培养皿中的病人：毒理学家拥抱干细胞

药物研究人员反复做着一个噩梦：他们花费数年和数十亿美元研发了一个新药，小心翼翼地通过临床前和临床试验，最终获得政府的许可，得以面向患者。突然，这种药物组分开始伤害那些本该获得帮助的人。一项新疗法的未来瞬间崩塌，他们又陷入了失去研究资助和诉讼的困境中。
“如果你回首过去的10到12年，这些事情都在不断地发生，每年都有一些药物顺利进入（市场），但却被迫召回或者大幅减少使用。”位于英国卡迪夫的GE Healthcare 公司生命科学部门首席科学家Stephen Minger说。
这一问题来源于毒理学分析的缺陷。在标准的药物获准过程中，研究人员在动物和相对少部分人群中检测药物的毒性。动物模型并不能准确地代表人类的生理机能，并且临床试验也很少能囊括体量足够的群体来鉴定罕见的特异体质的影响。
最理想的解决方案是将真正的人类组织和器官在实验室中培养，来模拟大量患者群体的生理机能，避免大规模临床试验所带来的成本和道德包袱。通过胚胎和最新的人类干细胞培养技术，毒理学家和细胞生物学家正在着手推动这项工作。
心脏技术
传统上而言，毒理学家能够检测永生化细胞系和原代组织培养中的组分。永生化细胞系是实验室内有效的肿瘤细胞，仅与机体中的细胞有一点相似。原代培养物可以更加逼真地代表组织的正常生理状态，但存活时间却无法满足延伸实验。
干细胞结合了这两种培养的优点，能够持续进行培养，并且能够诱导分化成各种实际的组织。大约5年前，Minger和同事开始探索这些特性，用于研发药物毒性的新分析方法。“我们将人类胚胎干细胞转变成大量的成人心肌细胞，并且我们和客户都可以完全对其进行预测。”Minger接着说，“至少在回顾性的分析中，我们能够在（美国）食品药品监督管理局的召回药中发现毒性成分，这之前（的传统分析中）却没发现一点毒性。”一些制药公司在研发过程中开始使用GE公司的Cytiva心肌细胞分析法来检测药物。
其它公司也开始研发基于干细胞的心肌毒性分析法。例如，位于美国威斯康辛州麦迪逊市的Cellular Dynamics 公司，提供了一种在诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem，iPS）中获得的iCell竞争性心肌细胞系。不同于胚胎干细胞，诱导性多能干细胞来源于成年志愿者。生长因子的组合将成人细胞变成了一种类似胚胎的状态，这样就能指导其分化成所有主要的组织类型。
对于想要自己研发干细胞分析法的研究人员来说，可选择的试剂非常多。如今，常规的实验室供应公司都提供干细胞培养基，法国巴黎的Cellectis公司和英属哥伦比亚温哥华市的Stem Cell Technologies公司等专业型公司也涉足这一领域。无论选择何种路径，分析法的研发人员都必须解决一些问题，才能研发出有效的毒理学工具。尽管很多将干细胞分化为特定组织的步骤都似乎够直接，得出的细胞却往往会处于非成熟状态，并且与部分分化的母细胞混在一起。
制药研究的分析也必须保持一致，这也是干细胞领域的一大主要挑战。“我们用于产生（干）细胞的大量试剂都众所周知的易变。”Minger说。为了解决这些问题，他的团队将心肌细胞分化的过程分成了单个步骤，然后分离和控制尽可能多的变异。结果形成了一条生产线，产生的培养物能够保证至少50%的细胞是成熟的心肌细胞。
药物与发展
基于干细胞固有的生物学特性，产生完全成熟的成人细胞未来仍有可能是一大挑战。“干细胞”实际是为了更好地形成胚胎，并为生命的最初尝试建造机体。”美国康涅狄格州格罗顿市辉瑞公司高级研究员Robert Chapin说。然而，对于研究发育毒性的Chapin和他的同事而言，干细胞衍生组织的不成熟性是一种特性而非缺陷。
