我記得在2006年冬天的一個早晨，當我透過實驗室的顯微鏡觀察時，看到一團看起來就像胚胎幹細胞的細胞群，我感到非常興奮。它們聚集在一小堆，在培養皿中分裂了近三個星期。它們閃爍著與胚胎細胞“多能性”相同的彩色熒游標記——科學家們將其視為胚胎細胞多能性的一個標誌，即它能夠產生生物體內任何型別的組織。但我看到的這些細胞並非來自任何胚胎：它們是普通的成年小鼠細胞，似乎透過新增簡單的基因混合物而恢復了活力。
將任何哺乳動物細胞的內部時鐘撥回到胚胎狀態真的如此容易嗎？當時，並非只有我一個人在疑惑。京都大學的山中伸彌及其同事剛剛在2006年8月發表了一項開創性研究，揭示了他們從老鼠皮膚細胞中創造出他們稱之為誘導多能幹細胞（iPSC）的配方。多年來，研究人員一直努力理解和控制胚胎幹細胞在醫學和研究中產生定製組織的巨大潛力——同時還要應對關於胚胎使用的政治和倫理爭議、科學挫折以及先前“突破”未能實現的虛假希望。因此，幹細胞科學家最初對這個日本小組的結果感到驚訝，並有些懷疑。但在實驗室的那個早晨，我可以親眼看到遵循山中伸彌配方的結果。
其他科學家也能夠重現他的成就，並且在過去幾年中，製造和測試iPSC的改進技術迅速出現。今天，全球數千名科學家正在努力開發iPSC的潛力，以幫助理解和治療迄今為止仍無法治癒的人類疾病，如1型糖尿病、阿爾茨海默病和帕金森病。僅僅透過傳遞一些特定基因就能改變細胞身份的可能性也改變了科學家對人類發育的看法。
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縱觀歷史，人們一直夢想找到青春之泉，以逃避衰老和疾病的後果，而將成年身體細胞恢復到胚胎狀態的能力，無疑是迄今為止人類最接近這一幻想的嘗試。當然，這項技術仍處於起步階段。在任何人能夠斷言iPSC是否會改變醫學實踐，甚至它們是否真的能與更具爭議的胚胎幹細胞相媲美之前，還有許多重要問題必須解答。
原始力量
要理解iPSC的發現所激發的希望，必須回到胚胎的特殊之處。當前的iPSC研究在很大程度上依賴於過去30年中在胚胎細胞研究中開發的技術和概念，特別是多能性現象。哺乳動物的發育通常是單行道，細胞隨著時間的推移逐漸變得更加專業化和更不通用，這個過程稱為分化。只有在發育的早期短暫視窗期，胚胎內的所有細胞才具備成為人體220種細胞型別中任何一種的能力。提取這些細胞並在培養物中培養，就會產生胚胎幹細胞。真正的胚胎幹細胞無限期地維持其產生任何組織型別能力的能力，定義了“多能性”一詞。
即使在晚期胚胎中，幹細胞也已經專業化到只能產生特定細胞型別家族的程度，例如肌肉和骨骼中的細胞。這些細胞被認為是“多向分化潛能”的，但它們不再是多能的。在成年動物中，那些前體的殘餘物就是所謂的成體幹細胞，它們補充組織內的成熟細胞。例如，血液幹細胞不斷再生12種不同的血液和免疫細胞型別，而皮膚幹細胞則負責每隔幾周再生我們的皮膚和毛髮。
在哺乳動物中，正常情況下永遠不會發生的事情是細胞去分化，即恢復到更原始的型別。實際上，這條規則的唯一例外是癌細胞，癌細胞可以變得比它們最初出現的組織分化程度更低。不幸的是，一些癌細胞也可以繼續無限期地分裂，表現出與多能細胞相似的永生性。
直到最近，將正常成年細胞的發育時鐘撥回來的唯一方法是透過精細的操作，誘騙它表現得像胚胎細胞一樣，這個過程稱為細胞重程式設計。實現重程式設計的最古老方法是體細胞核移植，或稱“克隆”，這涉及將成年細胞的遺傳物質注入到已去除自身DNA的卵細胞中。然後，這種DNA-卵子雜合體發育成早期胚胎，從中可以提取多能幹細胞。
