山中伸弥开启“时光机”，让成熟细胞“逆生长”？这不是科幻，是诺奖

作者：金佳 （科学声音写作训练营第五期学员）


开篇故事

2002 年一天早晨，山中伸弥教授如往常一样走进了自己的研究室。这个位于日本奈良先端科学技术大学里的实验室虽然不大，但是里面的仪器却相当先进。 在实验室的最里面，落着好几层饲养仓，里面的小白鼠显得十分兴奋，它们正等着早餐的降临。站在饲养仓前面喂老鼠的，是山中教授的女助手德泽佳美。她看起来一脸疲倦，但手里的工作依然做得娴熟利落。 山中教授望着他的助手，满怀期望地问道：“德泽桑，三周前植入的小鼠胚胎怎么样了？这次我们总该成功了吧。” 德泽佳美懒散地望了望身边的饲养仓，用略带嘲讽的口气回答道：“如果实验的目标是繁殖小老鼠，那这次咱们绝对是超额完成任务了。您看这批新出生的小老鼠，数量又多又活泼，多可爱呀。” 山中教授听到德泽佳美的回答，露出一脸苦笑，因为他们的实验目标当然不是繁殖老鼠。面对这种情况，山中教授也只好把说过很多遍的安慰的话再说一遍。他快步来到饲养仓旁边，对正在喂老鼠的女助手说道：“德泽桑，真是太辛苦你了。不过，搞科研没有一帆风顺的事情，请你相信，我们一定能找到关键基因。那些躺在病床上的绝症患者都在等着我们的好消息！” 德泽佳美重重地点了点头，回答说：“我明白了，山中教授。请原谅。我马上安排下一次实验，我相信我们会成功的，下一次小老鼠就会胎死腹中了。” 这就奇怪了，是什么样的实验需要小老鼠胎死腹中才算成功呢？而且还能因此拯救绝症患者的生命？而他们的实验，会在未来掀起一场改变生物学的技术风暴，诺奖也在前方等着他们。今天这个故事，我们要从什么是干细胞给你说起。

