2007年6月26日，哥倫比亞大學臨床遺傳學主任溫迪·鍾驅車前往紐約市皇后區，向一個命運多舛的家庭中的克羅埃西亞女族長提出了一個委婉的請求。她詢問這兩位姐妹，一位82歲，另一位89歲，她們是否願意捐獻一些皮膚細胞，用於一項雄心勃勃、高度不確定的實驗，如果成功，將有望獲得雙重回報。一是可能會加速尋找治療她們家族遺傳的不治之症的方法。二是可能會為幹細胞建立一種有價值的新用途：未分化的細胞能夠產生體內許多不同型別的細胞。“我們吃了一頓非常愉快的午餐，然後真的回到房子裡進行了活組織檢查，”鍾回憶道。據82歲婦女的女兒回憶，當她們圍坐在餐桌旁時，這兩位年長的姐妹“非常樂意伸出胳膊”。妹妹告訴鍾：“我明白了。開始吧。”
姐妹倆都患有肌萎縮側索硬化症 (ALS)，這是一種退行性和緩慢麻痺神經的疾病，也被稱為盧伽雷氏病，以1939年被告知患有該病並在兩年後去世的揚基隊重擊手盧·伽雷格的名字命名。89歲的老人幾乎沒有疾病的跡象，而她82歲的妹妹走路和吞嚥都有困難。
儘管大多數 ALS 病例並非遺傳性，但這種疾病已經侵襲了這個特殊家族的多個成員。受影響的成員遺傳了一種突變，這種突變與一種比侵襲大多數其他患者的疾病進展更慢的疾病有關。鍾一直在追蹤這種疾病在歐洲和美國幾代人中的傳播。“盧伽雷氏病不是一種體面的死亡方式，”她說。“每次家庭成員在葬禮上聚會時，年輕一代的人都會環顧四周，問‘下一個會是我嗎？’”
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鍾只用了幾分鐘就完成了實際的“穿刺活檢”——從手臂內側快速捏取了兩小塊直徑為三毫米的肉。最終，這兩姐妹的細胞，以及來自數十名其他 ALS 患者和健康志願者的皮膚樣本（他們也捐贈了少量組織），被化學誘導成為一種稱為誘導多能幹細胞的幹細胞，然後被重新程式設計成為神經細胞。具體來說，它們被誘導成為運動神經元，即直接或間接控制身體肌肉並受到 ALS 不利影響的神經細胞。由此產生的組織培養物表現出與人類捐贈者體內導致 ALS 的相同的分子缺陷。換句話說，研究人員在很大程度上，在一個培養皿中重建了這種疾病。
有了這些細胞，他們就可以開始研究 ALS 患者的神經細胞究竟出了什麼問題，並可以開始篩選潛在藥物，以觀察其對患病細胞的有效作用。幹細胞的這種用途是新的，並且與迄今為止在將幹細胞用作療法的努力中令人失望的緩慢進展形成對比。如果成功，“培養皿中的疾病”概念可以加快研究人員對許多不同疾病的理解，並導致更快、更有效地篩選潛在的藥物療法，因為科學家可以在這些定製培養物中測試潛在藥物的治療效果和毒性。除了 ALS 研究工作外，誘導幹細胞目前正被實驗性地用於模擬數十種疾病，包括鐮狀細胞貧血症、許多其他血液疾病和帕金森病。例如，德國的研究人員已經創造出心肌細胞，這些細胞會不規則地跳動，模仿各種心律失常。長期以來對幹細胞科學作為商業企業持謹慎態度的製藥公司，正開始表現出更大的興趣，因為“培養皿中的疾病”方法補充了工業藥物發現的傳統優勢。
ALS 實驗的第一個成果於 2008 年發表。與大多數創新案例一樣，成功不僅取決於想法的合理性，還取決於追求想法的合適人選。在這種情況下，除了鍾之外，演員陣容還包括李·L·魯賓，一位來自生物技術行業的難民，他成為了哈佛幹細胞研究所轉化醫學負責人，以及凱文·C·埃根，一位來自哈佛大學不知疲倦的年輕幹細胞科學家，他正在與哥倫比亞大學的克里斯托弗·E·亨德森和其他運動神經元專家合作。
