山中伸彌開啟“時光機”，讓成熟細胞“逆生長”？這不是科幻，是諾獎

作者：金佳 （科學聲音寫作訓練營第五期學員）


開篇故事

2002 年一天早晨，山中伸彌教授如往常一樣走進了自己的研究室。這個位于日本奈良先端科學技術大學裡的實驗室雖然不大，但是裡面的儀器卻相當先進。 在實驗室的最裡面，落着好幾層飼養倉，裡面的小白鼠顯得十分興奮，它們正等着早餐的降臨。站在飼養倉前面喂老鼠的，是山中教授的女助手德澤佳美。她看起來一臉疲倦，但手裡的工作依然做得娴熟利落。 山中教授望着他的助手，滿懷期望地問道：“德澤桑，三周前植入的小鼠胚胎怎麼樣了？這次我們總該成功了吧。” 德澤佳美懶散地望了望身邊的飼養倉，用略帶嘲諷的口氣回答道：“如果實驗的目标是繁殖小老鼠，那這次咱們絕對是超額完成任務了。您看這批新出生的小老鼠，數量又多又活潑，多可愛呀。” 山中教授聽到德澤佳美的回答，露出一臉苦笑，因為他們的實驗目标當然不是繁殖老鼠。面對這種情況，山中教授也隻好把說過很多遍的安慰的話再說一遍。他快步來到飼養倉旁邊，對正在喂老鼠的女助手說道：“德澤桑，真是太辛苦你了。不過，搞科研沒有一帆風順的事情，請你相信，我們一定能找到關鍵基因。那些躺在病床上的絕症患者都在等着我們的好消息！” 德澤佳美重重地點了點頭，回答說：“我明白了，山中教授。請原諒。我馬上安排下一次實驗，我相信我們會成功的，下一次小老鼠就會胎死腹中了。” 這就奇怪了，是什麼樣的實驗需要小老鼠胎死腹中才算成功呢？而且還能因此拯救絕症患者的生命？而他們的實驗，會在未來掀起一場改變生物學的技術風暴，諾獎也在前方等着他們。今天這個故事，我們要從什麼是幹細胞給你說起。