干细胞科学史
众所周知，动植物细胞都有自我分裂的能力。它们一分为二，两个又分为四个 。但是，这些细胞能够分裂的总次数是有限的。分裂次数就像是衡量细胞年龄的计数器，等到分裂的次数用完之后，这些细胞就会衰老死亡，而它们的位置，则会由一些新生的细胞代替。 生老病死本来就是生命的规律，这完全符合普通人的直觉。但早期的生物学家们却面临着一个个有趣的问题：如果所有的细胞都会衰老，那么替代衰老细胞的新生细胞，它们又是从哪里来的呢？ 你可能还没想明白这个问题。是这样，按照 19 世纪末的科学共识，细胞总是会对称地一分为二。分裂产生的两个细胞总是完全一样的，即便是它们衰老的程度，也别无二致。这样一来，人们就搞不清楚了，那幼年细胞是从哪里来的。直到俄国科学家马克西莫[1]在观察血液细胞的时候发现，所有的血细胞都会从一种共同的前体细胞中分化出来。这种分裂不是对称的，它不像是在分裂，更像是创造和生产。 到了 20 世纪初的 1912 年，德国科学家恩斯特·诺依曼在他的书中首次提到了干细胞的概念，他说：“血液、淋巴、骨髓中所有不同形式的血细胞，都是大淋巴细胞干细胞的后代，它们是血液细胞的工厂。” 图：Franz Ernst Christian Neumann 手绘解释图 干细胞的概念很好地解释了科学家们观察到的现象，但同时也饱受质疑。恩斯特在他的书中写道：“如果有可能的话，要像科赫证明细菌存在那样证明干细胞的存在，只有分离出它们并能体外培育研究，才能最终结束这场争议”[2]。然而，培养干细胞这件事情，一直要等到原子弹发明之后，才逐渐有了眉目[3]。 1945 年 8 月 6 日和 9 日，美国分别在广岛和长崎扔下了两枚原子弹。这两枚原子弹造成了 15 ~ 22 万人的直接死亡。随后，更多受到辐射伤害的幸存者开始出现脱发的症状，并在随后的一个月中死于严重血性腹泻，一些病人还出现了大量内出血甚至败血症等匪夷所思的症状[4]。 很快，科学家们就找到了这些症状的元凶，原来辐射摧毁了幸存者体内的造血功能，他们不能制造新的血液细胞了。 加拿大多伦多大学的两名科学家——麦卡洛赫和蒂尔——随即在小鼠身上做起了实验。他们发现，在骨髓区域遭到辐射之后，小鼠体内各种血液细胞都会急速下降[5]，同时也会伴随着内出血和败血症而死亡。实验表明，小鼠的骨髓区域与造血功能似乎存在着显著的关联。 图：Ernest McCulloch（左） and James Till 现在，麦卡洛赫要做的，就是证明骨髓细胞就是他们要找的造血工厂。 他的方法是：把健康小鼠的骨髓细胞注入到受过辐射的小鼠体内，如果骨髓细胞确实就是造血工厂，那就应该能观察到新生的血液细胞。
为了能够追踪那些新生的血液细胞，麦卡洛赫使用染色剂给正常的骨髓细胞打上了标签，只要血液中发现相同染色标签的细胞后代，就可以证明骨髓细胞确实制造出了新生的血液细胞。不过，实验的结果并不符合预期，实验小鼠在接受了骨髓注射后很快死去。在小鼠的血液中也没有发现新生血液细胞存在的迹象。 是骨髓细胞根本没有造血能力，还是注射的骨髓细胞数量不够？两位科学家决定分头展开实验。他们一边尝试给小鼠注入其他类型的健康细胞，一边加大了骨髓注射的剂量。结果，当骨髓细胞的注射剂量达到一个阈值时，小鼠的死亡率突然就开始降低了。他们观察到，不仅新生的血液细胞在不断地被制造出来，那些受损的骨髓细胞也被重新替换。后续的解剖还发现，小鼠的脾脏上出现了很多大小不同的结节，结节的样子就好像在脾脏上盖起的一座座蒙古包，大一些的结节甚至还连成了一片，这又是怎么回事呢？ 对这些结节进行进一步的解剖后发现，这些结节内充满着各种带有染色标签的血液细胞，包括血小板、红血球、白细胞和巨噬细胞等等。这些结节就好像一个个临时搭建的工厂车间，正全力以赴地让血液细胞恢复到正常水平。 麦卡洛赫和蒂尔终于可以确信，骨髓中确实存在一种能够制造血液细胞的细胞。这就是造血干细胞（HSC）。目前， 骨髓移植手术，是世界上唯一公认合法有效的干细胞医疗方法，这项技术已经拯救了无数的血液病患者。 图：试验老鼠脾脏上鼓起的结节 麦卡洛赫和蒂尔发现，在不同的环境下，干细胞具有不同的分裂模式。 在常规状态下，干细胞每次分裂，都能产生一个有具体功能的细胞和一个与自身一模一样的干细胞。这种模式很像是工厂，具体功能的细胞会一个一个被干细胞生产出来。你可以把这种模式叫做 生产模式。 如果在特殊情况下，干细胞不够用了，这时的干细胞就会对称地一分为二，变成两个一模一样的干细胞，用来补充干细胞数量的不足。你可以把这种模式叫做 扩建模式。 无论是生产模式还是扩建模式，干细胞都能无限地分裂下去，你也可以认为，干细胞是永生的。但是，自然界中最没有例外的事情就是处处都有例外。有时干细胞也会放弃这种永生的模式，直接分裂成两个具有具体功能的普通细胞。这两个普通细胞在分裂次数的限制下，最终会走向凋亡。 根据干细胞分化能力的强弱，可以把它们分为三种： 第一种是 单能干细胞，它们只能分化为少数几种细胞类型，麦卡洛赫和蒂尔发现的造血干细胞就属于这类； 第二种是 多能干细胞，它们几乎可以分化出所有其他的干细胞类型。由于这种多能干细胞一般存在于早期胚胎当中，所以又称为 胚胎干细胞； 最后一种就是 全能干细胞，它们不仅能分化其他的干细胞，还能分化出辅助胚胎生长的其他细胞。只有受精卵最初 5 次分裂产生的细胞，才是全能干细胞。