幹細胞的新作用
這些研究中使用的幹細胞不應與胚胎幹細胞（從早期胚胎中提取的那種）混淆。十幾年前，詹姆斯·A·湯姆森和他在威斯康星大學麥迪遜分校的同事釋出訊息，稱他們首次在實驗室中創造了人類胚胎幹細胞，震驚了世界。這些原始細胞具有生物耐久性，可以永久自我更新，並且具有多功能性，可以轉化為體內任何細胞型別。利用幹細胞為從帕金森病到糖尿病的一切疾病創造定製移植的可能性，讓醫生、研究人員、廣大公眾，尤其是患有不治之症的患者感到興奮。
但有兩個殘酷的現實在等待著。首先，關於幹細胞科學倫理的激烈公眾辯論使科學政治化並減緩了研究；這項技術引發了道德問題，因為必須破壞人類胚胎才能收穫胚胎幹細胞。這場辯論最終在喬治·W·布什總統於 2001 年 8 月宣佈美國國立衛生研究院將限制對僅使用少數現有胚胎幹細胞系的研究提供資助而達到高潮，這實際上阻礙了額外幹細胞（包括疾病特異性細胞系）的產生。作為回應，哈佛大學、哥倫比亞大學和斯坦福大學的著名研究小組，以及 ALS 專案和紐約幹細胞基金會等患者權益倡導團體，建立了獨立的“非總統”實驗室，以利用私人資金進行研究。2009 年，奧巴馬政府放寬了管理幹細胞研究的規則，但 2010 年的一項聯邦法院裁決再次禁止美國國立衛生研究院提供資助，使該領域陷入科學不確定性和資金混亂之中。
第二個問題是科學問題。正如 ALS 專案的科學主任瓦萊麗·埃斯特斯回憶的那樣，當時人們瘋狂地嘗試驗證這樣一種觀點，即源自幹細胞的特化細胞可以簡單地移植到病人（或動物）體內，作為細胞療法來治癒多種疾病。“最大的夢想，”她解釋說，“是從幹細胞中提取運動神經元，然後將它們放入大腦或脊髓中，患者就會直接起身開始跳華圖西舞。”但事實並非如此，在反覆的動物實驗中。“從始至終，”埃斯特斯說，“這些實驗都失敗了。”
2002 年，托馬斯·M·傑塞爾、海內克·維希特爾及其在哥倫比亞大學的團隊在《細胞》雜誌上發表了一篇具有里程碑意義的論文，詳細闡述了引導胚胎幹細胞沿著生物途徑形成運動神經元的成分和程式。魯賓是一位研究人員，他從這項工作中看到了幹細胞在另一種用途上的希望。魯賓精力充沛且熱情洋溢，曾接受過神經科學方面的培訓，並在馬薩諸塞州一家名為 Curis 的生物技術公司擔任研究員和首席科學官。他意識到，在培養皿中創造一種疾病提供了一種革命性的藥物發現方法。與許多學術科學家不同，他對藥物發現有所瞭解。在他之前在生物技術公司工作期間，他研究了一種最終成為價值數十億美元的多發性硬化症藥物泰沙百利的分子。
在聽到傑塞爾和維希特爾的研究結果後，魯賓起草了一份關於新型幹細胞研究所的商業計劃，“該研究所的重點，”他說，“不是細胞療法（所有幹細胞生物學家都對此感興趣），而是利用幹細胞來發現藥物。”當時，風險資本家不想與這個想法有任何瓜葛。因此，魯賓在 Curis 延續了這個想法，研究脊髓性肌萎縮症，這是一種兒童運動神經元疾病，其病理學與 ALS 相似。當 Curis 決定在 2006 年放棄該專案時，他辭去了生物技術公司的工作，轉到哈佛幹細胞研究所繼續研究“培養皿中的疾病”的想法。
