75 位合適的捐贈(zèng)者，其體內(nèi)編碼人類白細(xì)胞抗原（HLAs）的3個(gè)關(guān)鍵基因中任意一個(gè)基因必須具有兩個(gè)相同副本。

利用日本八家臍帶血銀行儲(chǔ)存的血液可以簡(jiǎn)化這一過(guò)程，這些銀行保存有2.9萬(wàn)個(gè)樣本，符合要求。山中伸彌正在展開(kāi)協(xié)商，以期獲得那些被證實(shí)不適用于其他醫(yī)療流程的樣本的使用權(quán)。

目前，山中伸彌已建造了一個(gè)細(xì)胞處理設(shè)備，并向京都大學(xué)倫理委員會(huì)提出了建立細(xì)胞系庫(kù)的申請(qǐng)。其研究團(tuán)隊(duì)希望，到明年3月能夠獲得首個(gè)細(xì)胞系，可匹配日本8%的人口。

山中伸彌的項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)在于，日本人口的遺傳多樣性相對(duì)較低，若在世界其他地方，這種治療用iPS 細(xì)胞銀行的規(guī)模將更大，成本投入也更高。日本以外的大部分iPS 細(xì)胞銀行都是將來(lái)自患者的細(xì)胞用于研究而非治療，例如，加州再生醫(yī)學(xué)研究所計(jì)劃保存3000種細(xì)胞系供研究人員使用。

加州再生醫(yī)學(xué)研究所總裁艾倫·創(chuàng)森認(rèn)為，關(guān)于iPS細(xì)胞的許多研究問(wèn)題尚未解決，開(kāi)展治療試驗(yàn)“尚不成熟”?！拔覀冞€沒(méi)有完全了解這些細(xì)胞?！彼赋?，這些細(xì)胞是由分化型細(xì)胞培育而成，可能導(dǎo)致突變和其他缺陷。斯坦福大學(xué)干細(xì)胞生物學(xué)家歐文·威絲曼警告說(shuō)，由血液細(xì)胞轉(zhuǎn)化而成的iPS細(xì)胞已被證實(shí)可以形成腫瘤。

對(duì)此，日本研究人員表示，解決的辦法是在培育這些細(xì)胞系的過(guò)程中小心避開(kāi)會(huì)引發(fā)腫瘤的白細(xì)胞，并強(qiáng)調(diào)所有的安全問(wèn)題都將會(huì)得到解決。