自從1997年多莉羊的克隆被公開，以及1998年首次分離出人類胚胎幹細胞以來，核移植作為一種可能生產定製的多能幹細胞以替換因損傷或疾病而受損的任何組織的手段，受到了相當大的關注。卵子內部尚未被充分理解的因素似乎確實可以使成年供體細胞的遺傳物質恢復活力——甚至隨著年齡增長而磨損的染色體末端保護帽端粒也被恢復到年輕狀態。然而，儘管在動物方面取得了進展，但透過克隆產生人類胚胎幹細胞的嘗試仍然沒有成功。
山中伸彌及其團隊透過採取一種新穎的方法繞過了這個僵局，即在不使用卵子或胚胎的情況下，直接將成年細胞轉化為多能細胞。他們沒有將成年遺傳物質引入卵子，而是推斷，將通常僅在胚胎中活躍的基因引入成年細胞可能足以將該細胞重程式設計為類似胚胎的狀態。他們的第一個壯舉是鑑定出由二十幾個不同基因組成的混合物，這些基因在多能細胞中開啟，但在成年細胞中沉默。當使用逆轉錄病毒作為傳遞工具引入皮膚細胞時，這些基因幾乎神奇地將皮膚細胞的身份重程式設計為多能細胞的身份。透過進一步的實驗，山中伸彌隨後發現，實際上只需要四個基因——Oct4、Sox2、Klf4 和 c-Myc——即可產生iPSC。
當包括我的實驗室在內的幾個獨立實驗室成功重現這些結果後，這個魔術般的技巧就變成了生物學事實。到目前為止，來自總共四種不同物種（小鼠、人類、大鼠和猴子）的大約十幾種不同的成年細胞型別已被重程式設計為iPSC，而且肯定會有更多。iPSC的發現令幹細胞研究人員感到非常興奮，因為它們可以繞過克隆的技術複雜性，並避免與人類胚胎研究相關的大部分倫理和法律限制。然而，這種新的多能細胞型別並非沒有自身的問題。質量控制和安全性是目前iPSC研究的主要重點，因為科學家們正在努力確定這些細胞的真實本質以及它們能夠做什麼。
身份危機
儘管iPSC集落在顯微鏡下可能看起來像胚胎幹細胞，並且可能顯示與多能細胞相關的分子標記，但其多能性的明確證據來自功能測試——這些細胞能否完成多能細胞根據定義所能完成的所有事情？即使是胚胎細胞集落也可能包含一些不能顯示真正胚胎幹細胞多能性的無效細胞，科學家們已經開發了一些常規測試來評估細胞的多能性。隨著嚴格性的提高，這些測試包括：幹細胞在培養皿中暴露於適當的發育訊號時，產生多種身體細胞型別的能力；幹細胞在注射到小鼠皮膚下時，產生畸胎瘤（一種包含來自所有胚胎組織譜系細胞的腫瘤）的能力；以及當注射到早期小鼠胚胎中時，有助於所有組織譜系（包括生殖細胞）在新生小鼠體內發育的能力。
儘管胚胎幹細胞通常能透過所有這些測試，但許多iPSC卻不能。對失敗細胞的更仔細檢查表明，用於將四個關鍵重程式設計基因傳遞到皮膚細胞中的病毒通常沒有被正確關閉，並且細胞原始DNA中的重要基因沒有被正確開啟，導致細胞失去了皮膚細胞的身份，但沒有獲得多能身份。因此，這些部分重程式設計的細胞不符合真正多能細胞的資格。
正在進行的對透過所有多能性測試的iPSC的研究，旨在查明區分“好”iPSC和“壞”iPSC的差異。例如，Thorsten Schlaeger、George Daley及其在哈佛大學的同事最近在經歷漫長（約三週）過程的皮膚細胞中，鑑定出一種基因活動模式，這些皮膚細胞正在將其身份轉變為多能細胞的身份。這些細胞在轉變過程中顯示的熒游標記將它們與同一集落中最終不會成為iPSC的細胞區分開來，因此這種標記模式可以用作成功轉化的早期指標。