此後不久，一位名叫山中伸彌的日本生物學家公開了一項技術，該技術最終將徹底改變幹細胞生物學和幹細胞政治。在 2006 年 3 月在加拿大不列顛哥倫比亞省惠斯勒舉行的科學會議上，這位京都大學的科學家描述了一種程式，生物學家可以透過該程式獲取普通的成年哺乳動物細胞並對其進行“重新程式設計”。本質上，山中伸彌在不需要使用或破壞胚胎的情況下，生化地將成年細胞重置為類似胚胎或幹細胞的狀態。他將這些細胞稱為“誘導多能幹細胞”，或 iPS 細胞。一年後，山中伸彌和威斯康星大學的湯姆森分別報告說，他們已經從人體組織中創造了 iPS 細胞[參見康拉德·霍赫林格的“你內在的治療者”；《大眾科學》，2010 年 5 月]。
那天在惠斯勒的觀眾席上，有一位名叫埃根的人，他是哈佛大學的細胞重新程式設計專家。事實上，他已經開始了自己版本的“培養皿中的疾病”想法，啟動了幾個專案，旨在獲取成年細胞並生化地誘導其恢復到類似胚胎的狀態，使其複製，並從由此產生的菌落中收穫幹細胞。然而，他試圖透過應用與克隆多莉羊相同的克隆技術，以“老式”方式製造類似胚胎的細胞。埃根會從成年細胞（如皮膚細胞）中取出細胞核，並將其植入到已去除自身細胞核的未受精卵中。然而，克隆效率極低，而且如果您計劃對人類細胞進行重新程式設計，克隆也極具爭議性——尤其因為您必須找到願意捐獻卵細胞用於該程式的女性。
然而，利用山中伸彌的方法，埃根和他的團隊最終在 2007 年夏天在人體細胞的試執行中成功地完成了 iPS 技術。其他一切都已就緒，可以嘗試“培養皿中的疾病”概念。例如，鍾和她在哥倫比亞大學的同事收集了來自兩位克羅埃西亞姐妹和其他 ALS 患者的細胞，預計這些細胞將用於埃根的克隆實驗。在私人資助下，ALS 專案在哥倫比亞大學附近建立了一個特殊實驗室，研究人員幾個月來一直在那裡儲存來自患者（包括年邁的姐妹）的細胞系。突然間，iPS 方法提供了更好的成功機會。“我們已經開始收集人類皮膚細胞，並且心中有一個非常不同的實驗，這完全是天意，”ALS 專案的埃斯特斯說。
在所有第一批 ALS 細胞系中，最引人注目的是來自較年輕、病情較重的克羅埃西亞姐妹的細胞系，被標識為患者 A29。兩位姐妹的皮膚細胞都成功地被重新程式設計為神經細胞，但患者 A29 的年齡和疾病程度表明，iPS 技術可用於創造反映嚴重終身疾病的細胞。“我們選擇這些樣本是因為這些樣本來自我們研究中年齡最大的人，”埃根說。“我們想證明，即使來自一位非常、非常、非常、非常年老且患病多年的患者，您也可以對細胞進行重新程式設計。她們是一個特殊的案例。”
研究結果發表在 2008 年 8 月 29 日的《科學》雜誌上，並在新聞界被譽為科學裡程碑。“利用幹細胞在培養皿中創造疾病”的想法有望實驗性地獲得原本難以或不可能獲得的細胞——ALS 和脊髓性肌萎縮症特有的運動神經元、許多神經退行性疾病中的腦細胞以及青少年糖尿病典型的胰腺細胞。
定製幹細胞
在過去的兩年裡，哥倫比亞大學-哈佛大學的合作已經產生了至少 30 種 ALS 特異性人類細胞系，而且還在不斷增加。這些細胞系中的許多細胞系捕獲了在患有異常嚴重 ALS 病例的人身上發現的獨特突變。更重要的是，“培養皿中的疾病”方法正開始發揮其潛力，為運動神經元疾病的性質提供見解。例如，利用來自兩位姐妹的細胞，研究人員已經確定了似乎參與運動神經元死亡的分子途徑，當這些細胞被另一類稱為星形膠質細胞的神經元毒害時，就會發生運動神經元死亡。透過將運動神經元和星形膠質細胞都放在培養皿中，科學家們現在正在尋找潛在的治療化合物，這些化合物可以阻斷星形膠質細胞的毒性活動或增強運動神經元的存活。
