互动科普

用于医疗的胚胎干细胞

Roger A. Pedersen

最近，研究人员已分离出实际上能够产生所有其他各种类型细胞的细胞。有朝一日，它们会有助于修复各种各样的受损组织。

你的一位朋友在国家公园的偏远地区作徒步旅行时，患上了严重的心力衰竭。此时，他已到达一所医院，然而他的心脏只有1／3还在工作，并且他似乎不大可能恢复以前那种活跃的生活。不过，由于他总是喜欢冒险，他自愿接受试验性治疗。医生从他身上采取了一小份皮肤细胞，然后从细胞中取出遗传物质，并将它注入了已取出染色体的捐赠的人卵细胞中。这些已改变的卵细胞在实验室内培育了一周的时间，在这里它们发育成了早期胚胎。这些胚胎所产生的细胞能被培养成所谓的胚胎干细胞(embryonic stem cel1)这类细胞能够形成心肌细胞以及其它类型的细胞。

就这样，该医学研究小组形成了一份胚胎干细胞培养物，并把它们置于能使之开始发育成心细胞的环境条件下，由于这些细胞从遗传构成上是与你的这位朋友完全匹配的，因而可以被移植入其心脏，而不会引起免疫系统的排斥反应。它们在你的朋友心脏内生长，并取代了在心脏病发作期间丧失的细胞，从而恢复了你朋友的健康和活力。

虽然上述情景在目前来说还只是一种假没，但并非无稽之谈。如今，研究人员已了解各种类型的干细胞，这类细胞本身并不专门行使心脏、肝脏或大脑一类特殊器官的独特功能。然而，当干细胞分裂时，一些细胞后代会发生“分化”——所产生的一些变化会使之长成特殊类型的细胞。其它细胞后代则仍然是干细胞、因此，肠道的干细胞继续不断地再生出肠的衬里，皮肤干细胞长成皮肤，造血系统的干细胞则产生出各种类型的血细胞——干细胞使我们的机体能够修复日常的磨耗和损伤。

胚胎干细胞则还要神奇——它们实际上能够产生机体内所有各种类型的细胞。人的胚胎干细胞只是去年才初次在培养液中培养出来1998年2月，威斯康星大学的詹姆斯·A·汤姆森注意到，从培养液中生长的一组人细胞摘取的某些人细胞与他早些时候从猕猴胚胎衍生出来的胚胎干细胞很相似时，发现了第一批候选的胚胎干细胞。在距他1千英里以外的巴尔的摩，约翰斯·霍普金斯大学的约翰·D·吉尔哈特(Gearhart)通过培养人胚胎卵巢和睾丸片断，分离出了类似的细胞。而在加利福尼亚州门洛帕克的杰隆公司（Geron Corporation）及笔者加利福尼亚大学(旧金山)的实验室的研究人员也在进行着相关的研究。

然而，大大受益于以前同猕猴和狨——和人类一样，它们也属于灵长类动物——的胚胎干细胞打交道的经历的还是汤普森。在以后的几个月时间里，他领先于其他人在促使上述脆弱的人细胞在培养液中生长这一艰难的领域奋力开拓前进，并且他得以证实，上述细胞实际上就是胚胎干细胞。

远大的潜力

在1998年11月6日这一期《科学》杂志(Science)所报道的研究工作中，汤普森得以证明，上述人细胞被移植入小皮下之后，形成了各种各样可辨认的组织。在美国参议院下属的一个调查小组委员会议论其研究结果时，汤普森描述了上述人细胞如何产生出类似于肠道衬里的组织以及软骨，骨，肌肉和神经上皮(神经系统的前体组织)等多种类型的组织。此外，上述组织中，存在着哺乳动物胚胎所有3种基本体层的后代。一些通常产生于最外而的一层(即外胚层)，其它一些则产生于最里面的一层(即内胚层)或中间的一层(即中胚层)。这种多样性为细胞生长发育过程中的可塑性和适应性提供了进一步的证据。上述研究结果使人们愈发希望对胚胎干细胞的研究最终将带来产生新型细胞的方法，这类细胞不仅可用于治疗心力衰竭，还可用于治疗组织受损的多种疾病。

