薩斯喀徹溫大學的神經外科醫生伊瓦爾·門德斯經常播放一段影片片段，以展示他治療帕金森病的工作。影片中是一位中年男子，並配有字幕：“停止用藥”。該男子面部表情呆滯，這是帕金森病的典型特徵。當被要求抬起雙手並張開和合攏手指時，他幾乎無法做到。他嘗試不用手從椅子上站起來，但失敗了。他走路時，步態緩慢、拖沓，這是帕金森病的另一個標誌，這是一種進行性神經系統疾病，據估計影響了美國一百萬人，其中大多數年齡超過 60 歲。
然後影片時間快進。還是同一個人出現，仍然停止用藥。現在是門德斯將胎兒多巴胺細胞移植到患者大腦後的第八年。這些神經元位於中腦區域，稱為黑質，分泌神經遞質多巴胺以啟動運動，它們是在帕金森病中逐漸死亡的神經元。這個人變老了，但他的精力和舉止卻像一個年輕得多的人。當被要求做同樣的任務時，他流暢地高舉手臂，快速地張開和合攏手指。他雙臂交叉在胸前，輕鬆地從椅子上站起來。然後他昂首闊步地走過大廳。
自從 25 年前，在瑞典隆德大學醫院的臨床試驗中，最初的幾位患者接受移植以來，使用基於細胞的療法治療帕金森病的希望一再升起又破滅。幹細胞是一種具有巨大潛力的生物原材料，因為它們可以透過無限分裂和產生特化細胞的能力來生成新細胞。然後，這些細胞可用於修復帕金森病等退行性疾病造成的腦損傷。然而，幹細胞一直很難獲得。到目前為止，移植到人體內的細胞都來自流產的胎兒組織，儘管科學家們也已將來自人類胚胎和成人皮膚細胞的幹細胞移植到動物體內。棘手的政治和倫理問題限制了胎兒細胞和胚胎幹細胞的獲取，而胎兒細胞尤其短缺。2001 年和 2003 年發表的兩項使用胎兒組織的大型臨床試驗被認為是失敗的，因為它們的結果差異很大；沒有足夠多的患者在研究終點時得到改善，而且一些患者出現了嚴重的副作用。許多科學家放棄了細胞療法。
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但少數實驗室堅持了下來。現在，新的證據表明移植可以很好地發揮作用，就像門德斯患者的情況一樣，並且可能出現沒有倫理問題的新細胞來源，這重新燃起了樂觀情緒。今年，劍橋大學的神經學家羅傑·A·巴克計劃領導十年來首次針對帕金森病的細胞療法大型臨床試驗。“我們已經突破了舊的障礙，”哈佛大學的細胞生物學家奧勒·伊薩克森說。
這種勢頭很可能也會推動其他疾病的細胞療法。研究人員正在嘗試將該技術應用於十多種疾病，包括糖尿病、脊髓損傷和幾種癌症[參見第 81 頁的“幹細胞維修店”]。除了帕金森病，視網膜疾病也取得了最顯著的進展。正在進行臨床試驗，使用視網膜色素上皮細胞治療黃斑變性。根據加州再生醫學研究所的說法，理論上沒有哪種疾病不能應用幹細胞療法。在每種情況下，需求都取決於科學家希望替換的特定型別細胞的生成難度。
伊薩克森說，帕金森病的進展尤其令人鼓舞，因為“它更容易解決”。該疾病特有的使人衰弱的運動困難有一個相對直接的原因：多巴胺的喪失。研究人員能夠很快地從幹細胞中生成多巴胺神經元。細胞療法通常可以恢復運動能力和功能——例如，改善患者的步態，並減少震顫——但並不能改善帕金森病的方方面面。例如，患者可能仍然患有痴呆症、胃腸道問題和睡眠障礙。然而，在最好的情況下，患者可以透過一次干預獲得 20 到 30 年的優質生活，並且幾乎不需要藥物。“你並沒有治癒這種疾病，”巴克說，“但你已經改變了帕金森病的自然病程。”