干细胞医疗
1981 年，英国剑桥大学的生物学家马丁·埃文斯在小鼠的畸胎瘤里，首次分离出胚胎癌细胞[6]。他将这些细胞涂抹在一层做为细胞外基质的明胶上，这些明胶中不光含有能够让细胞长期存活的营养物质，同时还含有限制细胞生长的抑制剂。这些抑制剂如同营造了一个冬眠环境，让细胞在里面保持沉睡状态，不过当它们一脱离抑制剂，就马上变成了一台台上足了发条的机器，开始疯狂生产各种类型的干细胞，包括皮肤干细胞，神经干细胞，甚至是跳动的心肌干细胞。这就是多能干细胞。 利用干细胞自我更新和分化成其他细胞的能力，就可以用于修复和重造身体组织，这与传统的药物和手术治疗手段完全不同。所以， 干细胞技术又被称作第三次医学革命。目前，医学界正投入大量资源对干细胞治疗进行研究，包括中风、阿兹海默病、帕金森病等大脑疾病，脊椎损伤、风湿、肌肉萎缩等肌肉关节类疾病；甚至有望利用这类技术解决心肌梗塞、糖尿病、癌症等医学难题。 不过，虽然人人都能看到干细胞治疗的远大前景，但这项技术实际应用起来却显得困难重重。 可控问题、免疫问题、稀缺问题和伦理问题，是干细胞治疗必须面对的四大难题。 先说可控问题。目前，人们还很难完全控制胚胎干细胞的分化路径。这项困难很好理解，胚胎在发生细胞分化的时候，会均衡发展成一个完整的人体。当我们只想要培养出一个具体器官时，就需要对它们的分化做出控制。也就是说，胚胎干细胞虽然有能力分化出任意类型的细胞，但想要精准控制它是相当困难的。如果控制不当，具备永生能力的胚胎干细胞还有癌变的风险。 第二个问题是免疫风险。移植到体内的干细胞，与入侵的细菌、病毒一样，会遭到人体免疫系统的攻击，这会导致人体出现各种各样的免疫反应，严重的还会有休克甚至死亡。为了能够保证被移植的干细胞正常工作，就需要接受干细胞移植的患者长期服用免疫抑制药物。 另外，获取胚胎干细胞的途径也非常有限。目前胚胎干细胞只能从流产的胚胎中或者废弃的脐带血中采集，无法通过离体培养的方式批量生产，也就无法大规模应用于普通临床治疗中了。 不过最难跨越的还是伦理问题。胚胎到底算是人，还是一团细胞？破坏胚胎是否会被判定为“杀人”？这些问题在不同国家或地区的文化、宗教、习俗里，有着完全不同的理解。想突破文化、宗教的差异达成一致，是相当困难的。在有些国家，不仅应用干细胞技术是非法的，连对人类胚胎展开科学研究都是明令禁止的。

