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把细胞变成“小白鼠”

时间:2018年01月12日 14:10   浏览:117   来源:赤峰职业技术学院


把细胞变成“小白鼠”

大科技 4小时前

人的一生都笼罩在疾病的阴影之下。如果把人体看成一个系统,那么细胞就是这个系统的基本单元。这些细胞不是孤立的,时刻处在联系之中。

按这样去理解,那么疾病的起因大致可分为三类:一类是细胞本身出了问题,比如帕金森症、渐冻症(物理学家斯蒂芬?霍金得的就是此病)等由基因缺陷引起的疾病就属此类;另一类是细胞之间的交流出了问题,例如免疫失调引起的疾病;第三类是不论细胞本身,还是细胞之间的交流都出了问题。嗯

如果是第一类疾病,那事实上病就藏在细胞里;无数个细胞的 " 小病 " 酿成了人的 " 大病 ";只要治好了细胞的病,差不多也就治好了人的病。

干细胞研究 " 起死回生 "

现在为了开发一种新药物,科学家往往要拿动物做试验。先让试验动物得上病,然后在它们身上试试新开发的药物灵不灵。对于那类由细胞本身引起的疾病,其实完全可以在单个细胞的水平上检验药物的可靠性,而不必拿动物来试验。这既可以减去不少动物的痛苦,又有更强的针对性;何况有些病至今还不知道致病机理,根本没法在动物身上诱导出该疾病来,以供研究。

研发药物时,拿单个细胞代替动物,这个主意不错,过去很多人也都想到了,但是在实践上却遇到很大困难。原因是大部分疾病都藏在人体的内脏器官里,要取得患病的细胞,就得给病人动手术,这有很大风险。再说需要筛选的药物很多,而且是在不同时间研制出来的,总不能每研制出一种新药,仅为了试验,就给患者动一次手术吧。

这个难题直到 2006 年人们掌握了人工诱导干细胞技术之后才得以克服。

干细胞是一种未分化的细胞(这里的 " 干 " 是 " 主干 " 而不是 " 干燥 " 的意思)。干细胞一般存在于胚胎发育早期,随着胚胎发育成熟,干细胞也分化成了皮肤细胞、神经细胞、肌肉细胞……等等 " 专业化 " 的细胞。打个比喻,干细胞就好比是读者里面的中小学生,他们在学习阶段基本上不分专业,未来所要从事的职业也还不确定,所以具有极强的可塑性;等他们上了大学,选准了专业,就各自朝某个专门的职业奔去了。

干细胞的用途非常广,原则上我们可以用它来定制任何器官。但有一个麻烦,就是它只存在于早期的胚胎中,即使从胚胎上取下一个,对胚胎的伤害也极大。出于伦理上的考虑,很多国家都禁止拿胚胎干细胞做研究。

转机出现在 2006 年。一位名叫山中伸弥的日本科学家发明了一种技术,该技术可以让那些分化的专职细胞 " 返老还童 ",重新变回干细胞,而无须使用或破坏胚胎。这些 " 返老还童 " 后的细胞被称为 " 诱导多能干细胞(简称 iPS 细胞)"。这项技术不仅让干细胞研究绕开了人类伦理问题,而且使得拿单个细胞来研制药物在实践上有了可能。

定制有病细胞

我们不妨以霍金得的渐冻症为例,来说明科学家是如何做到这一点的。

渐冻症是一种神经性疾病,患者会逐渐瘫痪,因为这种病会对人体控制肌肉活动的运动神经元造成不可逆转的伤害。经查明,渐冻症是染色体上某个基因突变引起的。对于大多数患者而言,这个突变来自遗传。

我们知道,人体每一个体细胞(除生殖细胞之外的所有细胞)都拥有相同的一套基因,所以渐冻症患者身上每一个体细胞里都含有这个缺陷基因。不过这个缺陷在其它体细胞上都不 " 显山露水 ",这些体细胞的功能一切正常;唯独在运动神经元上,这个基因才被表达,显出破坏力来。

2007 年,从一位 82 岁高龄的女性渐冻症患者手臂上,美国哥伦比亚大学的科学家采得一块直径大约 3 毫米的皮肤。这位患者已经连走路和吞咽都很困难,她的子孙中不少人也已经确诊患有此病,可想而知,她目前的这种状况也就是他们未来的归宿。

在实验室,科学家从这块皮肤上分离出一种叫 " 成纤维细胞 " 的专职细胞;然后通过日本科学家发明的那项技术,把这些细胞变成了 iPS 细胞;最后经过人工诱导,这些干细胞分裂、发育成了运动神经元。

我们已经知道,患者成纤维细胞的染色体上就带有导致渐冻症的缺陷基因,但基因的表达一般跟细胞类型有关,这个缺陷基因在成纤维细胞上 " 藏而不露 ",而一旦成纤维细胞被诱导变成运动神经元后,其后果就显露出来了。结果,我们就得到一群处于病态的运动神经元,跟渐冻症患者身上的运动神经元无异。

接下去的程序就比较简单了,不过对于研制药物的工作来说,才刚刚开始。我们可以在每一个培养皿上安放这样一个病态细胞,然后给这些细胞 " 喂 " 不同的候选药物,看看哪种药物能改善细胞的病。对单个患病细胞有效的药物,一般来说对患病的人也会有效。

这项技术是干细胞研究中的又一个里程碑。通过这项技术,科学家在实验室可以得到在通常情况下很难获得的有病细胞,而且大大提高了筛选药物的效率。

至于那位 82 岁渐冻症患者的后裔们,他们正急切地等待着对那块皮肤的测试结果,他们本来命中注定要遭遇的厄运将得到挽救。

本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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人的一生都笼罩在疾病的阴影之下。如果把人体看成一个系统,那么细胞就是这个系统的基本单元。这些细胞不是孤立的,时刻处在联系之中。