遞送多巴胺
手或其他肢體的輕微震顫通常是帕金森病的第一個跡象。震顫之後是肌肉僵硬、駝背以及詹姆斯·帕金森在 1817 年首次描述的獨特的行走困難。運動困難與黑質中稱為 A9 的多巴胺神經元的喪失有關，該神經元除其他外控制運動的啟動。當第一次震顫出現時，患者已經失去了大約 70% 的 A9 神經元——伊薩克森說，這個閾值就像水位一樣。他們撞到水面，開始在運動問題的洪流中沉沒。
自 20 世紀 60 年代以來，帕金森病一直採用藥物治療，以替代大腦中缺失的多巴胺。左旋多巴是一種多巴胺前體，這種小分子劑量可以穿過血腦屏障並進入腦細胞，腦細胞將左旋多巴轉化為多巴胺並釋放出來。其他藥物，稱為多巴胺激動劑，在沒有神經遞質的情況下刺激多巴胺受體，從而模擬其作用。這些藥物可以改善帕金森病症狀，但它們的益處會隨著時間的推移而減弱，並且它們會帶來副作用，例如活動和不動期交替以及出現額外的抽搐動作。
在 20 世紀 90 年代，臨床醫生開發了一種替代療法，稱為深部腦刺激 (DBS)，即手術植入電極，將電脈衝傳遞到大腦特定區域，直接改變神經元活動。這種治療方法效果很好。例如，在加利福尼亞大學舊金山分校醫療中心，45% 到 70% 接受 DBS 治療帕金森病的患者病情有所改善。然而，隨著時間的推移，患者又開始衰退，因為電極刺激不再能夠彌補多巴胺的持續喪失。相比之下，基於細胞的療法旨在直接恢復疾病過程中喪失的細胞。
早期的大型細胞療法臨床試驗存在多重問題。例如，現在看來，一些選擇的患者年齡太大，疾病進展太晚，無法獲得良好的效果。外科醫生沒有注入含有單一型別細胞的物質，而是移植了組織塊，其中包括引發免疫反應的其他物質。每個團隊的手術程式本身也各不相同。此外，研究的終點時間太短——沒有一項超過兩年——移植細胞無法充分發揮作用。
在接受帕金森病細胞療法的患者中，門德斯團隊移植的患者效果最好。門德斯在 20 世紀 90 年代後期開始將胎兒細胞移植到患者體內，當時他在新斯科舍省的達爾豪西大學工作。他改進了細胞的製備方法，透過處理細胞以促進生長，並建立純細胞懸液而不是移植組織塊。門德斯使用他開發的計算機化注射器來標準化該過程，瞄準了兩個大腦區域而不是一個——多巴胺細胞自然產生的黑質，以及它們的軸突需要到達的殼核。他的所有 10 名患者在衡量疾病程序的標準帕金森病評定量表上都得到了顯著改善。在 2008 年發表的對五名患者的單獨屍檢分析中，門德斯和伊薩克森（他們已經合作了大約 10 年）發現，移植的神經元存活下來，並且長達 14 年沒有退化跡象。“方法很重要，”門德斯說。“我們現在擁有所有的經驗、技術和儀器，能夠安全地將這些細胞植入人腦。”
新型細胞
最大的剩餘挑戰是獲得足夠多的有活力的幹細胞。迄今為止植入的胎兒細胞是從六到九周大的流產胎兒的中腦中收穫的。這種幹細胞已經分化成多巴胺神經元，但移植後仍保留著產生更多新神經元的能力。不過，門德斯承認，胎兒細胞“不是答案”。撇開政治不談，永遠不會有足夠的胎兒細胞來滿足所有需要它們的患者的需求。
1998 年，當威斯康星大學麥迪遜分校的細胞生物學家詹姆斯·A·湯姆森和他的同事們首次獲得胚胎幹細胞系時，另一種可能性出現了。他們正在研究人類胚胎的囊胚，這是一個短暫的早期發育階段，此時細胞球包含一個由 20 到 30 個細胞組成的內部細胞團，這些細胞能夠發育成體內 200 多種成人細胞中的任何一種。與已經開始分化過程的胎兒組織細胞不同，這些所謂的全能幹細胞具有產生體內任何型別組織的潛力。