若是人工培养的人胚胎干细胞的分化可以得到调控，所产生的细胞就有可能帮助修复充血性心脏病发作、帕金森氏综合症、糖尿病以及其它疾病所引起的损伤。这类细胞还有可能证明对于治疗侵害心脏和胰岛的疾病是特别有效的。成年人的心脏和胰岛几乎没有或完全没有干细胞，因而仅靠自身无法得到修复。一项最近的发现暗示，研究人员最终可能学会变更已部分分化的干细胞，从而改变其生长发育进程。

然而，研究人员首先必须充分了解如何才能诱使胚胎干细胞成所需要的组织。目前已掌握的这方面的知识有许多是出自对小鼠胚胎干细胞的研究，小鼠胚胎干细胞是首先得到这方面描述的。

1981年，研究人员由100个细胞这一阶段的小鼠胚胎得到了胚胎干细胞。这类胚胎由一个称为胚泡的由细胞组成的球状空壳构成。胚泡几乎只有睫毛的直径那么大，它的壁(称为“内细胞群”)有一个内在的增厚过程。在子宫内，胚泡将形成整个胎儿和各种胎膜(如羊膜)。

把小鼠的胚泡放在陪氏培养皿中培养，外而一层细胞很快便会坍缩，而内细胞群的未分化的细胞则会自然形成能培养出胚胎干细胞的块。在未分化的状态下，这些细胞会长期地生长和分化。然而，当它们被到注到小鼠胚泡中时，它们会响应生理信号，而上述干细胞衍生出来的成熟细胞则出现于几乎所有各种胚胎组织中。由于上述原因，人们把胚胎干细胞描述为“多能性的”(小鼠的胚胎干细胞有时被描述为“全能性的”，意思是说它们能够形成所有各种组织，尽管它们并不能形成胎盘。)。因此，胚胎干细胞在许多方面都与内细胞群的细胞——体内所有细胞之母——有共同之处，但又不是完全相同的——培养液的微小改变略微限制了其潜力。

随着研究人员采用不同的培养液进行试验，他们发现，如果没有提供称为“白血病抑制因子”的一种关键的生物化学物质，则上述细胞就会以不可预见的方式开始分化。然而，有趣的是，以此种方式产生出来的细胞比将上述细胞注入胚泡时所见到的要小得多，这或许是因为培养基中缺乏胚胎所具有的必需的生物化学物质。这种反差带来了这样一个问题——人工环境能否达到与胚胎中的环境极其相似的程度？

引导发育

这种操控是有可能做到的。杰拉德·贝恩和戴维·I·戈特列伯(Gottlieb)及其在华盛顿大学医学院的同事已得以证明，用维生素A的衍生物视黄酸处理小鼠胚胎干细胞就能使之产生神经原(即神经细胞)。这种简单的化合物似乎通过激活仅被神经元利用的一组基因，同时抑制以其它路径分化的细胞中基因的表达，就能实现这种对胚胎干细胞的惊人的作用。

笔者的同事梅里·费尔波(Meri Firpo)及其在丹佛国立犹太人医学研究中心(the National Jewish Medical and Research Center)戈登-凯勒的实验室的前合作者在衍生血细胞上取得了相似的成果。他们发现，特殊的生比因子能促使得胚胎干细胞衍生出来的细胞产生所有各个类型的血细胞。

胚胎干细胞甚至还能产生出一些有用的组织而不需要特殊的处理。当我通过显微镜观察由胚胎干细胞衍生出来的培养物，看到白然分化的细胞团块以心脏的节奏跳动时，那情景总是使我大为惊奇。研究人员甚至有可能促成这种变态，然后再精选和繁殖出所需类型的细胞。

