神经干细胞可能修复衰老和损伤造成的损害

克里斯·博森的生活在瞬间改变。2016 年 3 月，他驾驶着自己的日产 350Z 轿车行驶在加利福尼亚州圣华金河谷小村庄马里科帕的一条蜿蜒公路上。突然，汽车在湿滑的街道上打滑，撞到一棵树，然后反弹撞上电线杆，车辆被压碎，博森失去意识。

两天后，当他在医院醒来时，博森从颈部以下瘫痪，脖子骨折，脊髓受损。现在，他连吃饭喝水这样最简单的任务也需要别人的帮助，并且需要两名护理人员 24/7 全天候协助他上厕所和调整床上的姿势，以防止压疮。

博森离 21 岁生日还差几周，一个正值成年初期，踌躇满志的年轻人。他曾在一家保险经纪公司工作，空闲时间在健身房举重，修修汽车，和女朋友及朋友们出去玩。

这场事故让这一切戛然而止。“我基本上只是活着，”他后来承认。

但是，为博森固定颈椎骨的神经外科医生带来了一线希望：博森可能符合一项实验性治疗的条件，该治疗利用干细胞修复受损组织。

他是这项临床试验的六名参与者之一，该试验正在南加州大学和全国其他五个地点进行。该试验与加利福尼亚州弗里蒙特的一家生物技术公司 Asterias Biotherapeutics 合作，该公司开发了干细胞技术。

在过去十年中，一些发现引发了大量关于神经干细胞如何用于治疗退行性脑部疾病和脑修复的研究。大学和私营企业的许多实验室正在探索如何使用这些细胞，它们可以转化为神经元、星形胶质细胞（调节大脑电脉冲传输的细胞）和少突胶质细胞（用脂肪涂层绝缘神经纤维）。神经干细胞可以帮助修复中风和脊髓损伤造成的大脑组织损伤，并使肌萎缩侧索硬化症（ALS）、亨廷顿氏病、帕金森氏病和阿尔茨海默氏病等退行性疾病中的神经元存活。最近，使用干细胞治疗这些神经系统疾病的人体试验已取得成功。

但一些科学家仍然怀疑干细胞能否用于培育新的脑组织。“我们可以制造神经干细胞，但我们是否足够聪明能将回路放置在正确的位置？”洛杉矶 Cedars-Sinai 再生医学研究所所长克莱夫·斯文森（Clive Svendsen）问道。他担心“错误的连接比什么都不做更糟糕。”斯文森对他团队正在进行的关于使用一种新型干细胞方法治疗肌萎缩侧索硬化症（ALS）的人体试验更为乐观，肌萎缩侧索硬化症是一种退行性运动神经元疾病，其中将信息从大脑和脊髓传递到肌肉的细胞萎缩或死亡。

该领域无疑仍然面临挑战。尽管最近的人体试验显示出诱人的前景，但它们仍处于早期阶段。此外，研究涉及的患者数量相对较少，科学家们不确定可能出现哪些并发症。

尽管如此，南加州大学干细胞试验的生物工程师兼神经外科医生查尔斯·刘（Charles Liu）对这项研究的总体方向充满信心。“恢复失去功能（不仅仅是干细胞方面）的想法相对较新，”他广义地说。“这是我们所有人第一次敢于认为再生、恢复和修复是可能的。”

恢复失去的功能

脑功能再生的现代时代始于 20 世纪 80 年代末和 90 年代初，当时是为了对抗帕金森病。这种运动障碍源于产生多巴胺的神经元死亡，多巴胺是一种神经化学物质，负责向大脑中控制运动技能和协调的部分发送信息。帕金森病患者会出现震颤、四肢僵硬、肌肉失控，有时还会出现痴呆症状。

为了对抗这种疾病，瑞典研究人员开创了将胎儿干细胞移植到大脑中的方法。研究人员使用的胎儿细胞来自堕胎胎儿（6 到 9 周大）的大脑。专家们认为，既然这些细胞尚未完全成熟，那么一定有办法诱导它们转化为帕金森病破坏的神经元。1992 年发表的研究表明，胎儿组织移植产生了显著效果。在两个案例中，此前需要全天候护理的严重残疾患者能够再次独立生活。