由於科學家無法在倫理上透過將人類iPSC注射到人類胚胎中來執行最嚴格的多能性測試，因此絕對關鍵的是要確保人類iPSC滿足多能性的所有其他標準。這些標準包括完全沉默用於傳遞重程式設計基因的潛在有害病毒。例如，山中伸彌的團隊成員發現，他們透過將iPSC注射到發育中的小鼠胚胎中而產生的小鼠中，有三分之一後來由於殘留的逆轉錄病毒活性而形成了癌症。
使用逆轉錄病毒作為基因傳遞工具的主要問題之一是，這類病毒（艾滋病毒就是一個例子）直接整合到宿主細胞的DNA鏈中，成為其基因組的一部分。這種能力使新增的基因能夠永久存在並保持在宿主細胞中活躍，但根據病毒插入自身的位置，它可能會導致DNA損傷，從而引發細胞的癌變。因此，為了生產更安全的iPSC，許多實驗室已經開發出避免對細胞進行永久性基因操作的方法。
我的研究小組使用了一種改良型的腺病毒（通常會導致人類普通感冒）將四個重程式設計基因傳遞到小鼠細胞中，而沒有整合到細胞基因組中。腺病毒在細胞內僅持續很短的時間——剛好足以將它們轉化為iPSC。當我們將由此產生的多能細胞注射到小鼠胚胎中時，它們很容易被整合到發育中的動物體內，這些動物成年後都沒有腫瘤。這一發現，以及幾種生產無病毒iPSC的替代方法，應該消除未來有一天將iPSC直接應用於人類療法的主要障礙。
最終，研究人員希望在不使用任何型別病毒的情況下生產iPSC，而是透過簡單地將成年細胞暴露於模仿重程式設計基因效果的藥物組合中。斯克裡普斯研究所的丁勝、哈佛大學的道格拉斯·A·梅爾頓和其他人已經鑑定出可以替代四個重程式設計基因中每一個的化學物質，因為每種化學物質都會啟用細胞內部的分子相互作用途徑，而該途徑將被基因啟用。然而，當四種藥物一起嘗試時，它們被證明不足以製造多能細胞。不過，可能只是時間問題，研究人員就會找到正確的藥物混合物和濃度，以便在不使用病毒的情況下將身體細胞重程式設計為iPSC。
治癒細胞？
由於多能細胞能夠產生體內任何型別的組織，因此最能引起公眾想象的應用是使用iPSC來生產因疾病而受損的細胞和器官的替代部件：例如，帕金森病或脊髓損傷失去的神經元，或心臟病發作破壞的心臟組織。將來自此類移植的預期接受者的成年細胞轉化為多能細胞，然後誘導這些細胞進入所需組織的能力，意味著替代部件在基因和免疫學上與接受者的身體完全匹配。此外，易於獲得的皮膚細胞可用於生產任何種類的所需細胞，包括難以觸及的器官和組織中的細胞，例如大腦或胰腺。
這項技術還提供了在重新引入新細胞之前修復致病基因突變的可能性，這種方法已用於自然再生某些組織的成體幹細胞。然而，成功是有限的，因為這些前體細胞在體外生長和操作非常困難。
最近在小鼠身上進行的實驗表明，使用iPSC以這種方式治療遺傳疾病確實是可行的。具體而言，麻省理工學院的魯道夫·耶尼施在2007年表明，iPSC可以治癒動物的鐮狀細胞貧血症。該疾病是由單個基因突變引起的，該突變導致紅細胞呈現畸形的鐮刀狀。在這項概念驗證研究中，研究人員首先將小鼠的皮膚細胞重程式設計為iPSC。然後，他們用健康版本替換了iPSC中導致疾病的基因，並誘導“修復”後的iPSC成為造血幹細胞。移植回貧血小鼠後，健康的先驅細胞產生了正常的紅細胞。原則上，這種方法可以應用於人類已知的任何其他潛在基因突變疾病。
價值數百萬美元的問題是，iPSC可能需要多長時間才能用於治療人類。由於已經概述的原因，在任何iPSC衍生的細胞可以在人體中進行測試之前，安全性和控制性絕對是必不可少的。目前將胚胎幹細胞或iPSC推向完全分化的成熟細胞型別的策略，還不能有效消除可能引發腫瘤的偶爾出現的未成熟幹細胞。一個例子強調了為什麼這是一個如此大的問題，來自最近一項將iPSC衍生的多巴胺生成神經元（帕金森病患者失去的細胞）移植到患有人類疾病版本的大鼠身上的實驗。儘管大鼠顯然從移植的細胞中獲益，但一些動物最終也在大腦中形成了畸胎瘤。
