2007年6月26日，哥伦比亚大学临床遗传学主任温迪·钟驱车前往纽约市皇后区，向一个命运多舛的家庭中的克罗地亚女族长提出了一个委婉的请求。她询问这两位姐妹，一位82岁，另一位89岁，她们是否愿意捐献一些皮肤细胞，用于一项雄心勃勃、高度不确定的实验，如果成功，将有望获得双重回报。一是可能会加速寻找治疗她们家族遗传的不治之症的方法。二是可能会为干细胞建立一种有价值的新用途：未分化的细胞能够产生体内许多不同类型的细胞。“我们吃了一顿非常愉快的午餐，然后真的回到房子里进行了活组织检查，”钟回忆道。据82岁妇女的女儿回忆，当她们围坐在餐桌旁时，这两位年长的姐妹“非常乐意伸出胳膊”。妹妹告诉钟：“我明白了。开始吧。”
姐妹俩都患有肌萎缩侧索硬化症 (ALS)，这是一种退行性和缓慢麻痹神经的疾病，也被称为卢伽雷氏病，以1939年被告知患有该病并在两年后去世的扬基队重击手卢·伽雷格的名字命名。89岁的老人几乎没有疾病的迹象，而她82岁的妹妹走路和吞咽都有困难。
尽管大多数 ALS 病例并非遗传性，但这种疾病已经侵袭了这个特殊家族的多个成员。受影响的成员遗传了一种突变，这种突变与一种比侵袭大多数其他患者的疾病进展更慢的疾病有关。钟一直在追踪这种疾病在欧洲和美国几代人中的传播。“卢伽雷氏病不是一种体面的死亡方式，”她说。“每次家庭成员在葬礼上聚会时，年轻一代的人都会环顾四周，问‘下一个会是我吗？’”
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钟只用了几分钟就完成了实际的“穿刺活检”——从手臂内侧快速捏取了两小块直径为三毫米的肉。最终，这两姐妹的细胞，以及来自数十名其他 ALS 患者和健康志愿者的皮肤样本（他们也捐赠了少量组织），被化学诱导成为一种称为诱导多能干细胞的干细胞，然后被重新编程成为神经细胞。具体来说，它们被诱导成为运动神经元，即直接或间接控制身体肌肉并受到 ALS 不利影响的神经细胞。由此产生的组织培养物表现出与人类捐赠者体内导致 ALS 的相同的分子缺陷。换句话说，研究人员在很大程度上，在一个培养皿中重建了这种疾病。
有了这些细胞，他们就可以开始研究 ALS 患者的神经细胞究竟出了什么问题，并可以开始筛选潜在药物，以观察其对患病细胞的有效作用。干细胞的这种用途是新的，并且与迄今为止在将干细胞用作疗法的努力中令人失望的缓慢进展形成对比。如果成功，“培养皿中的疾病”概念可以加快研究人员对许多不同疾病的理解，并导致更快、更有效地筛选潜在的药物疗法，因为科学家可以在这些定制培养物中测试潜在药物的治疗效果和毒性。除了 ALS 研究工作外，诱导干细胞目前正被实验性地用于模拟数十种疾病，包括镰状细胞贫血症、许多其他血液疾病和帕金森病。例如，德国的研究人员已经创造出心肌细胞，这些细胞会不规则地跳动，模仿各种心律失常。长期以来对干细胞科学作为商业企业持谨慎态度的制药公司，正开始表现出更大的兴趣，因为“培养皿中的疾病”方法补充了工业药物发现的传统优势。
ALS 实验的第一个成果于 2008 年发表。与大多数创新案例一样，成功不仅取决于想法的合理性，还取决于追求想法的合适人选。在这种情况下，除了钟之外，演员阵容还包括李·L·鲁宾，一位来自生物技术行业的难民，他成为了哈佛干细胞研究所转化医学负责人，以及凯文·C·埃根，一位来自哈佛大学不知疲倦的年轻干细胞科学家，他正在与哥伦比亚大学的克里斯托弗·E·亨德森和其他运动神经元专家合作。