实际上，对于确定组分是否对发育中的胎儿具有毒性来说，干细胞系统应该说是近乎理想的系统，特别是如果研究人员能将多个组织的生物学特性融入到单个培养物中。“其中一个（目标）是将来源于干细胞的多种细胞型放入3-D培养物中，这是因为这些细胞无法分开操作。”辉瑞公司高级首席科学家Donald Stedman说。
辉瑞公司目前已将自己基于鼠源干细胞的检测融入到其药物研发流程，检测发育毒性。监管部门十分依赖于小鼠和家兔的临床前数据，以预测药物对于人类的发育影响，而不是坚持对孕妇进行临床实验。对于小鼠胚胎有毒的药物是不会得到批准用于孕妇的，因此公司就想要清除可能在小鼠中失败的组分。
为了核实这一分析方法，Chapin的团队检测了之前在动物身上研究过的超过90种组分，这一团队发现，干细胞分析和真实的发育毒性结果存在近乎完美的一致性。“我们使用一种干细胞分析，帮助我们鉴定那些明确具有毒性、明显不需要再继续推进的组分，如果我们够幸运，通过这一方法检验一个未知的组分，并得到清晰的结果，那么就可以轻松给予它良好的健康证明书。”Chapin说。
这种极端的结果与其说是规则，不如说是例外。更普遍的是，调查者发现新的组分在一定剂量下表现出一定的毒性。“在实际情况下，我们最后需要做出判断，并且讨论概率。”Chapin解释说。
缺乏经验和概率性的干细胞分析结果推迟了它们的应用。“我得说，在制药商的群体中（基于干细胞的分析）有相当大的阻力，因为他们不确定（这种技术）正在告诉他们什么。”GE公司的Minger表示。例如，他接着说，“如果你看到一个组分在我们的（Cytiva）细胞上是有毒的，但在其它所有标准测试中都是无毒的，你该相信谁？”
干细胞分析的早期支持者确信，随着更多数据的出现，这些担忧会逐渐消退。研究人员也可能会因为干细胞分析的独特性能而改变想法，例如更直接地检测人类的发育毒性。“我希望在发育毒性方面，可以研发出使用人类胚胎干细胞进行预测的分析方法，那样我们就能判断出，比起我们使用的（动物）系统来说，这种方法具有更高或更低的价值。”Stedman说。
团队努力
在欧洲，使用干细胞替代动物检测也很风靡。2011年，欧盟委员会和一个化妆品制造商联盟联合资助了一个安全评价最终替代动物实验（Safety Evaluation Ultimately Replacing Animal Testing，SEURAT）的项目，这一项目包含了若干个大的研究计划，旨在制定化妆品和其它化学品的替代性安全检测。同时，欧洲当局也开始限制动物实验，最终于2013年3月通过了一项全欧洲的动物实验化妆品销售禁令。
在SEURAT的群体中，相关、高效和标准化的毒理学干细胞研究计划（Stem Cells for Relevant, Efficient, and Normalized Toxicology，SCR&Tox）完全聚焦于研发基于干细胞的毒性检测方法，共有五种组织类型：心脏、肝脏、肌肉、皮肤和神经。尽管SEURAT计划由化妆品公司资助，制药研究人员也会发现，许多SCR&Tox的检测方法也适用于他们。“SEURAT项目集群的目标是替代活体内重复剂量的毒性检测。”SCR&Tox的项目经理Vania Rosas说。
为此，SCR&Tox项目研究者一直致力于将诱导性多能干细胞（iPS）分化至项目所研究的5个成熟的组织类型。Rosas说，他们遇到了许多其他研究者具有的相同问题，尤其是干细胞即使经过分化后，仍然趋向于保持非成熟的特性。尽管如此，SCR&Tox研发的检测方法将很快找到它们的方式，以入主用于检测和确证的工业实验室，Rosas希望监管机构能够在几年内开始接受基于干细胞的化妆品毒性数据。
另一项大规模的欧洲研究计划StemBANCC也致力于提高毒理学分析中的干细胞使用。就在SCR&Tox的研究人员研发基于健康志愿者身上提取的诱导多能干细胞的通用毒理检测方法时，StemBANCC的科学家则聚焦于来源于500个患有各种疾病的患者身上的诱导多能干细胞。这些疾病特异性的细胞将形成新一代药物研发分析的基础，包括毒理学检测。