洛伦·J·菲尔德及其在印第安纳大学医学院的合作者已做到了这一点。他们采用一种简单而精致的方法，浓缩了自然分化的心肌细胞，使其纯度达到99％以上。

为了达到上述目标，他们先将一种已通过遗传工程使之只在心肌细胞中表达的抗生素抗性基因引入小鼠胚胎干细胞中。在使上述细胞分化并接触足够的抗生素以杀灭缺乏抗生素抗性基因的细胞之后，菲尔德的研究小组得以分离出基本上是纯的心肌细胞。值得注意的是，当上述细胞被移抽到成年小鼠心脏内之后，它们竟然结合到了心肌组织之中，并在长达7周的时间内保持了活力，这在研究人员所获得的存活期中是最长的。

同样，哈佛医学院的特伦斯·迪根(Deacon)及其合作者也已将胚胎干细胞转变成了成年小鼠大脑上的一个特殊部位。他们观察到，许多移入小鼠脑内的细胞都显现出神经元的典型形态。上述细胞中的一些产生出制造神经递质多巴胺所必需的一种酶，这种酶大量出现在分泌多巴胺的神经元中——其它细胞则产生出一种发现于不同的一组神经元内的化合物。此外，移入小鼠大脑部位的神经状细胞还产生出类似于长的载送信号的神经元分支——称为“轴突”——的突出物。在大脑内，上述细胞中的一些延伸到了周围组织之中。然而，上述细胞是否不仅有正常神经元的形状，而且还有着正常的功能，这一点则至今尚未确定。同样也不清楚的是小鼠体内的哪些生长因子——若是有的话——促使上述移植物变成了神经元，因为令人惊奇的是，置于与肾脏邻接部位的移植物之中同样也有神经状细胞生长。

当灵长类动物胚胎而不是小鼠胚胎是干细胞衍生之源时，创造胚胎干细胞培养基的技术就更复杂了——灵长类的胚泡外细胞层在培养基中不会如此轻易地分解，因此研究人员必须将其去除掉。否则，内细胞群的细胞就会死亡。然而，对小鼠的研究结果表明，随着研究人员对人胚胎干细胞的经验越来越多，使之至少产生出血细胞、心肌细胞和神经元就会成为可能。其它医学具有宝贵价值的细胞类型也有可能创造出来，如像胰岛细胞(用于治疗糖尿病)、皮肤成纤维胞(用于治疗烧伤或创口)、软骨细胞（用于再生患关节炎而损失的软骨)以及(形成血管的)内皮细胞(用于修复因患动脉粥样硬化而受损的血管)。

遗憾的是，胚胎干细胞也有其阴暗面。当胚胎干细胞所形成的混杂成堆的各类型细胞被注入成年小鼠内时，就会形成一种称为“畸胎瘤”的肿瘤。在将胚胎干细胞用于治疗之前，研究人员必须确有把握它们全都已足够分化，而不会不适当地扩散或形成不需要而有害的组织。为了保护接受治疗的患者，必须对胚胎干细胞作严格的纯化。

杰尔哈特由发育的卵子和睾丸获得的胚胎干细胞也已显示出可用于医疗的希望。上述胚胎干细胞被称为“胚胎生殖细胞”，因为它们是由精细胞和卵细胞衍生出来的，而精细胞利卵细胞两者又统称为“生殖细胞”。杰尔哈特还得证明他所获得的胚胎干细胞是多能的——在陪氏培养皿中，它们能够产生出胚胎的各个基本层所特有的细胞。然而，到本文发稿时为止，杰尔哈特尚未发表有关胚胎生殖细胞被置于小鼠皮下后所发生情况的细节，因而关于其组织形成潜力的知识目前仍然略有所限。

