萨斯喀彻温大学的神经外科医生伊瓦尔·门德斯经常播放一段视频片段，以展示他治疗帕金森病的工作。视频中是一位中年男子，并配有字幕：“停止用药”。该男子面部表情呆滞，这是帕金森病的典型特征。当被要求抬起双手并张开和合拢手指时，他几乎无法做到。他尝试不用手从椅子上站起来，但失败了。他走路时，步态缓慢、拖沓，这是帕金森病的另一个标志，这是一种进行性神经系统疾病，据估计影响了美国一百万人，其中大多数年龄超过 60 岁。
然后视频时间快进。还是同一个人出现，仍然停止用药。现在是门德斯将胎儿多巴胺细胞移植到患者大脑后的第八年。这些神经元位于中脑区域，称为黑质，分泌神经递质多巴胺以启动运动，它们是在帕金森病中逐渐死亡的神经元。这个人变老了，但他的精力和举止却像一个年轻得多的人。当被要求做同样的任务时，他流畅地高举手臂，快速地张开和合拢手指。他双臂交叉在胸前，轻松地从椅子上站起来。然后他昂首阔步地走过大厅。
自从 25 年前，在瑞典隆德大学医院的临床试验中，最初的几位患者接受移植以来，使用基于细胞的疗法治疗帕金森病的希望一再升起又破灭。干细胞是一种具有巨大潜力的生物原材料，因为它们可以通过无限分裂和产生特化细胞的能力来生成新细胞。然后，这些细胞可用于修复帕金森病等退行性疾病造成的脑损伤。然而，干细胞一直很难获得。到目前为止，移植到人体内的细胞都来自流产的胎儿组织，尽管科学家们也已将来自人类胚胎和成人皮肤细胞的干细胞移植到动物体内。棘手的政治和伦理问题限制了胎儿细胞和胚胎干细胞的获取，而胎儿细胞尤其短缺。2001 年和 2003 年发表的两项使用胎儿组织的大型临床试验被认为是失败的，因为它们的结果差异很大；没有足够多的患者在研究终点时得到改善，而且一些患者出现了严重的副作用。许多科学家放弃了细胞疗法。
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但少数实验室坚持了下来。现在，新的证据表明移植可以很好地发挥作用，就像门德斯患者的情况一样，并且可能出现没有伦理问题的新细胞来源，这重新燃起了乐观情绪。今年，剑桥大学的神经学家罗杰·A·巴克计划领导十年来首次针对帕金森病的细胞疗法大型临床试验。“我们已经突破了旧的障碍，”哈佛大学的细胞生物学家奥勒·伊萨克森说。
这种势头很可能也会推动其他疾病的细胞疗法。研究人员正在尝试将该技术应用于十多种疾病，包括糖尿病、脊髓损伤和几种癌症[参见第 81 页的“干细胞维修店”]。除了帕金森病，视网膜疾病也取得了最显著的进展。正在进行临床试验，使用视网膜色素上皮细胞治疗黄斑变性。根据加州再生医学研究所的说法，理论上没有哪种疾病不能应用干细胞疗法。在每种情况下，需求都取决于科学家希望替换的特定类型细胞的生成难度。
伊萨克森说，帕金森病的进展尤其令人鼓舞，因为“它更容易解决”。该疾病特有的使人衰弱的运动困难有一个相对直接的原因：多巴胺的丧失。研究人员能够很快地从干细胞中生成多巴胺神经元。细胞疗法通常可以恢复运动能力和功能——例如，改善患者的步态，并减少震颤——但并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、胃肠道问题和睡眠障碍。然而，在最好的情况下，患者可以通过一次干预获得 20 到 30 年的优质生活，并且几乎不需要药物。“你并没有治愈这种疾病，”巴克说，“但你已经改变了帕金森病的自然病程。”
递送多巴胺
手或其他肢体的轻微震颤通常是帕金森病的第一个迹象。震颤之后是肌肉僵硬、驼背以及詹姆斯·帕金森在 1817 年首次描述的独特的行走困难。运动困难与黑质中称为 A9 的多巴胺神经元的丧失有关，该神经元除其他外控制运动的启动。当第一次震颤出现时，患者已经失去了大约 70% 的 A9 神经元——伊萨克森说，这个阈值就像水位一样。他们撞到水面，开始在运动问题的洪流中沉没。
自 20 世纪 60 年代以来，帕金森病一直采用药物治疗，以替代大脑中缺失的多巴胺。左旋多巴是一种多巴胺前体，这种小分子剂量可以穿过血脑屏障并进入脑细胞，脑细胞将左旋多巴转化为多巴胺并释放出来。其他药物，称为多巴胺激动剂，在没有神经递质的情况下刺激多巴胺受体，从而模拟其作用。这些药物可以改善帕金森病症状，但它们的益处会随着时间的推移而减弱，并且它们会带来副作用，例如活动和不动期交替以及出现额外的抽搐动作。