“新一代的诱导性多能干细胞还只是一项技术目标。更重要的（是）将它们分化成与疾病相关的细胞形态”随后试着在培养皿中理解这个疾病。”瑞典巴赛尔Hoffmann-La Roche公司的干细胞平台负责人Martin Graf说，他也是StemBANCC项目的负责人之一。
除了细胞样品外，StemBANCC项目也将从病例中收集详细的临床数据。“这一计划的其中一件大事是临床表型的深度，这是我们将要在病人身上操作的。我觉得随后细胞系的真正价值是得到表型信息。”StemBANCC的学术主任、英国牛津大学Nuffield学院临床神经科学教授ZameelCader说。除了诊断和历史外，每个StemBANCC生产线都将伴随着诊断检测带来大量的数据，体现病人的病程、治疗手段和药物反应。
最终，该计划寻求为制药研究人员提供真实的个体病人的实验室模型，在新药到达临床前就能得到针对有效性和毒性的更可靠预测。“我认为使用源于病人材料的体外毒理学确实是试着解决药物研发过程中药物脱靶的第一步。”Cader说。
芯片上的大脑
其他研究者正在将“培养皿中的病人”这一概念更进一步，试着在类似器官的3-D培养物中让多种组织类型生长在一起。瑞士贝尔蒙的西瑞士应用科学大学组织工程学教授Luc Stoppini最初在对传统干细胞培养失望后，开始了这一研究计划。“他们宣称得到了（干细胞诱导的）神经元，因为它们表达的beta-3微管蛋白基因是神经元的标记之一，但当我看到它们时，它们就像成纤维细胞，不具有分化的轴突、神经突起和突触。”Stoppini说。
作为神经生物学家，Stoppini想要更加真实的神经系统。让干细胞诱导的“神经元”长在3-D的培养系统中，将引导它们发育出更多的神经元形态，细胞也开始能够传导电信号。窍门在于让3-D培养比传统平板培养长得更长（神经元通常在几个月内持续发育）。“我们确实需要时间去得到人类神经元的功能。”Stoppini说。他接着表示这一缓慢的发育会使得等比扩大某些分析，以达到制药公司的高通量需求变得十分困难。
然而，让这一系统发挥作用的回报也可能很大。特别是，Stoppini说，长期的培养能够发育出一些非神经的细胞型，它们对于正常神经系统的功能来说也是尤为重要的，例如星形胶质细胞和少突细胞。他的团队现在从胚胎细胞和诱导性多能干细胞中都能得到这些小型的脑组织，从而提高了模拟来自于患者细胞的特定神经疾病的可行性。
研究人员也将这一步骤继续向前推进，将3-D脑培养物长在点满了电子感应器的微流控芯片上。当感应器记录电活动的时候，微毛细管就为培养物带来了新鲜的营养。
Stoppini也将脑芯片与其他干细胞诱导的微流控器官培养物交联。未来的药物研究者能够将实验药物喂饲进源于患者的肠子中，然后通过血管系统将它的代谢物传递到微型的肝脏中，最终影响体外大脑的活性。“我们的终极期望是得到我们称为21世纪的培养皿，它将具有嵌入在生物芯片中的培养物，在那儿所有的生物传感器??都整合在一起。”Stoppini说。
该技术最新的循环也引入了无线局域网的发射器，这样研究人员不用打开孵化器就能监测系统。Stoppini接着说，“这是一个不寻常的时期，它通过整合生物学工具（和电子学），打开了新的研究途径??因此我们能够真正地瞥见这些事物是如何工作的。”
（译者之一高大海系中国科学院海洋研究所助理研究员）
Alan Dove 是马萨诸塞州的科学作家和编辑。
鸣谢：“ 原文由美国科学促进会（www.aaas.org）发布于2014 年3 月14 日《科学》杂志”。官方英文版请见http://www.sciencemag.org/site/products/lst_20140314.xhtml