互动科普

基因兴奋剂

由于衰老和疾病，骨骼肌会丢失，一种修复或重建的基因疗法已准备进入临床，但某些优秀运动员也期待用它来提高成绩。基因兴奋剂使竞技体育变质的日子不远了。 H. Lee Sweenry

    2004年8月，全世界的优秀运动员将参加2000多年前起源于希腊的传统奥运盛会。作为世界上最健康的榜样，他们将挑战人类力量、速度和灵敏度的极限。但其中某些人也极可能卷入急功近利和有悖奥运会传统精神的活动——使用提高运动成绩的药物。尽管服用兴奋剂的丑闻屡有揭露，但若仅仅密切跟踪、检查使用过兴奋剂的运动员，对许多人而言，兴奋剂仍是难拒绝的诱惑。因为当获得冠军成为至高无上的目标，运动员将抓住任何机会以提高零点几秒的速度或增加些许的耐力。

竞技运动管理当局担心：一种新型的检测不到的兴奋剂的出现，将使预防更加困难。再生成骨骼叽并增加其力量和防止退化的疗法将很快进入临床试验，其中包括将合成的基因导入患者体内。这个基因可存活数年并产生大量正常的建造肌肉的化学物质。

这种基因疗法可改善老年人和肌肉萎缩症患者的生活质量。令人遗憾的是，对那些专门依靠兴奋剂提高成绩的运动员来讲，简直是天赐良机。这些化学物质与正常的体内固有基因产物完全一样，仅在局部肌肉组织中合成，不进入血液循环，兴奋剂检测人员在血和尿中什么也检测不出。世界反兴奋剂组织已请求科学家帮助找到防止基因疗法成为新型兴奋剂的手段。但考虑到这些基因疗法即将进入临床试验，最终将广泛应用，阻止运动员使用这种兴奋剂的可能性几近于零。

基因疗法将成为竞技体育高科技欺骗的基础吗？这是完全有可能的，当基因疗法在治病方面普及后，公众会接受用它来提高运动员的成绩吗？也有可能吧。不管是这两种情况的哪一种，恐怕世界要面临最后的几届没有遗传强化运动员参加的奥运会了。

先失后得

用遗传学手段增强肌肉的研究，初衷并非为了优秀运动员。我发现我家族中八、九十岁的老人尽管总体情况良好，但由于肌肉的衰老萎缩，生活质量下降了。为此我开始了这项研究。实际上与30岁相比，80岁的老年人无论肌肉力量还是重量都减少了1/3。

我们体内有3种肌肉：平滑肌（衬垫中空器官如消化道），心脏中的心肌以及多数人一想到肌肉就认定的那种肌肉——骨骼肌。骨骼肌构成最大的人体器官，正是它（特别是其中最强的所谓快纤维）随着年龄的增长而萎缩。由于肌肉力量的丢失，人的平衡能力相应下降，在摔倒之前控制住自己很困难。而一旦摔跤引起髋骨骨折或其他严重损伤，人体的活动能力就完全丧失了。

所有哺乳动物骨骼肌，都会随着衰老而发生萎缩，这可能是多年正常使用时引发的损伤未能及时修复的积累结果。有趣的是，与衰老相关的骨骼肌的变化，与一组成为肌萎缩症的疾病引发肌肉功能和身体运动的改变相似，只是前者进展较为缓慢而已。

最常见也是最严重的一种肌肉疾病——假肥大性肌营养障碍（MD）是由遗传性基因突变导致缺少一种成为抗肌萎缩蛋白所致，后者可保护肌纤维避免肌肉规律性的收缩-舒张运动产生的张力引起损伤。肌肉有很好的自我修复功能，但对于MD患者，肌肉正常再生能力跟不上过度受损的速度，而对于衰老的肌肉，损伤速率正常但修复机能变得迟缓。两种情况最终的结果是一样的；老年人的和MD病人的肌纤维死亡，由浸润的纤维组织和脂肪替代。

