倪顯麗

在發(fā)達(dá)國家，65歲以上的老人中，有1／5的人晚年生活都受益于器官移植技術(shù)：在美國，近5000萬的老人接受過各種形式的人工器官替代療法，使生命得以延續(xù)。

“Hi，要我訂制一個(gè)心臟?！?/p>

或許不久的將來，在醫(yī)院的器官移植中心，你會(huì)經(jīng)常聽到這樣一句話。人們一直迫切希望得到可移植器官，用于替換、重建或者提升組織功能。目前的器官移植手術(shù)已經(jīng)挽救了無數(shù)人的生命，但是這種手術(shù)尚不完善，也給病人帶來諸如術(shù)后排異等沉重的負(fù)擔(dān)。

2006年，日本京都大學(xué)的醫(yī)學(xué)研究小組發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果，用皮膚細(xì)胞構(gòu)建多能干細(xì)胞。很快，世界上數(shù)家實(shí)驗(yàn)室重復(fù)了該實(shí)驗(yàn)。如今。來自4個(gè)不同物種(小鼠、人、大鼠和猴子)的10余種細(xì)胞都已被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變成多能干細(xì)胞，而且肯定還會(huì)有更多的細(xì)胞加入這個(gè)行列。對(duì)于科學(xué)家而言，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)無疑是一件令人興奮的事，他們不僅可以和復(fù)雜的克隆技術(shù)說“再見”，還能規(guī)避人類胚胎研究引起的倫理爭議和法律約束。4年來，多能干細(xì)胞技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展新時(shí)代。

重組成熟細(xì)胞基因

2008年，研究人員在細(xì)胞再編程方面可謂取得了又一個(gè)里程碑式的進(jìn)展。給細(xì)胞再編程并不一定要讓細(xì)胞回到胚胎狀態(tài)，而可以讓細(xì)胞直接變成另一種新的成熟細(xì)胞。研究人員從不同疾病的患者身上提取皮膚細(xì)胞，將其再編程為干細(xì)胞。改造后的干細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室里生長并分裂，為研究人員研究構(gòu)成疾病基礎(chǔ)的細(xì)胞過程提供了新工具。在用活鼠做的一項(xiàng)漂亮的研究中，他們讓細(xì)胞直接從一種成熟細(xì)胞變成另一種，打破了細(xì)胞單向發(fā)育的規(guī)則。

美國研究小組用小鼠做實(shí)驗(yàn)，把成熟的胰腺細(xì)胞(又稱外分泌細(xì)胞)再編程為胰島β細(xì)胞，這種被I型糖尿病破壞的細(xì)胞在胰腺中產(chǎn)生胰島素。該研究小組把三種病毒的混合劑注入成年鼠的胰腺內(nèi)。這三種病毒主要感染外分泌細(xì)胞，每個(gè)病毒攜帶有一種已知在β細(xì)胞發(fā)育過程中起作用的基因。幾天內(nèi)，成年鼠體內(nèi)形成了能制造胰島素的細(xì)胞，這種細(xì)胞的外表和作用可與真的B細(xì)胞媲美。這一研究結(jié)果出人意料，因?yàn)樵谏矬w內(nèi)，分化了的細(xì)胞幾乎從來不改變發(fā)展方向，比如從肌細(xì)胞變成肺細(xì)胞。然而，這種細(xì)胞的直接再編程對(duì)治療某些疾病來說，也許比采用多能干細(xì)胞更簡單安全。

技術(shù)仍需完善

盡管對(duì)再編程的全面了解還不夠，但科學(xué)家們?nèi)匀辉趯⒛切┮龑?dǎo)多能干細(xì)胞成為成熟組織的步驟標(biāo)準(zhǔn)化。這個(gè)問題很關(guān)鍵，因?yàn)橛糜谥委煹亩嗄芨杉?xì)胞如果出軌，可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)的腫瘤。如果攜帶重編程基因的病毒尚具有部分活性，就可能使宿主細(xì)胞發(fā)生癌變。盡管在顯微鏡下，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞看起來很像胚胎干細(xì)胞，也具有與多能干細(xì)胞相關(guān)的分子標(biāo)記，但這些細(xì)胞是否具有多能干細(xì)胞具有的一切功能?只有功能測試才能提供最具說服力的多能性證據(jù)。即使在胚胎細(xì)胞中，也有一些不具備胚胎干細(xì)胞多能性的“垃圾細(xì)胞”，因此，科學(xué)家發(fā)明了幾種可以評(píng)估細(xì)胞多能性的常規(guī)方法。按照嚴(yán)格程度依次遞增的順序，這些方法分別是如果向培養(yǎng)皿里的干細(xì)胞發(fā)出適當(dāng)?shù)陌l(fā)育信號(hào)，它們能產(chǎn)生多種人體細(xì)胞，如果注射到小鼠的皮下組織，干細(xì)胞能產(chǎn)生畸胎瘤；如果注射到小鼠的早期胚胎中，能促進(jìn)新生小鼠所有組織的發(fā)育。一般來說，胚胎干細(xì)胞都能通過上述測試，很多誘導(dǎo)多能干細(xì)胞卻不能?？茖W(xué)家進(jìn)一步檢查未能通過測試的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)，攜帶4種關(guān)鍵重編程基因的病毒載體進(jìn)入皮膚細(xì)胞后，經(jīng)常被不恰當(dāng)?shù)亍瓣P(guān)閉”，而細(xì)胞自己的一些重要基因又不能恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)，導(dǎo)致這些細(xì)胞既沒能獲得多能性，又失去了皮膚細(xì)胞的特性。因此，這種重編程不完全的細(xì)胞不能算作真正的多能細(xì)胞。