幹細胞科學史
衆所周知，動植物細胞都有自我分裂的能力。它們一分為二，兩個又分為四個 。但是，這些細胞能夠分裂的總次數是有限的。分裂次數就像是衡量細胞年齡的計數器，等到分裂的次數用完之後，這些細胞就會衰老死亡，而它們的位置，則會由一些新生的細胞代替。 生老病死本來就是生命的規律，這完全符合普通人的直覺。但早期的生物學家們卻面臨着一個個有趣的問題：如果所有的細胞都會衰老，那麼替代衰老細胞的新生細胞，它們又是從哪裡來的呢？ 你可能還沒想明白這個問題。是這樣，按照 19 世紀末的科學共識，細胞總是會對稱地一分為二。分裂産生的兩個細胞總是完全一樣的，即便是它們衰老的程度，也别無二緻。這樣一來，人們就搞不清楚了，那幼年細胞是從哪裡來的。直到俄國科學家馬克西莫[1]在觀察血液細胞的時候發現，所有的血細胞都會從一種共同的前體細胞中分化出來。這種分裂不是對稱的，它不像是在分裂，更像是創造和生産。 到了 20 世紀初的 1912 年，德國科學家恩斯特·諾依曼在他的書中首次提到了幹細胞的概念，他說：“血液、淋巴、骨髓中所有不同形式的血細胞，都是大淋巴細胞幹細胞的後代，它們是血液細胞的工廠。” 圖：Franz Ernst Christian Neumann 手繪解釋圖 幹細胞的概念很好地解釋了科學家們觀察到的現象，但同時也飽受質疑。恩斯特在他的書中寫道：“如果有可能的話，要像科赫證明細菌存在那樣證明幹細胞的存在，隻有分離出它們并能體外培育研究，才能最終結束這場争議”[2]。然而，培養幹細胞這件事情，一直要等到原子彈發明之後，才逐漸有了眉目[3]。 1945 年 8 月 6 日和 9 日，美國分别在廣島和長崎扔下了兩枚原子彈。這兩枚原子彈造成了 15 ~ 22 萬人的直接死亡。随後，更多受到輻射傷害的幸存者開始出現脫發的症狀，并在随後的一個月中死于嚴重血性腹瀉，一些病人還出現了大量内出血甚至敗血症等匪夷所思的症狀[4]。 很快，科學家們就找到了這些症狀的元兇，原來輻射摧毀了幸存者體内的造血功能，他們不能制造新的血液細胞了。 加拿大多倫多大學的兩名科學家——麥卡洛赫和蒂爾——随即在小鼠身上做起了實驗。他們發現，在骨髓區域遭到輻射之後，小鼠體内各種血液細胞都會急速下降[5]，同時也會伴随着内出血和敗血症而死亡。實驗表明，小鼠的骨髓區域與造血功能似乎存在着顯著的關聯。 圖：Ernest McCulloch（左） and James Till 現在，麥卡洛赫要做的，就是證明骨髓細胞就是他們要找的造血工廠。 他的方法是：把健康小鼠的骨髓細胞注入到受過輻射的小鼠體内，如果骨髓細胞确實就是造血工廠，那就應該能觀察到新生的血液細胞。
為了能夠追蹤那些新生的血液細胞，麥卡洛赫使用染色劑給正常的骨髓細胞打上了标簽，隻要血液中發現相同染色标簽的細胞後代，就可以證明骨髓細胞确實制造出了新生的血液細胞。不過，實驗的結果并不符合預期，實驗小鼠在接受了骨髓注射後很快死去。在小鼠的血液中也沒有發現新生血液細胞存在的迹象。 是骨髓細胞根本沒有造血能力，還是注射的骨髓細胞數量不夠？兩位科學家決定分頭展開實驗。他們一邊嘗試給小鼠注入其他類型的健康細胞，一邊加大了骨髓注射的劑量。結果，當骨髓細胞的注射劑量達到一個阈值時，小鼠的死亡率突然就開始降低了。他們觀察到，不僅新生的血液細胞在不斷地被制造出來，那些受損的骨髓細胞也被重新替換。後續的解剖還發現，小鼠的脾髒上出現了很多大小不同的結節，結節的樣子就好像在脾髒上蓋起的一座座蒙古包，大一些的結節甚至還連成了一片，這又是怎麼回事呢？ 對這些結節進行進一步的解剖後發現，這些結節内充滿着各種帶有染色标簽的血液細胞，包括血小闆、紅血球、白細胞和巨噬細胞等等。這些結節就好像一個個臨時搭建的工廠車間，正全力以赴地讓血液細胞恢複到正常水平。 麥卡洛赫和蒂爾終于可以确信，骨髓中确實存在一種能夠制造血液細胞的細胞。這就是造血幹細胞（HSC）。目前， 骨髓移植手術，是世界上唯一公認合法有效的幹細胞醫療方法，這項技術已經拯救了無數的血液病患者。 圖：試驗老鼠脾髒上鼓起的結節 麥卡洛赫和蒂爾發現，在不同的環境下，幹細胞具有不同的分裂模式。 在常規狀态下，幹細胞每次分裂，都能産生一個有具體功能的細胞和一個與自身一模一樣的幹細胞。這種模式很像是工廠，具體功能的細胞會一個一個被幹細胞生産出來。你可以把這種模式叫做 生産模式。 如果在特殊情況下，幹細胞不夠用了，這時的幹細胞就會對稱地一分為二，變成兩個一模一樣的幹細胞，用來補充幹細胞數量的不足。你可以把這種模式叫做 擴建模式。 無論是生産模式還是擴建模式，幹細胞都能無限地分裂下去，你也可以認為，幹細胞是永生的。但是，自然界中最沒有例外的事情就是處處都有例外。有時幹細胞也會放棄這種永生的模式，直接分裂成兩個具有具體功能的普通細胞。這兩個普通細胞在分裂次數的限制下，最終會走向凋亡。 根據幹細胞分化能力的強弱，可以把它們分為三種： 第一種是 單能幹細胞，它們隻能分化為少數幾種細胞類型，麥卡洛赫和蒂爾發現的造血幹細胞就屬于這類； 第二種是 多能幹細胞，它們幾乎可以分化出所有其他的幹細胞類型。由于這種多能幹細胞一般存在于早期胚胎當中，所以又稱為 胚胎幹細胞； 最後一種就是 全能幹細胞，它們不僅能分化其他的幹細胞，還能分化出輔助胚胎生長的其他細胞。隻有受精卵最初 5 次分裂産生的細胞，才是全能幹細胞。