但科学家们在如何将细胞移植物最好地整合到大脑复杂的电路中，使其更具针对性并发挥最大作用方面束手无策。

当时，神经科学界普遍认为成年人无法形成新的神经元。然而，1998 年，一支美国和瑞典科学家团队宣布他们发现人类大脑确实会生成新的神经元。这是一个叫做神经发生的过程，细胞不断分裂并产生新的细胞。这一发现紧随在啮齿动物、猴子和鸟类中的类似观察结果之后。“大门已经打开，”当时索尔克生物学研究所圣地亚哥分所的研究团队负责人弗雷德·盖奇（Fred Gage）告诉《纽约时报》。这一发现提高了利用这种再生能力修复受损大脑的可能性，这可能转化为更有效的阿尔茨海默病和帕金森病治疗方法。

但如何实现呢？获取胎儿干细胞被证明很困难。“你需要八个堕胎胎儿才能获得足够的组织，”当时在剑桥大学攻读博士后的斯文森（Svendsen）回忆道，他出生在英国。“这让我觉得不切实际。你不可能为了数千名患者而四处收集堕胎胎儿。”而且，尽管在瑞典使用胎儿干细胞没有争议，但在美国却有。

下一步合乎逻辑的做法是弄清楚神经元是如何产生的，并利用它们来修复或替换受损细胞。胚胎干细胞似乎提供了一个解决方案。这些细胞取自仅仅 4 或 5 天大的胚胎，是多功能的变形者，可以成熟为身体中的任何类型的细胞——这一特性使它们对研究至关重要。而且神经胚胎干细胞更具针对性；在大脑发育的形成阶段，可以通过化学方法诱导它们生成具有多种不同功能的神经元。此外，神经干细胞可以迁移到最需要它们的大脑区域。

尽管英国研究人员早在 1981 年就在实验动物身上发现了胚胎干细胞，但直到 1998 年，威斯康星州的一个团队才宣布他们首次从人类胚胎中分离出干细胞。这是一项许多人认为将迅速带来医学进步的成就。

斯文森于 1998 年加入剑桥大学的教职，受到这项工作的启发，认为可以将其应用于他的帕金森病研究。他开始研究如何将干细胞转化为产生多巴胺的神经元。他进行了一项针对五名帕金森病患者的小型试点研究。斯文森向他们的大脑注射了一种已知能增强神经发育的蛋白质，称为神经胶质细胞源性神经营养因子 (GDNF)。这种治疗阻止了产生多巴胺的神经元死亡，患者的运动技能显著改善。

与此同时，外部力量正在阻碍有希望的研究。在美国，胚胎干细胞的使用（通常来源于试管受精诊所丢弃的胚胎）成为了激烈政治辩论的焦点。科学家们说，这导致 2001 年政府资助的研究几乎完全禁止使用它们，这一举动使进展推迟了大约五年。由于缺乏机构和财政支持，以及对研究方式的严格限制，研究几乎陷入停滞。

2006年，日本科学家找到了如何对特化细胞（如皮肤细胞）进行重编程的方法，使其行为像胚胎干细胞。研究人员称之为诱导多能细胞，它们是通过诱导细胞开启通常在胚胎干细胞中发现的基因而产生的。这个过程赋予了它们多能性，即成为任何类型细胞的能力，包括神经干细胞。仅仅两年前，也就是2004年，加利福尼亚州选民反对白宫，批准了71号提案，成立了加利福尼亚再生医学研究所。到2006年，该组织从立法拨付的30亿美元资金中发放了第一批资助。随着这两项进展，研究重新焕发生机。

科学家们随后开始着手解决一些基本问题。首先，研究人员如何将干细胞转化为成熟的细胞类型？是否存在一种化学或遗传信号可以诱导干细胞形成身体和大脑的复杂结构？哪些分子和机制是干细胞整合到受损大脑中所需的？

找出答案被证明是艰巨的。然而，在过去的十年中，科学家们已经开始破译神经发生是如何发生的，以及神经干细胞在大脑中诞生和维持的解剖学位置。“我们现在能够以一种更优雅、更复杂的方式培养和分离干细胞，”斯坦福大学神经外科系主任、干细胞研究员加里·斯坦伯格（Gary Steinberg）说。“我们现在对细胞如何工作以及它们如何最好地整合到大脑回路中了解得更多。”

