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实验室神话:从皮肤到血液

2010-12-06 16:38 作者:曹玲 2010年第47期
科学家总是在实验室里颠覆人们的认识,在他们手里,皮肤细胞似乎成为七十二变的孙悟空,一忽儿变成血液细胞,一忽儿变成神经细胞,终有一天能够无所不能。

美国威斯康星大学的詹姆斯·汤姆森和日本京都大学的山中伸弥(右)宣布各自独立发现将普通皮肤细胞转化为干细胞的方法

科学家总是在实验室里颠覆人们的认识,在他们手里,皮肤细胞似乎成为七十二变的孙悟空,一忽儿变成血液细胞,一忽儿变成神经细胞,终有一天能够无所不能。

一个不经意的发现

有一天,加拿大麦克马斯特大学干细胞和癌症研究所的博士后爱娃·绍博(Eva Szabo)发现,原本培养皮肤细胞的容器里有看起来像是血液细胞的东西,检验后发现又长又薄的皮肤细胞变成了圆形血液细胞。凭着敏锐的直觉,他们觉得可能会有重要的事情发生。

研究所主任米克·巴蒂亚(Mick Bhatia)在接受采访中告诉本刊记者:“我们注意到这个现象,这不同寻常,于是就尝试重复它。当你能够重复这一现象制造出圆形红细胞,你就会严肃地考虑这个问题,这到底意味着什么。”

他们原本打算用皮肤细胞培养一种叫做“诱导性多能干细胞”,结果这个不经意的发现导致他们用皮肤细胞直接培养出血液细胞,论文发表在今年11月7日的《自然》杂志上,被评论为“改变了对细胞分化的认识,打乱了细胞生物学的秩序”。
从那个不经意发现之后的两年内,他们用成人皮肤和新生儿包皮反复进行上述试验,证实任何年龄的人的皮肤都可以转化为血液,而且血液功能正常。研究人员将一个叫做OCT4的基因装配到病毒上,此时病毒就像古希腊的特洛伊木马,OCT4基因就像木马肚子里的士兵,它们被偷偷运送到指定位置后释放出来,不经意间便能攻城夺地。“通过这种方式,OCT4基因被植入人类皮肤细胞,随后在含有多种细胞因子的特殊环境中培养,几周后,皮肤细胞就可以直接变为血液细胞的前体细胞,再由前体细胞生成白细胞、红细胞和血小板三种主要的血液细胞。”

这听起来有些匪夷所思,既然皮肤细胞能够变成血液细胞,那它能不能变成其他细胞,比如神经、肌肉细胞等等?巴蒂亚非常自信地说:“有了现在的经验,这些都会变成现实。”

听起来似乎细胞的发展史全被打乱了,科学家用神来之手拨转了成体细胞的生物时钟,让它们被迫重新编程。事实上,科学界最初认为,细胞分化是一种单向行为,只有在发育最早期的一段短暂时间内,胚胎的所有细胞才具有分化为人体内220种细胞中任何一种的能力。从胚胎中提取这些细胞,在培养基里进行培养,就能得到胚胎干细胞,真正的胚胎干细胞能无限期地保留分化成为任何组织的能力,科学家把这种能力定义为“多能性”。

随着时间流逝,细胞的特化程度会越来越高,多能性越来越弱。到了胚胎发育晚期,干细胞已经有了一定程度的特化,只能分化成某一细胞家族内的各种细胞,比如肌肉和骨骼中的细胞。这些干细胞具有专能性,但不再具有多能性。在成人体内,余下的所有细胞前体都叫做成体干细胞,它们在某一组织内不断补充新鲜的成熟细胞。比如,造血干细胞能持续产生12种血液细胞和免疫细胞,皮肤干细胞则负责每隔几周更新一次我们的皮肤和毛发。

一般来说,胚胎干细胞分化成人体各类具有一技之长的细胞,一旦分化结束,这些“专门人才”的“职业”就确定了,无法再转变身份从事其他“职业”,只有癌细胞是个例外,有些癌细胞可以无休止地分裂,具有多能干细胞那样的永生性。

干细胞过去一直只能从胚胎中获得,引起了不少伦理问题。2007年11月,日本京都大学的山中伸弥(Shinya Yamanaka)和美国威斯康星大学的詹姆斯·汤姆森(James Thomson)所在的研究小组几乎同时分别在《细胞》和《科学》杂志上发表论文,宣布各自独立发现将普通皮肤细胞转化为干细胞的方法。他们借助逆转录病毒为载体,向人体皮肤细胞中植入OCT4、Sox2、Klf4、c-myc四个基因,通过基因重新编码,使皮肤细胞具备胚胎干细胞的分化功能,被改造过的细胞被称作“诱导性多能干细胞”,又叫做iPS细胞。而其中被巴蒂亚所使用的OCT4则是维持胚胎干细胞全能性的最为重要的因素之一,同时也是体外建立诱导性多能干细胞的关键基因。这一发现被《自然》和《科学》杂志分别评为2007年第一和第二大科学进展。诱导性多能干细胞绕过了胚胎干细胞带来的伦理问题,之后得到迅猛发展,研究成果层出不穷,通过胚胎干细胞或者诱导性多能干细胞制造血液的工作也在实验室里如火如荼地进行着。