与上述情况相反，处在微重力环境中的宇航员和因伤残不能行动的病人发生的肌肉丢失，似乎是由修复和生长机制全部关闭引发的。凋亡式程序性细胞死亡的速度加快，这种称为废用性萎缩的机理仍未充分阐明。但从进化的观点看还是合理的，维持肌肉的正常活动要消耗大量能量。所以要保持肌肉体积和活动之间的紧密联系，还要能够精确调节以适应功能上的需要。正如废用引起萎缩一样，肌肉对重复性收缩-舒张的反应是体积增大（肥大）。增加肌肉负荷可激活一系列细胞内的信号传导通路，导致单个肌纤维（肌细胞）内添加新的细胞成分和改变纤维种类，在极端情况下增加新的肌纤维。

为调节肌肉的生长，科学家将肌细胞正常建造和丢失的分子详细地拼装在一起。结果发现，与含有液态的胞浆和1个细胞核的典型细胞不同，肌细胞呈长圆筒状，含有多个细胞核，胞浆由许多称为肌原纤维的更细纤维组成[见下页图文]，再由肌原纤维组成排列整齐的收缩单位——肌小节，后者总体的缩短产生了肌肉 收缩。除非将肌肉收缩时产生的力传递至细胞外，否则会损伤肌纤维。MD患者体内缺失的一种蛋白——抗肌萎缩蛋白，可将肌肉收缩时产生的能量传递到细胞 膜外，从而保护肌纤维免于受损。

但即使在抗萎缩蛋白的缓冲作用下，正常使用肌肉仍可损伤肌纤维。实际上，据信这就是运动建造肌肉组织和增强肌力的一种方式。运动造成肌纤维的微小撕裂引发了化学警报，促发组织再生，但对肌肉而言并不意味着生成新的肌纤维，而是修复原有肌纤维的外膜，并有新生的肌原纤维填充肌肉内部。制造新的肌原纤维蛋白需要激活细胞核相关基因，当肌原纤维的需求量增大时，要动员更多其余的细胞核补充参与，以满足制造这些蛋白质的需求。

位于肌细胞外的局部卫星细胞可响应增加肌原纤维的要求：首先，这些肌纤维特异性干细胞经正常细胞分裂增生，然后某些子代细胞与肌细胞融合，将其细胞核转入肌细胞。此外，一些促生长和抗生长因子也参与调节这一过程，卫生细胞在胰岛素样生长因子1（IGF-1）作用下细胞分裂次数明显增加，而另一种生长调节因子——肌稳定因子（myostatin）可抑制卫星细胞的增殖。

了解了上述机理，大约在7年前，笔者在美国宾州大学的研究小组与哈佛大学的Rosenthal及其同事合作，探索应用IGF-1改变肌肉功能的可能性。我们已经清楚，单独将IGF-1蛋白注入人体内，几个小时后就失效，而一旦将IGF-1基因导入细胞，它在细胞的一生中都能发挥功能。而且，肌细胞是长寿细胞，若将 IGF-1基因单次导入老年人的肌肉，很可能在他们余生内都能起作用。据此，我们集中精力去寻找一种将IGF-1基因直接导入肌肉组织的方法。

给新基因披上伪装

一如既往，基因治疗成功的最大障碍在于将治疗基因导入靶组织所遇到的 困难。与其他的研究人员一样，我们选择病毒作为载体。因为它们有能力将外源基因偷运到细胞内, 如同特洛伊木马一样，可欺骗细胞从而进入细胞，不仅能存活，还可繁衍后代。若进入宿主细胞核，病毒能利用细胞原有的功能结构，使外源基因复制和转录，生成蛋白质。基因治疗学家利用病毒的这种能力，将合成基 因装入病毒，并去除任何可引发疾病和复制病毒本身的基因。我们选用腺联病毒 （AAV）作为载体，在某种程度上，是因为该病毒很容易转染到肌肉组织，又不引起任何已知疾病 。

我们对AAV进行修筛，使其含有IGF-1合成基因，而且只在正常小鼠骨骼肌表达。当将AAV-IGF-1重组病毒注入到年轻小鼠后，我们看到尽管动物活动减少，但肌肉整体数量和生长率增加15~30% 。我们进一步将这些病毒注入到中年小鼠

