我记得在2006年冬天的一个早晨，当我透过实验室的显微镜观察时，看到一团看起来就像胚胎干细胞的细胞群，我感到非常兴奋。它们聚集在一小堆，在培养皿中分裂了近三个星期。它们闪烁着与胚胎细胞“多能性”相同的彩色荧光标记——科学家们将其视为胚胎细胞多能性的一个标志，即它能够产生生物体内任何类型的组织。但我看到的这些细胞并非来自任何胚胎：它们是普通的成年小鼠细胞，似乎通过添加简单的基因混合物而恢复了活力。
将任何哺乳动物细胞的内部时钟拨回到胚胎状态真的如此容易吗？当时，并非只有我一个人在疑惑。京都大学的山中伸弥及其同事刚刚在2006年8月发表了一项开创性研究，揭示了他们从老鼠皮肤细胞中创造出他们称之为诱导多能干细胞（iPSC）的配方。多年来，研究人员一直努力理解和控制胚胎干细胞在医学和研究中产生定制组织的巨大潜力——同时还要应对关于胚胎使用的政治和伦理争议、科学挫折以及先前“突破”未能实现的虚假希望。因此，干细胞科学家最初对这个日本小组的结果感到惊讶，并有些怀疑。但在实验室的那个早晨，我可以亲眼看到遵循山中伸弥配方的结果。
其他科学家也能够重现他的成就，并且在过去几年中，制造和测试iPSC的改进技术迅速出现。今天，全球数千名科学家正在努力开发iPSC的潜力，以帮助理解和治疗迄今为止仍无法治愈的人类疾病，如1型糖尿病、阿尔茨海默病和帕金森病。仅仅通过传递一些特定基因就能改变细胞身份的可能性也改变了科学家对人类发育的看法。
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纵观历史，人们一直梦想找到青春之泉，以逃避衰老和疾病的后果，而将成年身体细胞恢复到胚胎状态的能力，无疑是迄今为止人类最接近这一幻想的尝试。当然，这项技术仍处于起步阶段。在任何人能够断言iPSC是否会改变医学实践，甚至它们是否真的能与更具争议的胚胎干细胞相媲美之前，还有许多重要问题必须解答。
原始力量
要理解iPSC的发现所激发的希望，必须回到胚胎的特殊之处。当前的iPSC研究在很大程度上依赖于过去30年中在胚胎细胞研究中开发的技术和概念，特别是多能性现象。哺乳动物的发育通常是单行道，细胞随着时间的推移逐渐变得更加专业化和更不通用，这个过程称为分化。只有在发育的早期短暂窗口期，胚胎内的所有细胞才具备成为人体220种细胞类型中任何一种的能力。提取这些细胞并在培养物中培养，就会产生胚胎干细胞。真正的胚胎干细胞无限期地维持其产生任何组织类型能力的能力，定义了“多能性”一词。
即使在晚期胚胎中，干细胞也已经专业化到只能产生特定细胞类型家族的程度，例如肌肉和骨骼中的细胞。这些细胞被认为是“多向分化潜能”的，但它们不再是多能的。在成年动物中，那些前体的残余物就是所谓的成体干细胞，它们补充组织内的成熟细胞。例如，血液干细胞不断再生12种不同的血液和免疫细胞类型，而皮肤干细胞则负责每隔几周再生我们的皮肤和毛发。
在哺乳动物中，正常情况下永远不会发生的事情是细胞去分化，即恢复到更原始的类型。实际上，这条规则的唯一例外是癌细胞，癌细胞可以变得比它们最初出现的组织分化程度更低。不幸的是，一些癌细胞也可以继续无限期地分裂，表现出与多能细胞相似的永生性。
直到最近，将正常成年细胞的发育时钟拨回来的唯一方法是通过精细的操作，诱骗它表现得像胚胎细胞一样，这个过程称为细胞重编程。实现重编程的最古老方法是体细胞核移植，或称“克隆”，这涉及将成年细胞的遗传物质注入到已去除自身DNA的卵细胞中。然后，这种DNA-卵子杂合体发育成早期胚胎，从中可以提取多能干细胞。