然而，鑑於迄今為止發現的快速步伐，樂觀地估計，這些障礙可能在短短10年內被克服，並且iPSC衍生細胞的移植可能那時就可以開始人體測試，這並非不合理。但iPSC很可能更早地證明其治療價值。許多組織
-破壞性疾病，如1型糖尿病、阿爾茨海默病和帕金森病，受到科學家獲取受影響組織進行研究或在培養物中長期培養它們的能力的限制，因此iPSC可以在所謂的疾病建模中發揮巨大作用。
這個想法是從受影響患者的皮膚或血細胞中提取iPSC，然後將它們轉化為與患者疾病相關的細胞型別。威斯康星大學麥迪遜分校的克萊夫·N·斯文森和斯隆-凱特琳研究所的洛倫茨·斯圖德最近分別從患有毀滅性疾病平滑肌萎縮症和家族性自主神經功能障礙的患者細胞中提取了iPSC*。當iPSC被轉化為每種疾病中受影響的細胞型別時，培養的細胞重現了在患者身上看到的異常情況。
這個過程可以使研究人員在培養皿中研究疾病的發展，其優勢在於可以潛在地無限供應新細胞，因為原始iPSC可以無限期地維持。最終，學術科學家和製藥公司的目標是利用這些培養皿模型來更好地理解疾病過程，並識別治療疾病的新藥。
iPSC的這種極具前景的用途離我們並不遙遠。事實上，當斯文森和斯圖德在每項研究中將他們的細胞培養物暴露於實驗性藥物時，細胞中的疾病“症狀”得到了部分緩解。這一原理現在可以應用於許多其他尚無治療方法的疾病，而且與將細胞移植到個體不同，結果可能是開發出數百萬人可以從中受益的藥物。
挑戰與希望
儘管iPSC顯然規避了圍繞胚胎細胞的一些倫理和法律爭議，但對其多能性的理解或控制尚未完全實現，因此胚胎幹細胞仍然是任何多能細胞型別的黃金標準。
重要的未解答問題包括，將身體細胞轉化為iPSC以及將iPSC轉化為治療相關的細胞型別是否能夠變得足夠高效以供廣泛使用的實際問題。尚未解決的問題還包括，iPSC是否保留了它們所來源的身體細胞型別的任何記憶，這一因素可能會限制它們轉化為任何其他型別細胞的能力。我們對成熟細胞轉化為多能細胞的機制有了一些瞭解，但重程式設計過程——僅有少數基因如何設法將成熟細胞的整個程式重新連線到胚胎細胞的程式——仍然在很大程度上是一個黑匣子。
解決這些問題將需要繼續使用胚胎細胞作為參考點，並將確定胚胎幹細胞對於某些型別的應用是否更有效，而iPSC對於其他型別的應用是否更有效。此外，作為真正的多能細胞，iPSC可能會引發與對胚胎細胞的擔憂類似的倫理問題，因為至少在理論上，iPSC可以用於產生人類胚胎。
儘管如此，從科學的角度來看，近年來細胞重程式設計領域的進展確實令人震驚。克隆技術的進步，以及最近的發現
iPSC，已經駁斥了細胞一旦分化，其身份就不可逆轉地鎖定的舊教條。這兩種技術至少提出了以下可能性：僅僅透過操縱幾個基因開關，就可以將身體細胞的身份從一種組織型別重程式設計為任何其他組織型別的身份。理解這種重新連線在機制層面上是如何工作的，將使研究人員在未來幾年內保持活力和忙碌。
只有時間才能揭示iPSC或相關技術是否真的會成為現代青春之泉。我個人認為它們很有可能成為。當然，iPSC將繼續影響許多毀滅性疾病的研究和治療方法，並有可能像疫苗和抗生素在20世紀所做的那樣，深刻地革新21世紀的醫學。
*勘誤：這句話錯誤地提到了“平滑肌萎縮症”。該疾病的正確術語是“脊髓性肌萎縮症”。