诱导多功能干细胞出现
要想解决这些问题，恐怕还需要从患者自身角度着手。如果能利用患者自身的细胞，就不会出现免疫综合反应。而如果能不打胚胎的主意，从其他的人体细胞里找到胚胎干细胞的替代品，也就能规避掉伦理问题了。 把任意一个体细胞变成胚胎干细胞，这件事情听起来完全不符合直觉。每个生命从出生开始，都要经历生长、衰老和死亡这三个阶段，没有哪个生物是逆向生长的。让完全分化的体细胞变回干细胞，就如同让青蛙再变回蝌蚪一样不太可能。 但是，直觉未必就是对的。每一个细胞，都是从胚胎干细胞一点点分化出来的。虽然这些细胞似乎已经失去了全能性，但当一颗精子和一颗卵子重新结合成一粒受精卵的时候，全能性就再次呈现了出来。显然，每一个细胞其实都是全能的，只不过它们的功能被限制了而已。 1962 年的一天，牛津大学的研究生约翰·戈登，正聚精会神地观察着显微镜。显微镜的视野里展现的，是从非洲爪蟾胚胎中取得的内胚层干细胞[7]。戈登对这类细胞已经相当熟悉了，它们会继续分化为各种不同的组织器官，例如消化系统中的肠道就是其中之一。 戈登看着显微镜，脑中突然闪过一个念头：既然内胚层细胞最终会分化成肠道细胞，那么用肠道细胞的细胞核替换掉卵细胞的细胞核，会发生什么事呢？这会导致卵细胞停止发育？还是会分裂出更多的肠道细胞？ 他顺着这个思路，把非洲爪蟾卵的细胞核替换成了蝌蚪肠道上皮的细胞核，最后的结果相当出人意料，经过改造的非洲爪蟾卵既没有停止发育，也没有分裂出肠道细胞，它竟然发育成了一只健康的蝌蚪。 为什么同样的细胞核，在不同的环境里就会发育成功能不同细胞呢？原因是：专门有一些基因，它们会生产一种控制其他基因表达的蛋白质，这就是 转录因子。转录因子生产出的蛋白质，通过与特定DNA序列结合，就能够开启或关闭某些基因功能，从而协调细胞的分化，生长和死亡。 这个过程就如同设定了细胞程序一样，如果只开启神经相关的基因，那细胞就会变成神经细胞；如果只开启肝功能相关的基因，那就变成了肝细胞。 转录因子就是让细胞改变自身程序的关键。 但是，人体中已知的转录因子已经多达 1600 多个。即便只有 2 个转录因子主宰着细胞的分化，也会有 256 万种组合；如果有 5 个转录因子参与了细胞分化，那组合总数就多达 1000 万亿种；如果参与的转录因子有 10 个呢？那找到这些转录因子，就是人类永远不可能完成的任务了。 好在科学家们不会被庞大的数字吓倒，他们总在努力寻找新的突破。1999 年，本文开头提到日本遗传生物学家山中伸弥决定挑战这个看似不可能完成的任务[8]。 一组一组地尝试当然是不可行的。山中伸弥的方案，是借助基因序列数据库和专用分析工具，对小鼠的胚胎和成体细胞进行对比。在胚胎干细胞中表达，但在成体细胞中被抑制的基因，就有可能是影响细胞分化的转录因子。很快，山中伸弥就锁定了 100 多个可能的基因。别看转录因子从 1600 个减少到了 100 个，但是，如果参与调控的转录因子数量比较多，这项任务就依然不可能完成。

山中伸弥的成果
山中伸弥必须进一步筛选。他的办法是从小鼠的受精卵中将这些转录因子一个个敲除，如果这些胚胎在孕育早期就停止分化，那么，就必然会导致小鼠胎死腹中。所以，对于山中伸弥团队来说，他们期待发生的事情，就是小鼠胎死腹中。 这个让小鼠胎死腹中的转录因子对细胞分化起着决定性作用。 在小鼠实验的帮助下，山中伸弥团队终于在 2004 年成功锁定了 24 个与细胞分化高度相关的转录因子。实验的下一步，就是通过操纵这些转录因子，让体细胞回到多能干细胞的状态。 这是山中伸弥团队的新一轮实验。首先，他们把这 24 个转录因子对应的蛋白质一个一个分别植入成体细胞中，看看能不能让细胞发生时光倒流的奇迹。但令人失望的是，他们没有观察到任何有意义的变化。一个不行，那就索性把 24 个转录因子全部都植入细胞看看效果再说。这个疯狂的举动，果然带来了收获，四周之后，他们收获了少量的多能干细胞。 随后，他们又开始尝试减少转录因子的数量，排除掉无关因素。最后发现 24 个转录因子中，只有 4 个转录因子最为关键。只要这 4 个转录因子组合在一起，就能让细胞返老还童。这种经过转录因子诱导而形成的多能干细胞，就叫做诱导多能干细胞。 诱导多能干细胞展现出和胚胎多能干细胞完全一样的功能，不仅具有自我更新的能力，还能分化成所有细胞类型的能力。更重要的是，这项技术并不需要卵细胞作为媒介，能够让细胞直接在体外进行培育。 约翰·格登和山中伸弥的重大发现让人类对生物细胞的认识又向前迈出了一大步，开启了一个全新的细胞时代。 图 ：约翰·格登和山中伸弥 为了表彰他们的重大贡献，两人分享了 2012 年的诺贝尔生理医学奖。山中伸弥在获奖现场感慨道：

诱导多能干细胞的研究才刚刚开始，这项技术将在细胞治疗、药物筛选和个性化医疗领域释放巨大潜能。这个意想不到的结果开辟了一个全新的研究领域，希望医学和生物科学家能够利用这个技术在不同的研究领域做出更多研究成果。