干细胞的新作用
这些研究中使用的干细胞不应与胚胎干细胞（从早期胚胎中提取的那种）混淆。十几年前，詹姆斯·A·汤姆森和他在威斯康星大学麦迪逊分校的同事发布消息，称他们首次在实验室中创造了人类胚胎干细胞，震惊了世界。这些原始细胞具有生物耐久性，可以永久自我更新，并且具有多功能性，可以转化为体内任何细胞类型。利用干细胞为从帕金森病到糖尿病的一切疾病创造定制移植的可能性，让医生、研究人员、广大公众，尤其是患有不治之症的患者感到兴奋。
但有两个残酷的现实在等待着。首先，关于干细胞科学伦理的激烈公众辩论使科学政治化并减缓了研究；这项技术引发了道德问题，因为必须破坏人类胚胎才能收获胚胎干细胞。这场辩论最终在乔治·W·布什总统于 2001 年 8 月宣布美国国立卫生研究院将限制对仅使用少数现有胚胎干细胞系的研究提供资助而达到高潮，这实际上阻碍了额外干细胞（包括疾病特异性细胞系）的产生。作为回应，哈佛大学、哥伦比亚大学和斯坦福大学的著名研究小组，以及 ALS 项目和纽约干细胞基金会等患者权益倡导团体，创建了独立的“非总统”实验室，以利用私人资金进行研究。2009 年，奥巴马政府放宽了管理干细胞研究的规则，但 2010 年的一项联邦法院裁决再次禁止美国国立卫生研究院提供资助，使该领域陷入科学不确定性和资金混乱之中。
第二个问题是科学问题。正如 ALS 项目的科学主任瓦莱丽·埃斯特斯回忆的那样，当时人们疯狂地尝试验证这样一种观点，即源自干细胞的特化细胞可以简单地移植到病人（或动物）体内，作为细胞疗法来治愈多种疾病。“最大的梦想，”她解释说，“是从干细胞中提取运动神经元，然后将它们放入大脑或脊髓中，患者就会直接起身开始跳华图西舞。”但事实并非如此，在反复的动物实验中。“从始至终，”埃斯特斯说，“这些实验都失败了。”
2002 年，托马斯·M·杰塞尔、海内克·维希特尔及其在哥伦比亚大学的团队在《细胞》杂志上发表了一篇具有里程碑意义的论文，详细阐述了引导胚胎干细胞沿着生物途径形成运动神经元的成分和程序。鲁宾是一位研究人员，他从这项工作中看到了干细胞在另一种用途上的希望。鲁宾精力充沛且热情洋溢，曾接受过神经科学方面的培训，并在马萨诸塞州一家名为 Curis 的生物技术公司担任研究员和首席科学官。他意识到，在培养皿中创造一种疾病提供了一种革命性的药物发现方法。与许多学术科学家不同，他对药物发现有所了解。在他之前在生物技术公司工作期间，他研究了一种最终成为价值数十亿美元的多发性硬化症药物泰沙百利的分子。
在听到杰塞尔和维希特尔的研究结果后，鲁宾起草了一份关于新型干细胞研究所的商业计划，“该研究所的重点，”他说，“不是细胞疗法（所有干细胞生物学家都对此感兴趣），而是利用干细胞来发现药物。”当时，风险资本家不想与这个想法有任何瓜葛。因此，鲁宾在 Curis 延续了这个想法，研究脊髓性肌萎缩症，这是一种儿童运动神经元疾病，其病理学与 ALS 相似。当 Curis 决定在 2006 年放弃该项目时，他辞去了生物技术公司的工作，转到哈佛干细胞研究所继续研究“培养皿中的疾病”的想法。