自从1997年多莉羊的克隆被公开，以及1998年首次分离出人类胚胎干细胞以来，核移植作为一种可能生产定制的多能干细胞以替换因损伤或疾病而受损的任何组织的手段，受到了相当大的关注。卵子内部尚未被充分理解的因素似乎确实可以使成年供体细胞的遗传物质恢复活力——甚至随着年龄增长而磨损的染色体末端保护帽端粒也被恢复到年轻状态。然而，尽管在动物方面取得了进展，但通过克隆产生人类胚胎干细胞的尝试仍然没有成功。
山中伸弥及其团队通过采取一种新颖的方法绕过了这个僵局，即在不使用卵子或胚胎的情况下，直接将成年细胞转化为多能细胞。他们没有将成年遗传物质引入卵子，而是推断，将通常仅在胚胎中活跃的基因引入成年细胞可能足以将该细胞重编程为类似胚胎的状态。他们的第一个壮举是鉴定出由二十几个不同基因组成的混合物，这些基因在多能细胞中开启，但在成年细胞中沉默。当使用逆转录病毒作为传递工具引入皮肤细胞时，这些基因几乎神奇地将皮肤细胞的身份重编程为多能细胞的身份。通过进一步的实验，山中伸弥随后发现，实际上只需要四个基因——Oct4、Sox2、Klf4 和 c-Myc——即可产生iPSC。
当包括我的实验室在内的几个独立实验室成功重现这些结果后，这个魔术般的技巧就变成了生物学事实。到目前为止，来自总共四种不同物种（小鼠、人类、大鼠和猴子）的大约十几种不同的成年细胞类型已被重编程为iPSC，而且肯定会有更多。iPSC的发现令干细胞研究人员感到非常兴奋，因为它们可以绕过克隆的技术复杂性，并避免与人类胚胎研究相关的大部分伦理和法律限制。然而，这种新的多能细胞类型并非没有自身的问题。质量控制和安全性是目前iPSC研究的主要重点，因为科学家们正在努力确定这些细胞的真实本质以及它们能够做什么。
身份危机
尽管iPSC集落在显微镜下可能看起来像胚胎干细胞，并且可能显示与多能细胞相关的分子标记，但其多能性的明确证据来自功能测试——这些细胞能否完成多能细胞根据定义所能完成的所有事情？即使是胚胎细胞集落也可能包含一些不能显示真正胚胎干细胞多能性的无效细胞，科学家们已经开发了一些常规测试来评估细胞的多能性。随着严格性的提高，这些测试包括：干细胞在培养皿中暴露于适当的发育信号时，产生多种身体细胞类型的能力；干细胞在注射到小鼠皮肤下时，产生畸胎瘤（一种包含来自所有胚胎组织谱系细胞的肿瘤）的能力；以及当注射到早期小鼠胚胎中时，有助于所有组织谱系（包括生殖细胞）在新生小鼠体内发育的能力。
尽管胚胎干细胞通常能通过所有这些测试，但许多iPSC却不能。对失败细胞的更仔细检查表明，用于将四个关键重编程基因传递到皮肤细胞中的病毒通常没有被正确关闭，并且细胞原始DNA中的重要基因没有被正确开启，导致细胞失去了皮肤细胞的身份，但没有获得多能身份。因此，这些部分重编程的细胞不符合真正多能细胞的资格。
正在进行的对通过所有多能性测试的iPSC的研究，旨在查明区分“好”iPSC和“坏”iPSC的差异。例如，Thorsten Schlaeger、George Daley及其在哈佛大学的同事最近在经历漫长（约三周）过程的皮肤细胞中，鉴定出一种基因活动模式，这些皮肤细胞正在将其身份转变为多能细胞的身份。这些细胞在转变过程中显示的荧光标记将它们与同一集落中最终不会成为iPSC的细胞区分开来，因此这种标记模式可以用作成功转化的早期指标。