幹細胞醫療
1981 年，英國劍橋大學的生物學家馬丁·埃文斯在小鼠的畸胎瘤裡，首次分離出胚胎癌細胞[6]。他将這些細胞塗抹在一層做為細胞外基質的明膠上，這些明膠中不光含有能夠讓細胞長期存活的營養物質，同時還含有限制細胞生長的抑制劑。這些抑制劑如同營造了一個冬眠環境，讓細胞在裡面保持沉睡狀态，不過當它們一脫離抑制劑，就馬上變成了一台台上足了發條的機器，開始瘋狂生産各種類型的幹細胞，包括皮膚幹細胞，神經幹細胞，甚至是跳動的心肌幹細胞。這就是多能幹細胞。 利用幹細胞自我更新和分化成其他細胞的能力，就可以用于修複和重造身體組織，這與傳統的藥物和手術治療手段完全不同。所以， 幹細胞技術又被稱作第三次醫學革命。目前，醫學界正投入大量資源對幹細胞治療進行研究，包括中風、阿茲海默病、帕金森病等大腦疾病，脊椎損傷、風濕、肌肉萎縮等肌肉關節類疾病；甚至有望利用這類技術解決心肌梗塞、糖尿病、癌症等醫學難題。 不過，雖然人人都能看到幹細胞治療的遠大前景，但這項技術實際應用起來卻顯得困難重重。 可控問題、免疫問題、稀缺問題和倫理問題，是幹細胞治療必須面對的四大難題。 先說可控問題。目前，人們還很難完全控制胚胎幹細胞的分化路徑。這項困難很好理解，胚胎在發生細胞分化的時候，會均衡發展成一個完整的人體。當我們隻想要培養出一個具體器官時，就需要對它們的分化做出控制。也就是說，胚胎幹細胞雖然有能力分化出任意類型的細胞，但想要精準控制它是相當困難的。如果控制不當，具備永生能力的胚胎幹細胞還有癌變的風險。 第二個問題是免疫風險。移植到體内的幹細胞，與入侵的細菌、病毒一樣，會遭到人體免疫系統的攻擊，這會導緻人體出現各種各樣的免疫反應，嚴重的還會有休克甚至死亡。為了能夠保證被移植的幹細胞正常工作，就需要接受幹細胞移植的患者長期服用免疫抑制藥物。 另外，獲取胚胎幹細胞的途徑也非常有限。目前胚胎幹細胞隻能從流産的胚胎中或者廢棄的臍帶血中采集，無法通過離體培養的方式批量生産，也就無法大規模應用于普通臨床治療中了。 不過最難跨越的還是倫理問題。胚胎到底算是人，還是一團細胞？破壞胚胎是否會被判定為“殺人”？這些問題在不同國家或地區的文化、宗教、習俗裡，有着完全不同的理解。想突破文化、宗教的差異達成一緻，是相當困難的。在有些國家，不僅應用幹細胞技術是非法的，連對人類胚胎展開科學研究都是明令禁止的。