此后不久，一位名叫山中伸弥的日本生物学家公开了一项技术，该技术最终将彻底改变干细胞生物学和干细胞政治。在 2006 年 3 月在加拿大不列颠哥伦比亚省惠斯勒举行的科学会议上，这位京都大学的科学家描述了一种程序，生物学家可以通过该程序获取普通的成年哺乳动物细胞并对其进行“重新编程”。本质上，山中伸弥在不需要使用或破坏胚胎的情况下，生化地将成年细胞重置为类似胚胎或干细胞的状态。他将这些细胞称为“诱导多能干细胞”，或 iPS 细胞。一年后，山中伸弥和威斯康星大学的汤姆森分别报告说，他们已经从人体组织中创造了 iPS 细胞[参见康拉德·霍赫林格的“你内在的治疗者”；《大众科学》，2010 年 5 月]。
那天在惠斯勒的观众席上，有一位名叫埃根的人，他是哈佛大学的细胞重新编程专家。事实上，他已经开始了自己版本的“培养皿中的疾病”想法，启动了几个项目，旨在获取成年细胞并生化地诱导其恢复到类似胚胎的状态，使其复制，并从由此产生的菌落中收获干细胞。然而，他试图通过应用与克隆多莉羊相同的克隆技术，以“老式”方式制造类似胚胎的细胞。埃根会从成年细胞（如皮肤细胞）中取出细胞核，并将其植入到已去除自身细胞核的未受精卵中。然而，克隆效率极低，而且如果您计划对人类细胞进行重新编程，克隆也极具争议性——尤其因为您必须找到愿意捐献卵细胞用于该程序的女性。
然而，利用山中伸弥的方法，埃根和他的团队最终在 2007 年夏天在人体细胞的试运行中成功地完成了 iPS 技术。其他一切都已就绪，可以尝试“培养皿中的疾病”概念。例如，钟和她在哥伦比亚大学的同事收集了来自两位克罗地亚姐妹和其他 ALS 患者的细胞，预计这些细胞将用于埃根的克隆实验。在私人资助下，ALS 项目在哥伦比亚大学附近创建了一个特殊实验室，研究人员几个月来一直在那里储存来自患者（包括年迈的姐妹）的细胞系。突然间，iPS 方法提供了更好的成功机会。“我们已经开始收集人类皮肤细胞，并且心中有一个非常不同的实验，这完全是天意，”ALS 项目的埃斯特斯说。
在所有第一批 ALS 细胞系中，最引人注目的是来自较年轻、病情较重的克罗地亚姐妹的细胞系，被标识为患者 A29。两位姐妹的皮肤细胞都成功地被重新编程为神经细胞，但患者 A29 的年龄和疾病程度表明，iPS 技术可用于创造反映严重终身疾病的细胞。“我们选择这些样本是因为这些样本来自我们研究中年龄最大的人，”埃根说。“我们想证明，即使来自一位非常、非常、非常、非常年老且患病多年的患者，您也可以对细胞进行重新编程。她们是一个特殊的案例。”
研究结果发表在 2008 年 8 月 29 日的《科学》杂志上，并在新闻界被誉为科学里程碑。“利用干细胞在培养皿中创造疾病”的想法有望实验性地获得原本难以或不可能获得的细胞——ALS 和脊髓性肌萎缩症特有的运动神经元、许多神经退行性疾病中的脑细胞以及青少年糖尿病典型的胰腺细胞。
定制干细胞
在过去的两年里，哥伦比亚大学-哈佛大学的合作已经产生了至少 30 种 ALS 特异性人类细胞系，而且还在不断增加。这些细胞系中的许多细胞系捕获了在患有异常严重 ALS 病例的人身上发现的独特突变。更重要的是，“培养皿中的疾病”方法正开始发挥其潜力，为运动神经元疾病的性质提供见解。例如，利用来自两位姐妹的细胞，研究人员已经确定了似乎参与运动神经元死亡的分子途径，当这些细胞被另一类称为星形胶质细胞的神经元毒害时，就会发生运动神经元死亡。通过将运动神经元和星形胶质细胞都放在培养皿中，科学家们现在正在寻找潜在的治疗化合物，这些化合物可以阻断星形胶质细胞的毒性活动或增强运动神经元的存活。
