再生医疗梦想:iPS干细胞研究不断推进

科学 技术

自京都大学的山中伸弥教授发表论文报告其成功培育出了iPS干细胞(诱导多功能干细胞)以来,到今年8月就是10周年。2014年已经开展了向患者移植由iPS干细胞转化组织的临床研究。在期待和问题共存之中,开发探索新治疗方法的工作正在切实推进。

再生医疗的历史,既古老又新颖

失去光芒的眼睛、无法动弹的手脚、停止挑动的心脏,要是能让它们恢复正常……眼镜、义手义足、人工器官等替代手段,广义上也可说是再生医疗。35年前,通过细胞移植修复疾病的所谓细胞疗法开始受到巨大关注。这是因为,1981年从小白鼠胚胎成功培养出了胚胎干细胞(ES细胞),1998年成功培养出了人类胚胎干细胞。

由一个受精卵经过反复的细胞分裂后终于形成了约60万亿个成体细胞。干细胞,是指在细胞分裂时具有复制自身并能分化成多种细胞能力(分化多向性)的细胞。其中,受精卵可以分化形成成体的所有细胞。

ES细胞是从受精卵经过六七次分裂形成的早期胚胎培育而来的干细胞,具有分化多向性,并几乎有无限增殖可能性,作为再生医疗的细胞来源备受期待的同时,也还存在多个难题——使之安全分化成目标细胞的诱导技术,抑制排斥反应的技术,而最大的障碍就是用人类受精卵培养的伦理问题。

世界各地正在开展把ES细胞诱导分化成人体其他细胞的研究,山中伸弥反其道而行之,成功分离出了与ES细胞性能相当的多功能干细胞。

无需担心伦理问题的干细胞:2012年获诺贝尔奖

他从ES细胞中经常发现的24个遗传基因(转录因子)中,最终锁定了其中4个(Oct3/4、Sox2、Klf4、c-Myc)进行研究,后来这4个遗传基因被称为“山中基因”。以逆转录病毒为DNA的载体,将这些遗传基因组合到小白鼠的皮肤细胞中,就得到了功能类似于ES细胞的诱导性多功能干细胞。之所以特意用小写“i”命名为“iPS干细胞(induced pluripotent stem cell)”,是希望能够沾上风靡全世界的苹果公司便携式音乐播放器“iPod”的光。

其详细制作方法和4个转录基因的情况,发表在美国科学杂志《细胞》2006年8月25日号上。不过,要把iPS干细胞用于治疗人类,还必须拿出人类iPS干细胞也能制作的例证。从小白鼠到成功制作人类ES细胞花费了17年时间,而山中伸弥在次年2007年就成功制作出了人类iPS干细胞。

由成纤维细胞培育而来的iPS干细胞群。细胞群宽度的实际大小为约0.5毫米(提供:山中伸弥教授)

京都大学山中伸弥教授(摄于2016年7月,时事社)

iPS干细胞不仅可用于再生医疗领域,还潜藏着改变整个临床医学的可能性。比如说,将患者病灶细胞与他的正常细胞经过纯净培养得到的iPS干细胞进行比较,可以弄清病理机制,便有望开发出治疗药物。出于担心伦理问题而反对ES细胞的美国总统布什和罗马教皇,都曾表示支持iPS干细胞。所以,虽然当时还未有任何救治实绩,2012年山中伸弥就获得了诺贝尔医学与生理学奖。

人类iPS干细胞的发现,为实现再生医疗梦想的科学竞赛打响了头炮。

最初的制造方法有出现细胞癌化的担心,而且制作效率也非常低。后来在选用遗传基因和制作方法方面做了改进,安全性得以提高,最终从2014年起开始相关临床研究。2014年9月12日,尖端医疗振兴财团尖端医疗中心医院(位于神户市)为一位患有老年性黄斑变性这一眼科难症的70多岁女性,移植了由其皮肤细胞培养的iPS干细胞转化而来的视网膜色素上皮细胞片层。

率领这个研究团队的是日本理化学研究所的项目负责人、眼科医生高桥政代。这个临床实验的主要目的是评估安全性,计划检验的是移植后4年以上的时间内细胞的生长情况以及是否会出现癌化。目前2年已经过去,还没有出现问题。但是,原本计划在2015年实施的第二个病例,由于在从患者细胞培养制作的iPS干细胞中发现了多个遗传基因突变,已经终止实施。

关键:应对排斥反应和癌化

用患者本人细胞培养得到iPS干细胞,在能够抑制排斥反应这一移植手术的宿命难题意义上是有优势的。但第一个病例,从用患者本人细胞培养制作出iPS干细胞到使之分化成视网膜片层,包括谨慎的安全性确认等工作,一共花费了11个月时间,成本费用更是膨胀到以亿为单位的金额。因此,下一次拟使用京都大学iPS干细胞研究所的iPS干细胞库,在理化学研究所使之分化成用于移植的视网膜色素上皮细胞。采用这种方式,计划2017年再次启动移植试验。

就像血型一样,细胞也有被称作人类白细胞抗原(HLA)的分型。就像O型血可以输给任何人一样,也有即使移植源自他人细胞也不产生排斥反应的细胞分型组合,京都大学正在加速构建高通用性型的iPS干细胞库。

京都大学iPS干细胞研究所细胞调制设施(Fit)内,用来储藏iPS干细胞库的储存罐(提供:京都大学iPS干细胞研究所)