由于科学家无法在伦理上通过将人类iPSC注射到人类胚胎中来执行最严格的多能性测试，因此绝对关键的是要确保人类iPSC满足多能性的所有其他标准。这些标准包括完全沉默用于传递重编程基因的潜在有害病毒。例如，山中伸弥的团队成员发现，他们通过将iPSC注射到发育中的小鼠胚胎中而产生的小鼠中，有三分之一后来由于残留的逆转录病毒活性而形成了癌症。
使用逆转录病毒作为基因传递工具的主要问题之一是，这类病毒（艾滋病毒就是一个例子）直接整合到宿主细胞的DNA链中，成为其基因组的一部分。这种能力使添加的基因能够永久存在并保持在宿主细胞中活跃，但根据病毒插入自身的位置，它可能会导致DNA损伤，从而引发细胞的癌变。因此，为了生产更安全的iPSC，许多实验室已经开发出避免对细胞进行永久性基因操作的方法。
我的研究小组使用了一种改良型的腺病毒（通常会导致人类普通感冒）将四个重编程基因传递到小鼠细胞中，而没有整合到细胞基因组中。腺病毒在细胞内仅持续很短的时间——刚好足以将它们转化为iPSC。当我们将由此产生的多能细胞注射到小鼠胚胎中时，它们很容易被整合到发育中的动物体内，这些动物成年后都没有肿瘤。这一发现，以及几种生产无病毒iPSC的替代方法，应该消除未来有一天将iPSC直接应用于人类疗法的主要障碍。
最终，研究人员希望在不使用任何类型病毒的情况下生产iPSC，而是通过简单地将成年细胞暴露于模仿重编程基因效果的药物组合中。斯克里普斯研究所的丁胜、哈佛大学的道格拉斯·A·梅尔顿和其他人已经鉴定出可以替代四个重编程基因中每一个的化学物质，因为每种化学物质都会激活细胞内部的分子相互作用途径，而该途径将被基因激活。然而，当四种药物一起尝试时，它们被证明不足以制造多能细胞。不过，可能只是时间问题，研究人员就会找到正确的药物混合物和浓度，以便在不使用病毒的情况下将身体细胞重编程为iPSC。
治愈细胞？
由于多能细胞能够产生体内任何类型的组织，因此最能引起公众想象的应用是使用iPSC来生产因疾病而受损的细胞和器官的替代部件：例如，帕金森病或脊髓损伤失去的神经元，或心脏病发作破坏的心脏组织。将来自此类移植的预期接受者的成年细胞转化为多能细胞，然后诱导这些细胞进入所需组织的能力，意味着替代部件在基因和免疫学上与接受者的身体完全匹配。此外，易于获得的皮肤细胞可用于生产任何种类的所需细胞，包括难以触及的器官和组织中的细胞，例如大脑或胰腺。
这项技术还提供了在重新引入新细胞之前修复致病基因突变的可能性，这种方法已用于自然再生某些组织的成体干细胞。然而，成功是有限的，因为这些前体细胞在体外生长和操作非常困难。
最近在小鼠身上进行的实验表明，使用iPSC以这种方式治疗遗传疾病确实是可行的。具体而言，麻省理工学院的鲁道夫·耶尼施在2007年表明，iPSC可以治愈动物的镰状细胞贫血症。该疾病是由单个基因突变引起的，该突变导致红细胞呈现畸形的镰刀状。在这项概念验证研究中，研究人员首先将小鼠的皮肤细胞重编程为iPSC。然后，他们用健康版本替换了iPSC中导致疾病的基因，并诱导“修复”后的iPSC成为造血干细胞。移植回贫血小鼠后，健康的先驱细胞产生了正常的红细胞。原则上，这种方法可以应用于人类已知的任何其他潜在基因突变疾病。
价值数百万美元的问题是，iPSC可能需要多长时间才能用于治疗人类。由于已经概述的原因，在任何iPSC衍生的细胞可以在人体中进行测试之前，安全性和控制性绝对是必不可少的。目前将胚胎干细胞或iPSC推向完全分化的成熟细胞类型的策略，还不能有效消除可能引发肿瘤的偶尔出现的未成熟干细胞。一个例子强调了为什么这是一个如此大的问题，来自最近一项将iPSC衍生的多巴胺生成神经元（帕金森病患者失去的细胞）移植到患有人类疾病版本的大鼠身上的实验。尽管大鼠显然从移植的细胞中获益，但一些动物最终也在大脑中形成了畸胎瘤。