湯姆森的團隊移除了這些細胞，並在實驗室中培育它們，使它們分裂。結果是無限可再生的實驗室維護的幹細胞來源——細胞系——這將不需要進一步的新胚胎。倫理問題仍然因最初使用胚胎而變得複雜，但突然之間，大規模的基於細胞的療法似乎變得可行。挑戰在於誘導這些胚胎幹細胞發育成治療疾病所需的特定細胞——帕金森病的多巴胺神經元，或糖尿病的胰島素生成細胞。
同樣在 1998 年，伊薩克森的研究小組報告說，他們已經在小鼠身上做到了這一點。研究人員從小鼠囊胚中分化出 A9 神經元。當他們將這些 A9 細胞注射到小鼠大腦中時，他們發現這些細胞存活下來，並與大腦中的其他神經元形成連線。2002 年，伊薩克森的研究小組表明，相同的程式恢復了患有藥物誘導型帕金森病的大鼠的運動能力。其他幾個研究小組在齧齒動物身上也取得了類似的恢復。研究人員立即嘗試從人類胚胎幹細胞中建立 A9 神經元——但這一步被證明更加困難。“近 10 年來，這在很大程度上是失敗的，”紀念斯隆-凱特琳癌症中心的細胞生物學家洛倫茨·斯圖德說。“我們本以為這些細胞會表現良好，但它們沒有。”
2007 年，日本京都大學的生物學家山中伸彌的研究小組找到了一種從成人自身組織中建立幹細胞的方法，從而取得了替代方法的突破。山中伸彌的研究小組從成年小鼠皮膚細胞開始，對細胞進行生化“重程式設計”，使其回到類似於胚胎幹細胞的狀態，然後可以將其用作衍生出完全不同型別的體細胞（如神經元）的基礎。
本質上，山中伸彌的研究小組找到了一種從成人皮膚細胞中創造無限量幹細胞供應的方法，從而避開了圍繞胚胎研究的政治和倫理問題。這項成就為山中伸彌贏得了 2012 年諾貝爾生理學或醫學獎。此外，如果這些被稱為誘導多能幹細胞的細胞始終來源於接受治療的個體患者，那麼免疫排斥的巨大風險將消失。“他們解決了一個非常大的問題，”美國國立衛生研究院再生醫學中心前主任、現任紐約幹細胞基金會再生醫學副總裁馬亨德拉·拉奧說。
新近變得靈活的猴子
在山中伸彌發現一年後，伊薩克森的研究小組表明，它可以從這種重程式設計的成人齧齒動物細胞中建立 A9 多巴胺神經元。科學家們很快開始將新細胞放入患有帕金森病跡象的小鼠和大鼠體內，並在 2008 年報告了功能的改善。然後他們轉向非人類靈長類動物。伊薩克森的研究小組與一隻患有藥物誘導型帕金森病的猴子合作，採集了猴子的皮膚細胞，將其恢復到胚胎狀態，然後將其分化成多巴胺神經元，並放入猴子的大腦中。他們對這隻猴子進行了兩年的監測。在 2013 年底的會議上展示的結果中，他們表明，根據正電子發射斷層掃描 (PET) 掃描，移植的多巴胺神經元存活並生長。移植後約八個月，猴子的運動障礙停止了。屍檢分析表明，新的神經元與移植區域整個大腦區域的其他神經元建立了連線。
同年，另外兩個研究小組也報告了成人來源的幹細胞和猴子的成功案例，包括威斯康星大學麥迪遜分校的細胞生物學家張蘇春的實驗室以及山中伸彌和他的同事高橋淳。“所有三個小組現在都非常明確地證明，移植體可以存活，可以分化成正確型別的細胞，然後可以結構性地整合到大腦中，”張說。