并饲养到老年阶段，其肌力无任何下降。

为进一步评估这种方法的效果和安全性，哈佛大学的Rosenthal制备了一种全部骨骼肌都过表达IGF-1的遗传工程小鼠。令人欣慰的是，除了骨骼肌比正常小鼠增加20~50%，各方面的发育皆正常。当这些转基因小鼠衰老时，体内骨骼 肌仍保有年轻动物才具备的再生能力。与此同样重要的是，这些动物仅骨骼肌中 IGF-1水平升高，而在循环血液中无任何改变。这一特征非常重要，因为血中高浓度的IGF-1可引发心脏损伤和增加肿瘤发生的危险性。随后的实验显示，过量生成的IGF-1对患重度肌萎缩症的小鼠也能加快肌肉修复的速度。

局部增加IGF-1的合成，是我们用基因疗法与肌萎缩症作斗争的首要目标：即打断肌肉的使用和其体积之间的紧密联系。以这种方式模拟肌肉运动训练的结果，对优秀运动员的吸引力是显而易见的。确切地讲，年轻活动少的小鼠快速的肌肉生长速度表明，上述处理方法也可在遗传上提高健康肌肉的性能。最近，我的实验室已与美国德州大学奥斯丁分校的Farrar的研究小组合作检测上述理论。

我们将AAV-IGF-1重组病毒注入到大鼠一侧后腿的肌肉中，按举重训练方案训练动物8周后，发现注射侧后肢的肌力比未注射一侧增加了2倍。训练停止后，注射侧后肢肌力下降的速度较对侧明显缓慢，即使是未经运动训练的大鼠，AVV-IGF-1局部注射也使肌力增加了15%，这一结果与我们早期对小鼠的实验相似。

我们计划在狗上继续进行IGF-1基因治疗的研究。因为一种称为金黄色皮毛回交纯种狗系很容易患特别严重的MD。我们也将使用其他健康的狗做平行实验，以检测诱导过量生成IGF-1的效能和安全性，因为对肿瘤细胞IGF-1也是一种强力促生长因子和细胞内信号传导增殖因子。

AAV可经血液循环或直接注射导入肌肉组织，这两种方法在安全性和某些悬疑问题上孰优孰劣仍未解决。这意味着AAV-IGF-1基因疗法要得到美国食品和药品管理局（FDA）的批准可能还要等待10年之久。从近期看，以基因转移替代生成抗肌萎缩蛋白将进行人体临床实验，这是一种因肌肉长时间收缩而引起肌损伤的疾患。

更直接刺激肌肉增大的方法来自一种阻断肌稳定因子的药物，尽管这种因子抑制肌肉生成的精确机理仍不清楚，但似乎从胚胎发育知道成年均可阻碍肌肉的生长，对肌肉生长起到刹车片的作用。当身体对肌肉运动的需要下降时，它启动肌萎缩。对遗传工程小鼠的实验表明，缺乏这种抗肌肉生长的因子，可导致生成相当硕大的肌肉，因为肌纤维既增生又肥大，肌细胞是数量过多。

生成更多的肌肉

制药和生物技术公司正在寻找各种肌稳定因子的抑制物。刨造产肉率多的家畜的可能性引起了商家的兴趣。其实，自然界在比利时蓝牛和红宝石肉牛品系中已经展示了阻断肌稳定因子的效果。这两种家畜都存在导致生成截断的、无效的肌稳定因子的遗传基因突变，常被称为双倍肌肉牛 ,它们硕大的肌肉系统令人印象深刻。由于缺乏肌稳定因子也减少了脂肪沉积，这些牛如同雕刻家手中的作品一样既健壮又无多余的脂肪。

首个研制成功的拮抗肌稳定因子的药物是抗此因子的抗体。其中一种将立即在MD病人中进行临床实验，一种模拟红宝石肉牛基因突变的不同方法，是构建小型化的肌稳定因子。它们缺乏正常的信号传导功能却保留了锚定于卫星细胞附 近的结构。这种小分子的蛋白或肽可覆盖在肌稳定因子的锚定部位，阻碍该因子附着于此处。鉴于注射这种小肽可使小鼠肌肉增生，我和我的同事计划转染小型化肽稳定因子的基因到我们建立的狗模型中，期望产生与小鼠相同的效果。