看我七十二变

通过皮肤细胞制造诱导性多能干细胞,然后再培养成血液细胞的试验有一个问题,那就是红细胞含有细胞核。

红细胞是一种很奇怪的细胞,不像其他细胞那样都有细胞核。它在幼年的时候是有细胞核的,最后核被排出去,这才是能够输送养分和氧气的成熟红细胞。成熟的红细胞不像其他细胞中间有核是鼓的,它呈现一种中央薄周边厚的形态。正是这种形态让它具有较大的可塑性,能卷曲变形“挤过”直径小于它的毛细血管,之后再恢复原状。此外,这种形态也能使细胞的表面积增大,扩大与血浆之间的交换面积,提高气体交换效率。因此,要保证人造红细胞的活性,去核非常重要。

“我们所制造出来的红细胞是成熟无核的,减少了从幼年细胞培养成年的时间。而且我们的研究绕过诱导性多能干细胞,使得这些细胞移植进入病人体内形成肿瘤的风险几乎为零,解决了安全问题。”巴蒂亚告诉本刊记者。

癌变也是一个很严重的问题。在从皮肤细胞转换成诱导性多功能细胞的过程中,利用逆转录病毒作为“特洛伊木马”,虽然能将“士兵”输送到“城内”,但是它们会把自身遗传物质直接整合到宿主细胞的DNA上,成为基因组的一部分。这种能力可以让外来基因永久性地插入宿主细胞,并且一直表达。如果病毒基因不幸插入细胞基因组的特定位置,就可能导致DNA受到破坏,使细胞发生癌变。“我们将直接从皮肤细胞转化得到的血液细胞注入试验鼠体内,没有发现肿瘤的迹象,避免了外来基因带来的各种风险。”巴蒂亚说。

美国斯坦福大学医学院助理教授马里厄斯·韦尼希(Marius Wernig)所在的研究小组今年初曾将皮肤细胞直接转化成神经细胞,他告诉本刊记者:“或许细胞间转换‘职业’并不需要诱导性多功能干细胞作为‘中介’。这些研究改变了我们对细胞分化的认识,不再将体细胞转化为诱导性多功能干细胞的过程看做细胞发展过程中的‘反转’现象,而是倾向于认为多功能阶段只是细胞分化的多种状态之一。如果找到所需的关键因素,皮肤细胞最终有可能直接转化为所有类型的细胞。”

这是一个新的颠覆,似乎一切皆有可能发生。在不久的将来,血液、肌肉、神经,甚至器官,都可以用皮肤细胞再造出来,这一切都将不是幻想。不仅皮肤细胞,而且各种细胞之间都可以随意转化,通过操控几个“基因开关”,就能对某个组织的细胞进行重新编程,让它们转化成其他任何组织的细胞。“弄清楚重新编程的分子机制将是我们的研究动力,这项工作将让我们在未来几年一直忙碌下去。”韦尼希说。

在巴蒂亚眼里,他的工作有很大的实用性。“首先将用这个方式来消除骨髓登记,从这项成果中受益的将是白血病患者。对白血病人来说,很难找到合适的骨髓配型,来自捐献者的骨髓容易引起排异反应。而白血病人的皮肤细胞不含有血液细胞那样的遗传学变态反应,因此可以用皮肤细胞来造血,不再需要依赖别人的血液。”

“这种治疗方法还可用于接受大剂量化疗的癌症患者。”化疗不仅杀死癌细胞,同时还破坏患者血液系统,因此经常需要暂停化疗,以便让患者免疫功能恢复,这也给了肿瘤恢复和再生的时间,而且再生的癌细胞通常对化疗有抗体。如果患者在化疗的同时输入用自己皮肤制造的替代血液,不仅可以继续进行大剂量化疗,而且可以增加永久杀死肿瘤的机会。

“此外还可以缓解血液短缺。”很多国家都经历过血液短缺的时候,今年国内青岛、威海、南京、昆明等地出现不同程度血库告急。血液短缺将是一个持续增长的问题,对血液制品来说没有更好的替代品,只能从捐献者那里获得,但越来越多的老年人需要血液制品,而捐献者的比例并没有增多。“我们打算这项研究于2012年开始进入临床试验,如果试验能够成功,我们的很多愿望将能实现,也不会再有血荒。”对此,巴蒂亚很乐观。但是他也承认,他依然面临着巨大的挑战,不仅需要弄清这个转化过程中的原理,还要提高这个系统的造血效率。或许真像一些谨慎的学者所言,10~15年之后,我们才能在临床上看到人造血液。

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