在 20 世纪 90 年代，临床医生开发了一种替代疗法，称为深部脑刺激 (DBS)，即手术植入电极，将电脉冲传递到大脑特定区域，直接改变神经元活动。这种治疗方法效果很好。例如，在加利福尼亚大学旧金山分校医疗中心，45% 到 70% 接受 DBS 治疗帕金森病的患者病情有所改善。然而，随着时间的推移，患者又开始衰退，因为电极刺激不再能够弥补多巴胺的持续丧失。相比之下，基于细胞的疗法旨在直接恢复疾病过程中丧失的细胞。
早期的大型细胞疗法临床试验存在多重问题。例如，现在看来，一些选择的患者年龄太大，疾病进展太晚，无法获得良好的效果。外科医生没有注入含有单一类型细胞的物质，而是移植了组织块，其中包括引发免疫反应的其他物质。每个团队的手术程序本身也各不相同。此外，研究的终点时间太短——没有一项超过两年——移植细胞无法充分发挥作用。
在接受帕金森病细胞疗法的患者中，门德斯团队移植的患者效果最好。门德斯在 20 世纪 90 年代后期开始将胎儿细胞移植到患者体内，当时他在新斯科舍省的达尔豪西大学工作。他改进了细胞的制备方法，通过处理细胞以促进生长，并创建纯细胞悬液而不是移植组织块。门德斯使用他开发的计算机化注射器来标准化该过程，瞄准了两个大脑区域而不是一个——多巴胺细胞自然产生的黑质，以及它们的轴突需要到达的壳核。他的所有 10 名患者在衡量疾病进程的标准帕金森病评定量表上都得到了显著改善。在 2008 年发表的对五名患者的单独尸检分析中，门德斯和伊萨克森（他们已经合作了大约 10 年）发现，移植的神经元存活下来，并且长达 14 年没有退化迹象。“方法很重要，”门德斯说。“我们现在拥有所有的经验、技术和仪器，能够安全地将这些细胞植入人脑。”
新型细胞
最大的剩余挑战是获得足够多的有活力的干细胞。迄今为止植入的胎儿细胞是从六到九周大的流产胎儿的中脑中收获的。这种干细胞已经分化成多巴胺神经元，但移植后仍保留着产生更多新神经元的能力。不过，门德斯承认，胎儿细胞“不是答案”。撇开政治不谈，永远不会有足够的胎儿细胞来满足所有需要它们的患者的需求。
1998 年，当威斯康星大学麦迪逊分校的细胞生物学家詹姆斯·A·汤姆森和他的同事们首次获得胚胎干细胞系时，另一种可能性出现了。他们正在研究人类胚胎的囊胚，这是一个短暂的早期发育阶段，此时细胞球包含一个由 20 到 30 个细胞组成的内部细胞团，这些细胞能够发育成体内 200 多种成人细胞中的任何一种。与已经开始分化过程的胎儿组织细胞不同，这些所谓的全能干细胞具有产生体内任何类型组织的潜力。
汤姆森的团队移除了这些细胞，并在实验室中培育它们，使它们分裂。结果是无限可再生的实验室维护的干细胞来源——细胞系——这将不需要进一步的新胚胎。伦理问题仍然因最初使用胚胎而变得复杂，但突然之间，大规模的基于细胞的疗法似乎变得可行。挑战在于诱导这些胚胎干细胞发育成治疗疾病所需的特定细胞——帕金森病的多巴胺神经元，或糖尿病的胰岛素生成细胞。
同样在 1998 年，伊萨克森的研究小组报告说，他们已经在小鼠身上做到了这一点。研究人员从小鼠囊胚中分化出 A9 神经元。当他们将这些 A9 细胞注射到小鼠大脑中时，他们发现这些细胞存活下来，并与大脑中的其他神经元形成连接。2002 年，伊萨克森的研究小组表明，相同的程序恢复了患有药物诱导型帕金森病的大鼠的运动能力。其他几个研究小组在啮齿动物身上也取得了类似的恢复。研究人员立即尝试从人类胚胎干细胞中创建 A9 神经元——但这一步被证明更加困难。“近 10 年来，这在很大程度上是失败的，”纪念斯隆-凯特琳癌症中心的细胞生物学家洛伦茨·斯图德说。“我们本以为这些细胞会表现良好，但它们没有。”
2007 年，日本京都大学的生物学家山中伸弥的研究小组找到了一种从成人自身组织中创建干细胞的方法，从而取得了替代方法的突破。山中伸弥的研究小组从成年小鼠皮肤细胞开始，对细胞进行生化“重编程”，使其回到类似于胚胎干细胞的状态，然后可以将其用作衍生出完全不同类型的体细胞（如神经元）的基础。
本质上，山中伸弥的研究小组找到了一种从成人皮肤细胞中创造无限量干细胞供应的方法，从而避开了围绕胚胎研究的政治和伦理问题。这项成就为山中伸弥赢得了 2012 年诺贝尔生理学或医学奖。此外，如果这些被称为诱导多能干细胞的细胞始终来源于接受治疗的个体患者，那么免疫排斥的巨大风险将消失。“他们解决了一个非常大的问题，”美国国立卫生研究院再生医学中心前主任、现任纽约干细胞基金会再生医学副总裁马亨德拉·拉奥说。
新近变得灵活的猴子
