首次! 中國(guó)科學(xué)家在誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞技術(shù)上取得重大突破

4月14日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命聯(lián)合中心鄧宏魁研究團(tuán)隊(duì)在頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志在線發(fā)表了論文，首次在國(guó)際上報(bào)道了使用化學(xué)小分子誘導(dǎo)人成體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄芨杉?xì)胞這項(xiàng)突破性成果。

從體細(xì)胞到干細(xì)胞，誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞有多神奇？

2006年，日本京都大學(xué)教授山中伸彌率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用基因修飾技術(shù)，將已經(jīng)失去了全能分化性的小鼠皮膚成纖維細(xì)胞改造成了具備全能分化性的胚胎干細(xì)胞，即誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell），簡(jiǎn)稱iPS細(xì)胞。而且，iPS細(xì)胞可被進(jìn)一步誘導(dǎo)分化成為各種各樣的身體細(xì)胞，例如心肌細(xì)胞、視網(wǎng)膜細(xì)胞等等。

干細(xì)胞的多能性，來(lái)源：作者自制

在講iPS細(xì)胞之前，我們首先需要了解下“胚胎干細(xì)胞”這一概念。我們都知道，人類(lèi)受精卵首先會(huì)形成胚胎，然后胚胎發(fā)育，最后形成胎兒。而“胚胎干細(xì)胞”就是一種存在于胚胎中，可以分化發(fā)育成各種體細(xì)胞，進(jìn)而形成各組織的特殊細(xì)胞，它具有全能分化性。

大家可能會(huì)疑惑，既然胚胎干細(xì)胞已經(jīng)這么好了，那么iPS細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)又有何意義呢？

胚胎干細(xì)胞示意圖，來(lái)源：envato elements

首先，iPS細(xì)胞的一大優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在倫理問(wèn)題上。

在獲取人類(lèi)胚胎干細(xì)胞時(shí)，會(huì)不可避免地嚴(yán)重傷害乃至殺死胚胎，這在很多國(guó)家已經(jīng)屬于法律上的殺人罪行了。所以，胚胎干細(xì)胞的相關(guān)研究在各國(guó)都受到嚴(yán)格監(jiān)管，該領(lǐng)域的研究近乎停止。而iPS細(xì)胞就不存在這樣的倫理問(wèn)題，因?yàn)樗恍枰@取受精卵或胚胎，僅僅提取一些體細(xì)胞，就可以將其轉(zhuǎn)化為與胚胎干細(xì)胞相似的多能細(xì)胞，所以，iPS細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)是干細(xì)胞領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。

此外，從具體的作用來(lái)看，iPS細(xì)胞的優(yōu)勢(shì)也十分明顯。

得到iPS細(xì)胞后，人類(lèi)可以將其培養(yǎng)分化，獲得所需的其他體細(xì)胞，最終將之用于修復(fù)身體的損壞組織。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，利用iPS細(xì)胞分化培育成人體器官，再進(jìn)行移植，將可能一勞永逸的解決器官移植源的緊缺問(wèn)題。與此同時(shí)，利用人類(lèi)病患自身細(xì)胞加工形成的iPS細(xì)胞，其所培養(yǎng)出的組織或器官在重新移植回病患體內(nèi)后將被認(rèn)定為自體組織，能夠避開(kāi)免疫系統(tǒng)的攻擊。

iPS細(xì)胞制備方式，來(lái)源：（維基百科）

iPS細(xì)胞雖然好，但技術(shù)仍存在兩大難關(guān)

iPS細(xì)胞問(wèn)世后，再生醫(yī)學(xué)取得突破性進(jìn)展，人類(lèi)解鎖了理論上可以再造身體組織乃至器官的新技能。但這項(xiàng)技術(shù)想要實(shí)用化，還要跨越兩大難關(guān)：第一，人類(lèi)的器官擁有極度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和組成，人工體外培養(yǎng)目前僅僅能夠達(dá)到組織級(jí)別，遠(yuǎn)不到器官的水平；第二，即便是僅僅在體外利用iPS細(xì)胞培育少量人體組織，所消耗的成本都是極為驚人的，因此全球各國(guó)（主要是日本）到目前為止進(jìn)行的iPS細(xì)胞臨床實(shí)驗(yàn)都屈指可數(shù)。

不過(guò)，雖然攻克第一個(gè)難關(guān)屬于遠(yuǎn)期目標(biāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類(lèi)目前的科學(xué)水平，但第二個(gè)難關(guān)其實(shí)是有希望通過(guò)各種努力來(lái)率先克服的。例如，本次中國(guó)科學(xué)家取得的成果，實(shí)際上就是一種旨在降低iPS細(xì)胞技術(shù)成本的方法。

利用iPS細(xì)胞在三種不同形狀的樹(shù)脂模板上培育出的心肌細(xì)胞

（來(lái)源： Scientific Reports | 7:45641 | DOI: 10.1038/srep45641）

中國(guó)科學(xué)家“打怪升級(jí)”，提出誘導(dǎo)多能干細(xì)胞新方法

在iPS細(xì)胞的研究階段，日本的山中教授最初的想法是通過(guò)基因技術(shù)修改體細(xì)胞，看看是否能將其轉(zhuǎn)化為其他細(xì)胞甚至胚胎干細(xì)胞。最初的實(shí)驗(yàn)一共修改了24個(gè)基因，雖然過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜艱辛，但至少獲得了期望中的胚胎干細(xì)胞。之后，經(jīng)過(guò)深入的研究，發(fā)現(xiàn)只要修改其中的4個(gè)基因，就能實(shí)現(xiàn)體細(xì)胞向胚胎干細(xì)胞的轉(zhuǎn)化。

但修改基因的技術(shù)畢竟存在著一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，操作起來(lái)也有諸多不便，而且生產(chǎn)效率十分低下。因此，新的假設(shè)被提出——假如把細(xì)胞泡在某些特殊的藥液中進(jìn)行處理后就能獲得iPS細(xì)胞，那么就有希望方便快捷地同時(shí)生產(chǎn)大量iPS細(xì)胞，自然能夠降低后期培養(yǎng)分化所需的成本。

本次中國(guó)科學(xué)家的成果正是這一想法的實(shí)踐。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們利用化學(xué)小分子，讓體細(xì)胞重新變成了具有多能性的干細(xì)胞。

與傳統(tǒng)方法相比，化學(xué)小分子的優(yōu)勢(shì)包括操作簡(jiǎn)便、時(shí)空調(diào)控性強(qiáng)、作用可逆、細(xì)胞重編程過(guò)程高度可控等。另外，該技術(shù)規(guī)避了修改基因操作引發(fā)的潛在倫理問(wèn)題，有望成為更易于推廣的臨床治療手段。

可以說(shuō)，這次中國(guó)科學(xué)家在誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞技術(shù)上取得的成果意義巨大。不過(guò)，目前這項(xiàng)技術(shù)仍需深耕，要克服的困難也很多，期待通過(guò)科學(xué)家們的不斷鉆研和努力，讓這項(xiàng)技術(shù)更加成熟，進(jìn)一步造福全人類(lèi)！

作者：郭菲（煙臺(tái)大學(xué)）

出品：科普中國(guó)

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