例如，在 2010 年 1 月，ALS 專案實驗室的研究人員開始對來自人類 ALS 運動神經元的約 2,000 種化合物進行初步篩選，以觀察是否有任何分子可以延長含有突變 ALS 基因的神經細胞的存活時間。這項初步的試點計劃反映了一種新穎的藥物篩選方法：ALS 研究人員首先測試了已經獲得美國食品和藥物管理局批准用於其他疾病的化合物。希望研究人員能夠幸運地找到一種已經在人體中測試並證明安全的分子，可以迅速將其重新用於運動神經元疾病。在哈佛大學進行的一項並行研究中，魯賓已經確定了近二十幾種與新確定的途徑之一相互作用並增強運動神經元存活的小分子。脊髓性肌萎縮症基金會目前正在脊髓性肌萎縮症動物模型中測試其中一種分子。
也許同樣能說明 iPS 細胞為藥物發現提供了一種有希望的方法的指標是，魯賓不再撞製藥公司的大門了。自從哥倫比亞大學和哈佛大學的研究人員在 2008 年夏天與患者 A29 一起確立了“培養皿中的疾病”原則（即可以產生具有患病者遺傳組成的神經元）以來，製藥公司一直在敲魯賓的門。在不透露具體公司名稱以保護機密性的情況下，他說，“我想說，在主要的製藥公司中，所有公司現在都對這種方法產生了興趣。”這種興奮情緒已經蔓延到生物技術領域：運動神經元“培養皿中的疾病”故事中的許多研究人員，包括埃根和魯賓，都參與了一家總部位於加利福尼亞州的生物技術公司 iPierian，該公司是包括 Cellular Dynamics International 和 Fate Therapeutics 在內的幾家初創公司之一，這些公司正在將 iPS 技術應用於藥物發現。
與此同時，越來越多的幹細胞研究人員正在追求“培養皿中的疾病”概念。在 2008 年 ALS 出版物發表後不久，哈佛幹細胞研究所的另一個研究小組報告說，他們利用 iPS 技術從青少年糖尿病、帕金森病和其他疾病患者身上創造了“培養皿中的疾病”細胞。2008 年底，威斯康星大學由克萊夫·N·斯文森（此後已移居洛杉磯雪松西奈醫療中心）領導的研究人員在一個培養皿中創造了來自脊髓性肌萎縮症患者的運動神經元。
當我詢問哥倫比亞大學和哈佛大學的研究人員，兩位克羅埃西亞姐妹是否知道她們捐贈的細胞所產生的研究時，起初似乎沒有人知道。但我最終了解到，根據患者 A29 的女兒（她同意匿名發言）的說法，這兩位姐妹仍然健在。姐姐現在 93 歲，基本上沒有 ALS 的症狀；事實上，根據她侄女的說法，她仍然“獨自生活，到處走動、購物、做飯、掃地和打掃衛生”。妹妹，患者 A29，去年 6 月滿 85 歲；儘管患有 ALS，但她仍然可以“緩慢而虛弱地”移動，並且“感激”有機會提供幫助。
儘管如此，這個家庭的殘酷負擔似乎從未遠離，並突顯了那些可能從新的幹細胞藥物發現方法中受益的人的緊迫感。“我還相對年輕，”患者 A29 的女兒說，她自己在 2002 年被診斷出患有 ALS。“我們擔心隨著世代的推移，疾病的發病會越來越早。我們感覺有點像”——她說話時停頓了一下，以整理自己和她不可避免的 Grim Thoughts——“這是一場與時間的賽跑。我自己有一個十幾歲的女兒，這讓我感到非常沉重。”