例如，在 2010 年 1 月，ALS 项目实验室的研究人员开始对来自人类 ALS 运动神经元的约 2,000 种化合物进行初步筛选，以观察是否有任何分子可以延长含有突变 ALS 基因的神经细胞的存活时间。这项初步的试点计划反映了一种新颖的药物筛选方法：ALS 研究人员首先测试了已经获得美国食品和药物管理局批准用于其他疾病的化合物。希望研究人员能够幸运地找到一种已经在人体中测试并证明安全的分子，可以迅速将其重新用于运动神经元疾病。在哈佛大学进行的一项并行研究中，鲁宾已经确定了近二十几种与新确定的途径之一相互作用并增强运动神经元存活的小分子。脊髓性肌萎缩症基金会目前正在脊髓性肌萎缩症动物模型中测试其中一种分子。
也许同样能说明 iPS 细胞为药物发现提供了一种有希望的方法的指标是，鲁宾不再撞制药公司的大门了。自从哥伦比亚大学和哈佛大学的研究人员在 2008 年夏天与患者 A29 一起确立了“培养皿中的疾病”原则（即可以产生具有患病者遗传组成的神经元）以来，制药公司一直在敲鲁宾的门。在不透露具体公司名称以保护机密性的情况下，他说，“我想说，在主要的制药公司中，所有公司现在都对这种方法产生了兴趣。”这种兴奋情绪已经蔓延到生物技术领域：运动神经元“培养皿中的疾病”故事中的许多研究人员，包括埃根和鲁宾，都参与了一家总部位于加利福尼亚州的生物技术公司 iPierian，该公司是包括 Cellular Dynamics International 和 Fate Therapeutics 在内的几家初创公司之一，这些公司正在将 iPS 技术应用于药物发现。
与此同时，越来越多的干细胞研究人员正在追求“培养皿中的疾病”概念。在 2008 年 ALS 出版物发表后不久，哈佛干细胞研究所的另一个研究小组报告说，他们利用 iPS 技术从青少年糖尿病、帕金森病和其他疾病患者身上创造了“培养皿中的疾病”细胞。2008 年底，威斯康星大学由克莱夫·N·斯文森（此后已移居洛杉矶雪松西奈医疗中心）领导的研究人员在一个培养皿中创造了来自脊髓性肌萎缩症患者的运动神经元。
当我询问哥伦比亚大学和哈佛大学的研究人员，两位克罗地亚姐妹是否知道她们捐赠的细胞所产生的研究时，起初似乎没有人知道。但我最终了解到，根据患者 A29 的女儿（她同意匿名发言）的说法，这两位姐妹仍然健在。姐姐现在 93 岁，基本上没有 ALS 的症状；事实上，根据她侄女的说法，她仍然“独自生活，到处走动、购物、做饭、扫地和打扫卫生”。妹妹，患者 A29，去年 6 月满 85 岁；尽管患有 ALS，但她仍然可以“缓慢而虚弱地”移动，并且“感激”有机会提供帮助。
尽管如此，这个家庭的残酷负担似乎从未远离，并突显了那些可能从新的干细胞药物发现方法中受益的人的紧迫感。“我还相对年轻，”患者 A29 的女儿说，她自己在 2002 年被诊断出患有 ALS。“我们担心随着世代的推移，疾病的发病会越来越早。我们感觉有点像”——她说话时停顿了一下，以整理自己和她不可避免的 Grim Thoughts——“这是一场与时间的赛跑。我自己有一个十几岁的女儿，这让我感到非常沉重。”