按这样去理解,那么疾病的起因大致可分为三类:一类是细胞本身出了问题,比如帕金森症、渐冻症(物理学家斯蒂芬?霍金得的就是此病)等由基因缺陷引起的疾病就属此类;另一类是细胞之间的交流出了问题,例如免疫失调引起的疾病;第三类是不论细胞本身,还是细胞之间的交流都出了问题。嗯

如果是第一类疾病,那事实上病就藏在细胞里;无数个细胞的 " 小病 " 酿成了人的 " 大病 ";只要治好了细胞的病,差不多也就治好了人的病。

干细胞研究 " 起死回生 "

现在为了开发一种新药物,科学家往往要拿动物做试验。先让试验动物得上病,然后在它们身上试试新开发的药物灵不灵。对于那类由细胞本身引起的疾病,其实完全可以在单个细胞的水平上检验药物的可靠性,而不必拿动物来试验。这既可以减去不少动物的痛苦,又有更强的针对性;何况有些病至今还不知道致病机理,根本没法在动物身上诱导出该疾病来,以供研究。

研发药物时,拿单个细胞代替动物,这个主意不错,过去很多人也都想到了,但是在实践上却遇到很大困难。原因是大部分疾病都藏在人体的内脏器官里,要取得患病的细胞,就得给病人动手术,这有很大风险。再说需要筛选的药物很多,而且是在不同时间研制出来的,总不能每研制出一种新药,仅为了试验,就给患者动一次手术吧。

这个难题直到 2006 年人们掌握了人工诱导干细胞技术之后才得以克服。

干细胞是一种未分化的细胞(这里的 " 干 " 是 " 主干 " 而不是 " 干燥 " 的意思)。干细胞一般存在于胚胎发育早期,随着胚胎发育成熟,干细胞也分化成了皮肤细胞、神经细胞、肌肉细胞……等等 " 专业化 " 的细胞。打个比喻,干细胞就好比是读者里面的中小学生,他们在学习阶段基本上不分专业,未来所要从事的职业也还不确定,所以具有极强的可塑性;等他们上了大学,选准了专业,就各自朝某个专门的职业奔去了。

干细胞的用途非常广,原则上我们可以用它来定制任何器官。但有一个麻烦,就是它只存在于早期的胚胎中,即使从胚胎上取下一个,对胚胎的伤害也极大。出于伦理上的考虑,很多国家都禁止拿胚胎干细胞做研究。

转机出现在 2006 年。一位名叫山中伸弥的日本科学家发明了一种技术,该技术可以让那些分化的专职细胞 " 返老还童 ",重新变回干细胞,而无须使用或破坏胚胎。这些 " 返老还童 " 后的细胞被称为 " 诱导多能干细胞(简称 iPS 细胞)"。这项技术不仅让干细胞研究绕开了人类伦理问题,而且使得拿单个细胞来研制药物在实践上有了可能。

定制有病细胞

我们不妨以霍金得的渐冻症为例,来说明科学家是如何做到这一点的。

渐冻症是一种神经性疾病,患者会逐渐瘫痪,因为这种病会对人体控制肌肉活动的运动神经元造成不可逆转的伤害。经查明,渐冻症是染色体上某个基因突变引起的。对于大多数患者而言,这个突变来自遗传。

我们知道,人体每一个体细胞(除生殖细胞之外的所有细胞)都拥有相同的一套基因,所以渐冻症患者身上每一个体细胞里都含有这个缺陷基因。不过这个缺陷在其它体细胞上都不 " 显山露水 ",这些体细胞的功能一切正常;唯独在运动神经元上,这个基因才被表达,显出破坏力来。

2007 年,从一位 82 岁高龄的女性渐冻症患者手臂上,美国哥伦比亚大学的科学家采得一块直径大约 3 毫米的皮肤。这位患者已经连走路和吞咽都很困难,她的子孙中不少人也已经确诊患有此病,可想而知,她目前的这种状况也就是他们未来的归宿。

在实验室,科学家从这块皮肤上分离出一种叫 " 成纤维细胞 " 的专职细胞;然后通过日本科学家发明的那项技术,把这些细胞变成了 iPS 细胞;最后经过人工诱导,这些干细胞分裂、发育成了运动神经元。

我们已经知道,患者成纤维细胞的染色体上就带有导致渐冻症的缺陷基因,但基因的表达一般跟细胞类型有关,这个缺陷基因在成纤维细胞上 " 藏而不露 ",而一旦成纤维细胞被诱导变成运动神经元后,其后果就显露出来了。结果,我们就得到一群处于病态的运动神经元,跟渐冻症患者身上的运动神经元无异。

接下去的程序就比较简单了,不过对于研制药物的工作来说,才刚刚开始。我们可以在每一个培养皿上安放这样一个病态细胞,然后给这些细胞 " 喂 " 不同的候选药物,看看哪种药物能改善细胞的病。对单个患病细胞有效的药物,一般来说对患病的人也会有效。

这项技术是干细胞研究中的又一个里程碑。通过这项技术,科学家在实验室可以得到在通常情况下很难获得的有病细胞,而且大大提高了筛选药物的效率。

至于那位 82 岁渐冻症患者的后裔们,他们正急切地等待着对那块皮肤的测试结果,他们本来命中注定要遭遇的厄运将得到挽救。

本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997


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