阻断肌稳定因子疗法对希望能迅速增加肌肉生长的健康人也有明显的吸引力。虽然全身给药不能像转基因那样直接到达特定的肌肉,但具有易于服用的优点，一旦出现副作用也可以立即中止。此外，这类药物也使竞技体育管理当局很容易在血中检测。

倘若运动员使用类似于我们AAV-IGF-1策略的基因疗法，将会造成什么样的结果？外源基因产物不会出现在血、尿中，而仅存在于特定的肌肉，且又与正常基因产物完全相同。只有肌肉组织活体检查才能发现特异的合成基因或载体。对 AAV而言，由于许多人在正常情况下也会感染这种无害病毒,，以这种检测并不能确定使用了基因兴奋剂。此外，多数运动员不愿在赛前进行广泛的活体检测，此种遗传性运动增强剂实际上仍是难以发现的 。

肌肉数量快速增至20~40%会存在安全问题吗？一位运动员使用人为遗传性增大的肌肉产生的强大力量会造成骨折或韧带撕裂吗？这样的结果可能不会发生，我们更担心由骨质疏松引发骨质衰弱的老年病人。健康的年轻人，肌肉增生需历时数周或数月，这将给肌肉所附着的骨骼足够的生长空间以满足这些新生肌肉的要求。

上述安全问题只是需要在动物上深入研究的诸多问题之一，此后，这些疗法才能考虑用于提高健康人的肌力。然而，当基因治疗准备成为可靠的医学治疗手段，那么基因兴奋剂的出现也就不会太遥远了。全面增大肌肉仅是基因兴奋剂可能使用的众多方法之一[见33页图文]。像短跑运动，操纵基因使肌纤维转变成快肌类型也是可行方式，而对马拉松运动员而言，增加耐力是最重要的。

骨骼肌最可能成为第一种受到遗传学方法增强的组织，其他组织也可能紧随其后。例如，耐力受到达肌肉的氧气量的影响，促红细胞生成素在体内可促进携带氧气的红细胞的发育，其合成形式称为Epoietin或简称EPO ，目前已研发成功用于治疗旋血。但也被运动员广泛的滥用，最广为人知的是1998年环法自行车赛中，一个车队被发现使用EPO而全部逐出比赛。然而，EPO的滥用仍在继续。

应用基因转移技术提高促红细胞生成素的合成已经进行了动物实验，结果表明：仓促地试图增高人体该激素水平存在着潜在的危险。1997和1998年，科学家将合成的促红细胞生成素基因转移至猴和猩猩，结果在10周内，两种动物血中红细胞计数增加了1倍，造成血液过于粘稠，以致需要定期稀释以防止心脏 衰竭。

基因转移技术的滥用决不仅限于普通运动员范围内。体育官员担心的是，正如掌握药物技术的个人转向制售可为个人设计的甾体类兴奋剂一样，近期内也会出现以遗传学方法增强运动成绩的市场。而打击这类兴奋剂的使用将远比监察使用药物更困难，因为侦查到直接的证据是很困难的。可能在几十年后，某些基因疗法被证明是安全的，而且普通人群皆可应用。或许如下的时代会到来：遗传学方法增强人体活动，提高生活质量,社会伦理对人为操纵人类基因的态度会与现在有很大差别。目前，运动管理当局已经承认，肌肉再生疗法在帮助运动员损伤修复中是有益的。

那么是否有一天,我们能用遗传工程制造出超级运动员或简单地用转基因方法来提高全人类的健康水平呢？即使这些技术目前仍处于婴儿时期，但它有改变体育运动和我们社会的巨大潜能。围绕遗传学方法增高体能的伦理学争议众说纷纭，非常复杂。在这项技术还未能应用于人类之前，我们仍有时间讨论和思考。

冯娟/译

曾少立/校

张志文/审