挑战与机遇

到目前为止，本文所讨论的所有分化出来的胚胎细胞或许可作为分离的细胞或悬浮液用于医疗，而不必构成结构精确的多细胞组织来在体内发挥宝贵的功能。这是一个好消息因为器官的形成是一个复杂的3维的过程。器官通过产生于出自两个截然不同来源的胚胎组织间的相互作用。例如，肺脏就是在衍源于中胚层的细胞同衍源于内胚层的胚胎前肠细胞的相互作用下形成的。这一过程促使胚胎前肠细胞形成一些分支，这些分支最终就变成了肺脏。对于所谓的组织工程技术人员来说，要弄清楚如何才能引导多能的干细胞通过类似的相互作用来达到形成整个器官的目标将是十分困难的。尽管如此，一些研究人员在致力于研究上述问题的解决办法。

另一大难题是要创造可供移植用的细胞，这类细胞不能被接受者的免疫系统识别为“外来异物”而加以排斥。从原理上游，这一目标是有可能实现的，那就是以遗传工程改变人胚胎干细胞，使之起“万能供者”的作用，而能为任何接受者机体所相容。另一方面，与患者细胞遗传构成完全相同的胚胎干细胞是有可能创造出来的，正如本文前面描述的心力衰竭患者的情况一样。

第1种选择，即所谓创造一种万能供者细胞，需要破坏或改变细胞中的许多基因这种改变会防止胚胎干细胞外表面呈现出会被接受者免疫系统识别为外来异物的蛋白质然而这种改变很难产生，因为它需要在苛刻的条件下培育胚胎干细胞，尤其是要使之接受多轮以不同药物进行的选择。

第2种选择，即创造与患者组织遗传构成完全相同的细胞，需要结合运用胚胎干细胞技术利克隆技术的一个基本步骤。利用一个直径为人发10分之1的中空的玻璃针头，研究人员就可以将一个体细胞(非生殖细胞)——或仅只含有基因的细胞核——移入一个未受精且染色体已被去除的卵细胞内，然后以电击将这个卵细胞激活，使之仅带着移植体细胞(即供体细胞)的遗传信息开始其发育进程。

在几项细胞核转移法的动物研究中，现存成年动物的细胞被用作基因供体，而且细胞核已被改换的细胞也被植入活动物的子宫内。上述实验带来了绵羊多莉以及一些小鼠和牛（参见本刊1999年3月号Ian Wilmut所撰“克隆技术对医学的影响”一文）。为了以两种方法的结合创造出可供移植的细胞，研究人员将患者的一个细胞用作供体，并且要对所产生的胚胎进行培养，直到它长成胚泡为止。然后，长成胚泡的胚胎就用来产生胚胎干细胞。这类干细胞的遗传构成与患者自身细胞完全相同。

人胚胎干细胞还可以有其它用途。由于这类细胞本质上可以无限量地产生人体细胞，它们对于旨在发现稀有人蛋白的研究计划理应极其有用。为了产生一定数量通常情况下稀有的人蛋白，上述研究计划需要大量的人细胞。而由于胚胎干细胞类似于早期胚胎的细胞，它们有可能用来揭示哪些药物会干扰胎儿发育和引起出生缺陷。

最后，人胚胎干细胞可以一种伦理上可接受的方式提供在细胞和分子水平上研究人体发育过程中极早期事件的方法。这种研究不会引起与胎儿实验相关联的伦理问题，因为仅靠自身胚胎干细胞是无法形成胚胎的。

人胚胎干细胞研究应能使人深刻认识数十年来困扰着胚胎学家的一些基本问题，如像胚胎细胞是如何变成彼此不同的类型以及是什么原因使之构成器官和组织的之类。通过小鼠、蛙类、鱼类和果蝇研究这些问题所得出的经验和教训与人类有着十分密切的关系。而对人类本身的这些生长发育过程的认识和了解则最终将给我们带来极大的好处和满足。

【张牛／译；郭凯声／校】