誘導多功能幹細胞出現
要想解決這些問題，恐怕還需要從患者自身角度着手。如果能利用患者自身的細胞，就不會出現免疫綜合反應。而如果能不打胚胎的主意，從其他的人體細胞裡找到胚胎幹細胞的替代品，也就能規避掉倫理問題了。 把任意一個體細胞變成胚胎幹細胞，這件事情聽起來完全不符合直覺。每個生命從出生開始，都要經曆生長、衰老和死亡這三個階段，沒有哪個生物是逆向生長的。讓完全分化的體細胞變回幹細胞，就如同讓青蛙再變回蝌蚪一樣不太可能。 但是，直覺未必就是對的。每一個細胞，都是從胚胎幹細胞一點點分化出來的。雖然這些細胞似乎已經失去了全能性，但當一顆精子和一顆卵子重新結合成一粒受精卵的時候，全能性就再次呈現了出來。顯然，每一個細胞其實都是全能的，隻不過它們的功能被限制了而已。 1962 年的一天，牛津大學的研究生約翰·戈登，正聚精會神地觀察着顯微鏡。顯微鏡的視野裡展現的，是從非洲爪蟾胚胎中取得的内胚層幹細胞[7]。戈登對這類細胞已經相當熟悉了，它們會繼續分化為各種不同的組織器官，例如消化系統中的腸道就是其中之一。 戈登看着顯微鏡，腦中突然閃過一個念頭：既然内胚層細胞最終會分化成腸道細胞，那麼用腸道細胞的細胞核替換掉卵細胞的細胞核，會發生什麼事呢？這會導緻卵細胞停止發育？還是會分裂出更多的腸道細胞？ 他順着這個思路，把非洲爪蟾卵的細胞核替換成了蝌蚪腸道上皮的細胞核，最後的結果相當出人意料，經過改造的非洲爪蟾卵既沒有停止發育，也沒有分裂出腸道細胞，它竟然發育成了一隻健康的蝌蚪。 為什麼同樣的細胞核，在不同的環境裡就會發育成功能不同細胞呢？原因是：專門有一些基因，它們會生産一種控制其他基因表達的蛋白質，這就是 轉錄因子。轉錄因子生産出的蛋白質，通過與特定DNA序列結合，就能夠開啟或關閉某些基因功能，從而協調細胞的分化，生長和死亡。 這個過程就如同設定了細胞程序一樣，如果隻開啟神經相關的基因，那細胞就會變成神經細胞；如果隻開啟肝功能相關的基因，那就變成了肝細胞。 轉錄因子就是讓細胞改變自身程序的關鍵。 但是，人體中已知的轉錄因子已經多達 1600 多個。即便隻有 2 個轉錄因子主宰着細胞的分化，也會有 256 萬種組合；如果有 5 個轉錄因子參與了細胞分化，那組合總數就多達 1000 萬億種；如果參與的轉錄因子有 10 個呢？那找到這些轉錄因子，就是人類永遠不可能完成的任務了。 好在科學家們不會被龐大的數字吓倒，他們總在努力尋找新的突破。1999 年，本文開頭提到日本遺傳生物學家山中伸彌決定挑戰這個看似不可能完成的任務[8]。 一組一組地嘗試當然是不可行的。山中伸彌的方案，是借助基因序列數據庫和專用分析工具，對小鼠的胚胎和成體細胞進行對比。在胚胎幹細胞中表達，但在成體細胞中被抑制的基因，就有可能是影響細胞分化的轉錄因子。很快，山中伸彌就鎖定了 100 多個可能的基因。别看轉錄因子從 1600 個減少到了 100 個，但是，如果參與調控的轉錄因子數量比較多，這項任務就依然不可能完成。

山中伸彌的成果
山中伸彌必須進一步篩選。他的辦法是從小鼠的受精卵中将這些轉錄因子一個個敲除，如果這些胚胎在孕育早期就停止分化，那麼，就必然會導緻小鼠胎死腹中。所以，對于山中伸彌團隊來說，他們期待發生的事情，就是小鼠胎死腹中。 這個讓小鼠胎死腹中的轉錄因子對細胞分化起着決定性作用。 在小鼠實驗的幫助下，山中伸彌團隊終于在 2004 年成功鎖定了 24 個與細胞分化高度相關的轉錄因子。實驗的下一步，就是通過操縱這些轉錄因子，讓體細胞回到多能幹細胞的狀态。 這是山中伸彌團隊的新一輪實驗。首先，他們把這 24 個轉錄因子對應的蛋白質一個一個分别植入成體細胞中，看看能不能讓細胞發生時光倒流的奇迹。但令人失望的是，他們沒有觀察到任何有意義的變化。一個不行，那就索性把 24 個轉錄因子全部都植入細胞看看效果再說。這個瘋狂的舉動，果然帶來了收獲，四周之後，他們收獲了少量的多能幹細胞。 随後，他們又開始嘗試減少轉錄因子的數量，排除掉無關因素。最後發現 24 個轉錄因子中，隻有 4 個轉錄因子最為關鍵。隻要這 4 個轉錄因子組合在一起，就能讓細胞返老還童。這種經過轉錄因子誘導而形成的多能幹細胞，就叫做誘導多能幹細胞。 誘導多能幹細胞展現出和胚胎多能幹細胞完全一樣的功能，不僅具有自我更新的能力，還能分化成所有細胞類型的能力。更重要的是，這項技術并不需要卵細胞作為媒介，能夠讓細胞直接在體外進行培育。 約翰·格登和山中伸彌的重大發現讓人類對生物細胞的認識又向前邁出了一大步，開啟了一個全新的細胞時代。 圖 ：約翰·格登和山中伸彌 為了表彰他們的重大貢獻，兩人分享了 2012 年的諾貝爾生理醫學獎。山中伸彌在獲獎現場感慨道：