HLA型据说有数万种,从父母继承同一型HLA的人(HLA同型),会形成类似于AA、BB、CC那样的细胞型。比如AA型的人,即使把他的细胞移植到AB型、AC型的人身上,排斥反应也能够控制在最小程度。据认为,如果是日本人中出现频率高的HLA型,有HLA同型的75个人(75种)和140人,就能够分别覆盖80%和90%的日本人。如能达到这种规模,京都大学成功构建iPS干细胞库的胜算就相当大了。因此,京都大学有赖于京都大学附属医院、日本红十字会、脐带血银行等的合作,正请求已知HLA同型的人们协助成为捐献者。

京都大学正在利用这些捐献体培养制造能用于医疗的高质量iPS干细胞,预计到2017年度末,能够覆盖30-50%左右的日本人。

从最初开始,技术上最大的问题就是癌化问题,即便在改变了培养制作方法后的今天,仍然无法完全避免。iPS干细胞如果能够完全分化诱导为目标细胞当然再好不过,但如有未能分化的iPS干细胞残存的话,就要担心是否会发生癌化问题了。能否使之完全分化,或能否找到如有目标之外物质混入其中便即刻清除的手段,成为了再生医疗能否走向成功的关键。

法律逐步完善,支持再生医疗尽早投入实用

国家通过修改法律等方式,从侧面支持使用iPS干细胞治疗方法投入实用。2014年11月修订了旧《药事法》。如果细胞片层等“再生医疗产品”在治疗试验中能验证安全性,那么国家在判断该药品估计有效的阶段,便可承认其在受限的销售期间和销售对象下的药品资格。如果上市销售一段时期内有效性得以验证的话,就可以通过审查获得正式认可。在过去的法律中,需要十多年时间才能得到正式认可,而现在预计能够缩短到两三年之内。

新法律据说在全世界也是最激进的。但也可以这么说,日本抢先于世界承认再生医疗产品,体现了其甘冒一切可能风险的决心。

另一方面,出于保护患者的目的,防止那些效果和安全性仍不确定的再生医疗滥用于自费医疗的新法律也已经实施。

新治疗方法的开发研究在广泛领域开展

使用iPS干细胞治疗心功能不全、脊髓损伤、帕金森等各种疾病的应用研究正在扎实推进,已经从动物实验发展到接近人体临床研究的阶段。

庆应义塾大学医学部部长冈野荣之开展的是脊髓损伤治疗的实用化研究。因事故或外伤引起的脊髓损伤很快会导致脊髓慢性损伤,要从自己的细胞培养制作iPS干细胞,时间上根本来不及。因此,这个项目计划使用上述的京都大学iPS干细胞库分化出神经干细胞,在2017年度中期实施第一例人体试验。接下来还将准备应用于治疗脑梗塞。

而大阪大学的泽芳树教授,则致力于制作出从iPS干细胞分化而来的心肌片层,将其贴在心脏上用来治疗心功能不全。

在京都大学,高桥淳教授正投身于用转化自iPS干细胞的多巴胺能神经细胞开发治疗帕金森这一神经性疑难病症方法的研究。为应对老龄社会供血人群不足的问题,京都大学与日本红十字会一起推进基于iPS干细胞生产血小板和红血球的项目。使用iPS干细胞技术激发抗癌细胞活性治疗癌症的计划也在进行之中。

从人类iPS干细胞诱导转化而来的多巴胺能神经细胞(提供:京都大学iPS干细胞研究所森实飞鸟)

也有人在挑战培养制造整个器官组织。横滨市立大学的谷口英树教授,用从人类iPS干细胞诱导转化而来的肝脏前驱细胞(最终会分化为人类成体细胞的处在分化中间阶段的细胞)等培养制造立体的“肝脏胚芽”获得成功。

用iPS干细胞开发新药也有动作

人们也对从一开始就被视为两大支柱之一的新药开发充满期待。

药物候选物质最终能成为药品的成功概率据说只有数万分之一,有很多是因为中途发现有严重副作用等原因而放弃开发。iPS干细胞可以成为事先预测这些副作用的工具。比如,使用从人体iPS干细胞诱导转化而来的肝脏细胞,就可以预测药物对肝脏的毒性。此外,有些药物的副作用可能导致发生有可能伤及性命的心律不齐,也可以通过从iPS干细胞诱导转化而来的心肌细胞来预测。

人们寄以最大期待的是那些疑难病症。2012年,文部科学省和厚生劳动省发起了研究运用iPS干细胞治疗疑难病症的产学合作项目。这个项目的内容是,通过让疑难病症患者提供皮肤或血液等成体细胞,在京都大学等五个基地培养制作iPS干细胞,并诱导分化成患病部位的细胞,以此弄清病情进而开发出新药来。项目组和厚生劳动省的50个疑难病症研究小组合作,并有7家制药企业参与。京都大学和庆应义塾大学,从用于治疗其他疾病的药品中发现了可用于治疗“进行性肌肉骨化症”等6种疾病的候选治疗药物,计划通过临床试验到达能投入实用。

国家已经支出了100亿日元规模用于使用iPS干细胞治疗方法的实用化,但在人才培养等方面还存在问题。日本再生医疗学会已经开始实施“再生医疗认定医师”和“临床培养师”的认定制度,开始真正重视培育那些培养和加工细胞的技术人员。

这10年来,虽说iPS干细胞的临床研究已经开始,但距离大家都能享受成果的那一天还有很长的路要走。但是,以相信iPS干细胞的无限可能性而成为开拓先锋的山中伸弥为代表,世界上很多科学家正在不懈努力,在注意安全性和效率、风险和效益的平衡的同时,不断推进着相关研究。

标题图片:研究员们在京都大学iPS干细胞研究所的公开实验室里做实验(提供:京都大学iPS干细胞研究所)

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