人类还在不断探索
诱导多能干细胞技术虽然对人类未来医疗提供了无限可能，但是这项技术仍然充满着各种挑战。首先细胞重新编程的效率不高，按照山中伸弥的流程，体细胞只有万分之一的概率能够分化成多能干细胞，而且整个过程非常繁琐。从采集患者自身体细胞到细胞编程完毕，需要 2 ~ 6 个月的时间；从分化出多能干细胞，到培育出可移植的组织器官，又需要几个月的时间。一项基于细胞编程技术的器官移植手术常常需要将近一年甚至更长的时间[9]。而且，这些细胞的染色体还会变得不太稳定，甚至会有引发肿瘤的风险[10]。 但是在科学家的持续努力下，转录因子的各种新能力也被陆续发现。有些转录因子能够提高细胞分化效率，有些能提升染色体的稳定性。科学家还尝试直接利用 RNA 和其他蛋白质替换转录因子，也获得了不错的进展。在随后的几年里，不断改进的细胞编程技术已经开始在临床试验中得到验证[11]。 2014 年，日本的高桥雅代团队完成了世界上第一个诱导多能干细胞治疗案例。她们通过离体培养视网膜上皮组织，治愈了一名患有 老年黄斑的患者。 图：高桥雅代 2018 年，哈佛医学院的金光洙与马萨诸塞州总医院的鲍勃卡特利用诱导多能干细胞尝试治疗了第一例 帕金森病。 2019 年，日本国际癌症研究所的江藤浩二团队，与京都大学医院合作，治疗了一名 再生障碍性贫血 的患者。同年，大阪大学医院西田幸二教授利用细胞编程技术培育出了世界首例眼角膜，并成功完成了 眼角膜移植 手术。 还有一项研究可能会有更广的应用前景。由亚历克西·特斯基赫带领的美国团队正在试图通过细胞编程技术解决令人烦恼的 脱发问题。将来，很可能直接注射一针干细胞或者服用一粒药丸就能长出郁郁葱葱的秀发。如果这项研究能够成功，未来就再也不需要进行痛苦的植发手术了。这会给全世界数以亿计被脱发困扰的人带来福音。 图：Alexey Terskikh 博士

尾声
细胞编程技术从发明到临床试验也不过只有短短的 8 年时间，从理论上来说，只要与细胞老化、缺陷、受损相关的疾病，都可以用这项技术进行治疗。细胞编程技术的应用前景广阔得难以想象。 回看科学家们的研究历程，感叹人类技术的进步发展，就像是一座在前人研究成果上，一步步垒起的巨石城堡。虽然这座城堡对于现今的人们看来已经十分雄伟壮观，但是在未知面前仍然如同一块乐高积木，所以我们 不能把自己固封在已知的世界中，更不能笃定千年前的文明已是人类的巅峰。我们甚至需要用更开放的思维重新审视已有的成就，正如戈登在他的实验中所做的那样，突破了当时科学界原有的认知，开创了一个全新的研究领域。 如果把地球 45 亿年的历史压缩成一天，人类只是在这一天快结束前一分钟才出现，所以我们不可能依靠过去的经验来解决未来的问题。对于人类未解的疾病，也还需要更多的科学家探索未知的领域，帮助人类解开自身的秘密。

信源

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Alexander_A._Maximow
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Franz_Ernst_Christian_Neumann
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Stem_cell
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Effects_of_nuclear_explosions_on_human_health
5. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsbm.2017.0019
6. https://web.archive.org/web/20101016091331/http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2007/adv.html
7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2615171/
8. Transcription factor - Wikipedia
9. https://currentprotocols.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cpz1.88
10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5951134/
11. https://currentprotocols.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cpz1.88

作者金佳感言

写完作业后的感想：

为了这篇近 8000 字的文章，我查阅了 140 篇文献，总计 25 万字的资料，其中 3% 是中文资料， 7% 日文资料，90% 的英文资料。如此大量查阅一手资料就是为了汇聚成一篇信源可靠、逻辑清晰、推理正确的科普文章，只有亲自动笔，才知如此不易。

写作训练营的学员还写过

END