誘導多能幹細胞的研究才剛剛開始，這項技術将在細胞治療、藥物篩選和個性化醫療領域釋放巨大潛能。這個意想不到的結果開辟了一個全新的研究領域，希望醫學和生物科學家能夠利用這個技術在不同的研究領域做出更多研究成果。

人類還在不斷探索
誘導多能幹細胞技術雖然對人類未來醫療提供了無限可能，但是這項技術仍然充滿着各種挑戰。首先細胞重新編程的效率不高，按照山中伸彌的流程，體細胞隻有萬分之一的概率能夠分化成多能幹細胞，而且整個過程非常繁瑣。從采集患者自身體細胞到細胞編程完畢，需要 2 ~ 6 個月的時間；從分化出多能幹細胞，到培育出可移植的組織器官，又需要幾個月的時間。一項基于細胞編程技術的器官移植手術常常需要将近一年甚至更長的時間[9]。而且，這些細胞的染色體還會變得不太穩定，甚至會有引發腫瘤的風險[10]。 但是在科學家的持續努力下，轉錄因子的各種新能力也被陸續發現。有些轉錄因子能夠提高細胞分化效率，有些能提升染色體的穩定性。科學家還嘗試直接利用 RNA 和其他蛋白質替換轉錄因子，也獲得了不錯的進展。在随後的幾年裡，不斷改進的細胞編程技術已經開始在臨床試驗中得到驗證[11]。 2014 年，日本的高橋雅代團隊完成了世界上第一個誘導多能幹細胞治療案例。她們通過離體培養視網膜上皮組織，治愈了一名患有 老年黃斑的患者。 圖：高橋雅代 2018 年，哈佛醫學院的金光洙與馬薩諸塞州總醫院的鮑勃卡特利用誘導多能幹細胞嘗試治療了第一例 帕金森病。 2019 年，日本國際癌症研究所的江藤浩二團隊，與京都大學醫院合作，治療了一名 再生障礙性貧血 的患者。同年，大阪大學醫院西田幸二教授利用細胞編程技術培育出了世界首例眼角膜，并成功完成了 眼角膜移植 手術。 還有一項研究可能會有更廣的應用前景。由亞曆克西·特斯基赫帶領的美國團隊正在試圖通過細胞編程技術解決令人煩惱的 脫發問題。将來，很可能直接注射一針幹細胞或者服用一粒藥丸就能長出郁郁蔥蔥的秀發。如果這項研究能夠成功，未來就再也不需要進行痛苦的植發手術了。這會給全世界數以億計被脫發困擾的人帶來福音。 圖：Alexey Terskikh 博士

尾聲
細胞編程技術從發明到臨床試驗也不過隻有短短的 8 年時間，從理論上來說，隻要與細胞老化、缺陷、受損相關的疾病，都可以用這項技術進行治療。細胞編程技術的應用前景廣闊得難以想象。 回看科學家們的研究曆程，感歎人類技術的進步發展，就像是一座在前人研究成果上，一步步壘起的巨石城堡。雖然這座城堡對于現今的人們看來已經十分雄偉壯觀，但是在未知面前仍然如同一塊樂高積木，所以我們 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類的巅峰。我們甚至需要用更開放的思維重新審視已有的成就，正如戈登在他的實驗中所做的那樣，突破了當時科學界原有的認知，開創了一個全新的研究領域。 如果把地球 45 億年的曆史壓縮成一天，人類隻是在這一天快結束前一分鐘才出現，所以我們不可能依靠過去的經驗來解決未來的問題。對于人類未解的疾病，也還需要更多的科學家探索未知的領域，幫助人類解開自身的秘密。

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

寫完作業後的感想：

為了這篇近 8000 字的文章，我查閱了 140 篇文獻，總計 25 萬字的資料，其中 3% 是中文資料， 7% 日文資料，90% 的英文資料。如此大量查閱一手資料就是為了彙聚成一篇信源可靠、邏輯清晰、推理正确的科普文章，隻有親自動筆，才知如此不易。

寫作訓練營的學員還寫過

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