科學(xué)家正在研究通過了所有多能性測試的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，旨在找出“合格產(chǎn)品”區(qū)別于“次品”的不同之處。醫(yī)學(xué)研究小組最近在轉(zhuǎn)變的皮膚細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)了一種基因活動(dòng)模式。在轉(zhuǎn)變期間，這些皮膚細(xì)胞會(huì)表達(dá)一種熒光標(biāo)記，把它們與同一集落中最終不能成為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的細(xì)胞區(qū)別開來，因此，這種標(biāo)記模式可用于指示皮膚細(xì)胞在轉(zhuǎn)變初期是否順利。

研究小組發(fā)現(xiàn)，如果向發(fā)育中的小鼠胚胎注射誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，由這些胚胎培育出的小鼠中，有1／3在不久后都會(huì)患上癌癥，這正是逆轉(zhuǎn)錄病毒仍具有殘余活性的結(jié)果。由于倫理限制，科學(xué)家不能為了做最嚴(yán)格的多能性測試，而把人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞注射到人類胚胎中，因此，確保這些細(xì)胞通過其他所有多能性測試就顯得極為重要。這就要使具有潛在危害、用于運(yùn)載重編程基因的病毒完全“沉默”(也就是讓病毒無法表達(dá)自己的基因)。

科學(xué)家的最終目標(biāo)是，不使用任何病毒，只是簡單地向成體細(xì)胞施加一組藥物，代替重編程基因的作用，就可以構(gòu)建出誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。美國哈佛大學(xué)研究小組已經(jīng)找到一些化學(xué)物質(zhì)，能分別代替4個(gè)重編程基因中的每一個(gè)。成體細(xì)胞中，由～個(gè)重編程基因激活的每一條分子反應(yīng)途徑，也能由一種化學(xué)物質(zhì)激活。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，研究人員同時(shí)使用4種化學(xué)物質(zhì)時(shí)，并不足以產(chǎn)生多能干細(xì)胞。不過，科學(xué)家找到合適的藥物組合及其濃度配比，在不使用任何病毒的情況下，將體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄芨杉?xì)胞，或許只是遲早的事。

器官訂制不是夢(mèng)

為了確保定制器官的結(jié)構(gòu)完好，科學(xué)家想了很多辦法，其中之一就是利用一些具有特殊屬性的物質(zhì)，人工搭建出支架，以用于新器官的生成。2008年，美國一個(gè)研究小組以老鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，去除掉心臟上的細(xì)胞，得到一副纖維基質(zhì)，在上面培養(yǎng)心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，讓它們生成心肌纖維和血管結(jié)構(gòu)，最終成功得到一個(gè)砰砰跳動(dòng)的心臟。令人嘖嘖稱奇的是，這些支架在心臟組織全部生成后還會(huì)自行逐漸分解。

目前，該研究小組已經(jīng)利用老鼠的“舊”肺成功打造了一個(gè)新肺，植入另一只老鼠體內(nèi)，令它發(fā)揮作用。這一研究成果有望解除肺癌病人的痛苦，肺組織一旦受損就難以自我修復(fù)。若想替換成年人的肺組織，目前唯一方法是移植，但這容易引發(fā)排異和感染。接受肺移植后，存活10年的病患比率為10％至20％。

該研究小組取一只老鼠的肺部組織，用化學(xué)手段去除所有細(xì)胞，只保留起支撐連接作用的纖維網(wǎng)絡(luò)，作為新肺的“框架”。這樣，實(shí)施移植手術(shù)后，受體不會(huì)排斥這一新成員。肺的立體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并非簡單幾步就可以完成。研究人員在肺“框架”中植入來自受體的各種細(xì)胞，把它放入生物反應(yīng)器中培養(yǎng)大約一周。期間，研究人員用儀器幫助肺“呼吸”。培養(yǎng)完成后，研究人員需要借助4次手術(shù)，把新肺移植到受體老鼠體內(nèi)。移植后的新肺表現(xiàn)良好，工作了2個(gè)小時(shí)，能夠呼入氧氣，排出二氧化碳。眼下正在繼續(xù)研究如何使“再生”器官更有效工作。這種再生技術(shù)可以用于培養(yǎng)其他器官，事實(shí)上只要保持血液供給，任何種類器官都能培養(yǎng)出來，按照這種理念(換細(xì)胞、留結(jié)構(gòu))，你可以制出任何器官，腎、肝、肺、胰……只要你叫得出來的，都能訂做出來。不過，研究成果真正大面積應(yīng)用于人體，還有20年的路要走。由于多能干細(xì)胞能產(chǎn)生人體內(nèi)的任何組織，因此，它們可用于制造病變細(xì)胞或組織的替代物，比如帕金森病中缺失的神經(jīng)元、受損的脊髓、因心臟病而功能失常的心臟組織等，這是人們?cè)缇蛪?mèng)寐以求的醫(yī)療技術(shù)。將來，醫(yī)生可以從病人身上提取成體細(xì)胞，把它們轉(zhuǎn)變成多能干細(xì)胞后，再培育出病人所需要的移植器官——這就意味著，由此得到的替代組織不論在遺傳上，還是免疫上，都能與病人身體完美匹配。