伊薩克森的猴子是唯一一隻被觀察了較長時間（兩年）並顯示出功能恢復的猴子。研究人員正在進行更多猴子的長期研究，以令人信服地證明安全性和有效性。門德斯和伊薩克森說，臨床試驗可能會隨之而來，可能在幾年內進行，他們確信這些成人來源的細胞是未來。
其他人仍然押注胚胎幹細胞。2011 年和 2012 年，斯圖德的實驗室和隆德大學的神經生物學家馬林·帕爾馬爾的實驗室成功地將人類胚胎幹細胞分化成多巴胺神經元。當移植到患有帕金森病症狀的小鼠、大鼠或猴子體內時，這些細胞存活下來並導致功能恢復。2014 年末，帕爾馬爾報告創造了更好的 A9 神經元。經過更嚴格的測試，它們的功能與胎兒細胞一樣好，生長軸突的距離相同，靶向正確的區域，並恢復大鼠的運動功能。“我們希望它們在大約三年內準備好進行臨床試驗，”帕爾馬爾說。
斯圖德也很樂觀。他最近獲得了 1500 萬美元的資助，用於完善他的技術並根據 GMP（良好生產規範）指南生成細胞系。“現在我們有了一個協議，這讓我們敢說我們可能真的準備好了，”斯圖德說。在並行進行大規模細胞批次生產工作的同時，他計劃開始為臨床試驗招募患者，這很可能是第一個使用胚胎幹細胞的臨床試驗。
位於加利福尼亞州卡爾斯巴德的國際幹細胞公司的科學家們採取了不同的方法。2014 年末，他們報告說，成功地從化學誘導未受精卵發育（就像受精一樣）的卵子中創造出安全有效的多巴胺神經元，這個過程稱為孤雌生殖，避免了使用胚胎。該公司正在尋求監管部門的批准，以便在 2015 年初開始對其人類孤雌生殖神經幹細胞進行臨床試驗。
堅持使用胚胎幹細胞的一個原因是監管。“這都是新的領域，”劍橋大學的巴克說。“細胞不是藥物，也不是裝置。它們是什麼？”迄今為止，幹細胞一直按細胞系進行監管——一組在實驗室中培養並被認為是安全的可再生細胞。如果為個體患者生產幹細胞——充分利用最新技術的潛力——並且仍然需要遵循與現有幹細胞系相同的批准流程，那麼這種療法的成本將高得令人望而卻步。一種解決方案是批准通用的誘導幹細胞流程，而不是單獨的細胞系。另一種解決方案是建立多達 500 個受監管的成人組織來源的幹細胞系庫，這可以犧牲一些免疫反應益處，伊薩克森說，這可以在基因上與 75% 到 90% 的人口相匹配。
革命性療法
在他們即將進行的試驗中，巴克和他的合作團隊將把胎兒多巴胺神經元植入歐洲 20 名患者的大腦中，並跟蹤 130 名帕金森病自然進展的其他患者。從過去的手術錯誤中吸取教訓，科學家們收緊了患者的選擇，改進了組織製備和放置，並重新思考了多中心試驗的持續時間和隨訪。跨歐洲研究旨在提供細胞療法可以持續修復大腦的原則證明，巴克說。“重要的是這個過程，我們將其視為下一代基於細胞的療法的墊腳石。”
儘管理論上具有優越性，但用新的多巴胺細胞填充大腦，目前還不明顯比現有療法（如 DBS，它可以更快地見效）更好。此外，其他正在開發的療法可能被證明是可行的。例如，在 2014 年初，倫敦帝國學院的研究人員報告了帕金森病患者的首次基因療法試驗的喜人結果。在這種療法中，醫生將多巴胺生成酶的基因插入紋狀體，紋狀體是中腦的一部分，有助於運動控制。
然而，許多研究人員認為，帕金森病幹細胞療法生產和驗證方面的剩餘障礙是可以清除的。拉奧在他的 NIH 任職期間負責監管再生醫學領域的所有工作，他認為迄今為止的進展令人鼓舞。“這些可能是革命性療法的第一步，”他說。