然而，鉴于迄今为止发现的快速步伐，乐观地估计，这些障碍可能在短短10年内被克服，并且iPSC衍生细胞的移植可能那时就可以开始人体测试，这并非不合理。但iPSC很可能更早地证明其治疗价值。许多组织
-破坏性疾病，如1型糖尿病、阿尔茨海默病和帕金森病，受到科学家获取受影响组织进行研究或在培养物中长期培养它们的能力的限制，因此iPSC可以在所谓的疾病建模中发挥巨大作用。
这个想法是从受影响患者的皮肤或血细胞中提取iPSC，然后将它们转化为与患者疾病相关的细胞类型。威斯康星大学麦迪逊分校的克莱夫·N·斯文森和斯隆-凯特琳研究所的洛伦茨·斯图德最近分别从患有毁灭性疾病平滑肌萎缩症和家族性自主神经功能障碍的患者细胞中提取了iPSC*。当iPSC被转化为每种疾病中受影响的细胞类型时，培养的细胞重现了在患者身上看到的异常情况。
这个过程可以使研究人员在培养皿中研究疾病的发展，其优势在于可以潜在地无限供应新细胞，因为原始iPSC可以无限期地维持。最终，学术科学家和制药公司的目标是利用这些培养皿模型来更好地理解疾病过程，并识别治疗疾病的新药。
iPSC的这种极具前景的用途离我们并不遥远。事实上，当斯文森和斯图德在每项研究中将他们的细胞培养物暴露于实验性药物时，细胞中的疾病“症状”得到了部分缓解。这一原理现在可以应用于许多其他尚无治疗方法的疾病，而且与将细胞移植到个体不同，结果可能是开发出数百万人可以从中受益的药物。
挑战与希望
尽管iPSC显然规避了围绕胚胎细胞的一些伦理和法律争议，但对其多能性的理解或控制尚未完全实现，因此胚胎干细胞仍然是任何多能细胞类型的黄金标准。
重要的未解答问题包括，将身体细胞转化为iPSC以及将iPSC转化为治疗相关的细胞类型是否能够变得足够高效以供广泛使用的实际问题。尚未解决的问题还包括，iPSC是否保留了它们所来源的身体细胞类型的任何记忆，这一因素可能会限制它们转化为任何其他类型细胞的能力。我们对成熟细胞转化为多能细胞的机制有了一些了解，但重编程过程——仅有少数基因如何设法将成熟细胞的整个程序重新连接到胚胎细胞的程序——仍然在很大程度上是一个黑匣子。
解决这些问题将需要继续使用胚胎细胞作为参考点，并将确定胚胎干细胞对于某些类型的应用是否更有效，而iPSC对于其他类型的应用是否更有效。此外，作为真正的多能细胞，iPSC可能会引发与对胚胎细胞的担忧类似的伦理问题，因为至少在理论上，iPSC可以用于产生人类胚胎。
尽管如此，从科学的角度来看，近年来细胞重编程领域的进展确实令人震惊。克隆技术的进步，以及最近的发现
iPSC，已经驳斥了细胞一旦分化，其身份就不可逆转地锁定的旧教条。这两种技术至少提出了以下可能性：仅仅通过操纵几个基因开关，就可以将身体细胞的身份从一种组织类型重编程为任何其他组织类型的身份。理解这种重新连接在机制层面上是如何工作的，将使研究人员在未来几年内保持活力和忙碌。
只有时间才能揭示iPSC或相关技术是否真的会成为现代青春之泉。我个人认为它们很有可能成为。当然，iPSC将继续影响许多毁灭性疾病的研究和治疗方法，并有可能像疫苗和抗生素在20世纪所做的那样，深刻地革新21世纪的医学。
*勘误：这句话错误地提到了“平滑肌萎缩症”。该疾病的正确术语是“脊髓性肌萎缩症”。