在山中伸弥发现一年后，伊萨克森的研究小组表明，它可以从这种重编程的成人啮齿动物细胞中创建 A9 多巴胺神经元。科学家们很快开始将新细胞放入患有帕金森病迹象的小鼠和大鼠体内，并在 2008 年报告了功能的改善。然后他们转向非人类灵长类动物。伊萨克森的研究小组与一只患有药物诱导型帕金森病的猴子合作，采集了猴子的皮肤细胞，将其恢复到胚胎状态，然后将其分化成多巴胺神经元，并放入猴子的大脑中。他们对这只猴子进行了两年的监测。在 2013 年底的会议上展示的结果中，他们表明，根据正电子发射断层扫描 (PET) 扫描，移植的多巴胺神经元存活并生长。移植后约八个月，猴子的运动障碍停止了。尸检分析表明，新的神经元与移植区域整个大脑区域的其他神经元建立了连接。
同年，另外两个研究小组也报告了成人来源的干细胞和猴子的成功案例，包括威斯康星大学麦迪逊分校的细胞生物学家张苏春的实验室以及山中伸弥和他的同事高桥淳。“所有三个小组现在都非常明确地证明，移植体可以存活，可以分化成正确类型的细胞，然后可以结构性地整合到大脑中，”张说。
伊萨克森的猴子是唯一一只被观察了较长时间（两年）并显示出功能恢复的猴子。研究人员正在进行更多猴子的长期研究，以令人信服地证明安全性和有效性。门德斯和伊萨克森说，临床试验可能会随之而来，可能在几年内进行，他们确信这些成人来源的细胞是未来。
其他人仍然押注胚胎干细胞。2011 年和 2012 年，斯图德的实验室和隆德大学的神经生物学家马林·帕尔马尔的实验室成功地将人类胚胎干细胞分化成多巴胺神经元。当移植到患有帕金森病症状的小鼠、大鼠或猴子体内时，这些细胞存活下来并导致功能恢复。2014 年末，帕尔马尔报告创造了更好的 A9 神经元。经过更严格的测试，它们的功能与胎儿细胞一样好，生长轴突的距离相同，靶向正确的区域，并恢复大鼠的运动功能。“我们希望它们在大约三年内准备好进行临床试验，”帕尔马尔说。
斯图德也很乐观。他最近获得了 1500 万美元的资助，用于完善他的技术并根据 GMP（良好生产规范）指南生成细胞系。“现在我们有了一个协议，这让我们敢说我们可能真的准备好了，”斯图德说。在并行进行大规模细胞批次生产工作的同时，他计划开始为临床试验招募患者，这很可能是第一个使用胚胎干细胞的临床试验。
位于加利福尼亚州卡尔斯巴德的国际干细胞公司的科学家们采取了不同的方法。2014 年末，他们报告说，成功地从化学诱导未受精卵发育（就像受精一样）的卵子中创造出安全有效的多巴胺神经元，这个过程称为孤雌生殖，避免了使用胚胎。该公司正在寻求监管部门的批准，以便在 2015 年初开始对其人类孤雌生殖神经干细胞进行临床试验。
坚持使用胚胎干细胞的一个原因是监管。“这都是新的领域，”剑桥大学的巴克说。“细胞不是药物，也不是设备。它们是什么？”迄今为止，干细胞一直按细胞系进行监管——一组在实验室中培养并被认为是安全的可再生细胞。如果为个体患者生产干细胞——充分利用最新技术的潜力——并且仍然需要遵循与现有干细胞系相同的批准流程，那么这种疗法的成本将高得令人望而却步。一种解决方案是批准通用的诱导干细胞流程，而不是单独的细胞系。另一种解决方案是创建多达 500 个受监管的成人组织来源的干细胞系库，这可以牺牲一些免疫反应益处，伊萨克森说，这可以在基因上与 75% 到 90% 的人口相匹配。
革命性疗法
在他们即将进行的试验中，巴克和他的合作团队将把胎儿多巴胺神经元植入欧洲 20 名患者的大脑中，并跟踪 130 名帕金森病自然进展的其他患者。从过去的手术错误中吸取教训，科学家们收紧了患者的选择，改进了组织制备和放置，并重新思考了多中心试验的持续时间和随访。跨欧洲研究旨在提供细胞疗法可以持续修复大脑的原则证明，巴克说。“重要的是这个过程，我们将其视为下一代基于细胞的疗法的垫脚石。”
尽管理论上具有优越性，但用新的多巴胺细胞填充大脑，目前还不明显比现有疗法（如 DBS，它可以更快地见效）更好。此外，其他正在开发的疗法可能被证明是可行的。例如，在 2014 年初，伦敦帝国学院的研究人员报告了帕金森病患者的首次基因疗法试验的喜人结果。在这种疗法中，医生将多巴胺生成酶的基因插入纹状体，纹状体是中脑的一部分，有助于运动控制。
然而，许多研究人员认为，帕金森病干细胞疗法生产和验证方面的剩余障碍是可以清除的。拉奥在他的 NIH 任职期间负责监管再生医学领域的所有工作，他认为迄今为止的进展令人鼓舞。“这些可能是革命性疗法的第一步，”他说。