从黑暗到光明

“这就像有人打开了灯，”来自加利福尼亚州比佛利山庄的 60 岁克里斯汀·麦克唐纳（Kristin Macdonald）回忆道。麦克唐纳患有视网膜色素变性，这是一种遗传性疾病，会导致视网膜中的感光细胞（视杆细胞和视锥细胞）逐渐衰退。这层位于眼球后部的薄薄的组织检测光线，然后将其转换为神经冲动，传导到大脑的视觉中心形成图像。随着视杆细胞和视锥细胞的死亡，患有这种疾病的人会出现夜盲症和管状视野，最终成为法定盲人或完全失明。

克里斯汀·麦克唐纳在 2015 年接受了一项治疗退行性眼病的程序后视力有所改善。David Zentz

麦克唐纳是一位优雅的金发女士，笑容灿烂，她在 20 多岁时开始视力下降，到 40 多岁时已 legally blind。2015 年 6 月，她成为北美第一位接受约 50 万个视网膜祖细胞眼内注射的患者。目的是修复并可能替换受损的光感细胞。

自治疗以来，她注意到视力有了显著改善。她能够辨别形状和淡淡的颜色，这使她能够辨认街对面停放的汽车，并以惊人的从容在舒适的装饰艺术风格公寓中穿梭。今年，麦克唐纳又接受了一次干细胞注射，这次是她的右眼，她希望视力能继续改善。“这让我的整个生活变得更明亮了，”她说，“我是字面意义上的。”

对于加州大学欧文分校的眼科医生兼视网膜色素变性项目主任亨利·克拉森（Henry Klassen）来说，这项实验是他学生时代梦想的实现。在 20 世纪 80 年代中期读研究生时，他将视网膜组织移植到一只视力受损的新生大鼠体内。当这只大鼠成年后，他在移植部位上方照射光线。动物的瞳孔收缩了。“第一次发生时，我差点从椅子上摔下来，”克拉森回忆道。“大鼠看到光的唯一途径就是通过移植。”

但又过了三十年，克拉森——他曾用视网膜祖细胞恢复了小鼠、猫、狗和猪的视力——才得以进行涉及视网膜色素变性的人体试验。尽管研究中没有人完全恢复视力，但像麦克唐纳这样的许多人视力都得到了改善。“即使我们能减缓进展并延缓它，使他们永远不会完全失明，”克拉森说，“仅这一点就意义重大。”

中风患者的福音

近年来，干细胞研究取得了巨大的飞跃，曾经看似科幻小说的东西正在变为现实。在 2016 年 6 月发表的一篇论文中，加拿大科学家揭示，化疗（清除患者病变免疫系统）和干细胞（再生免疫系统）相结合，可以阻止或减轻多发性硬化症的症状。

该试验始于 2001 年，历时 13 年，涉及 24 名患有严重多发性硬化症的患者。在此期间，积极的效果持续存在。一名患者在治疗前几乎无法行走或自己进食，现在已无症状，可以开车、划皮艇、跳舞和滑雪。不过，专家们发出了警告，因为化疗可能具有毒性：一名患者死于肝衰竭，第二名患者出现了严重的肝并发症。

在 2016 年 6 月发表的另一篇论文中，斯坦福大学斯坦伯格团队宣称，直接向 18 名中风患者的大脑注射成人干细胞，在许多情况下显著恢复了运动功能。在该研究中，在患者清醒并局部麻醉的情况下，在患者头骨上钻了一个小孔。干细胞被注射到受损大脑区域的边界区域。中风恢复通常在六个月后趋于稳定。在实验性治疗后，患者的日常生活活动技能改善持续了中风后长达三年。

研究中的一位是71岁的女性，左侧瘫痪。手术后，她按照斯坦伯格的指示抬起了左臂。“我惊呆了，”斯坦伯格回忆道，他坐在硅谷中心的斯坦福医疗中心办公室里。“我想我一定是检查错了。我不敢相信她在12小时内就能恢复成那样。”

加利福尼亚州长滩的索尼亚·库恩茨两年前因严重中风导致右臂和右腿运动受影响以及言语不清，接受了干细胞治疗。Mark Rightmire

参与这项研究的还有索尼亚·库恩茨（Sonia Coontz），她在 31 岁时中风严重，影响了右臂和右腿的运动，并导致言语不清。两年前接受治疗后，她很快得到了缓解。几天之内，她就能清晰地说话，走路也更好了。库恩茨此后结婚，并于 2016 年 9 月生下了一个健康的男孩。

“我没想到他们会康复，”斯坦伯格承认。斯坦伯格说，这些经过改造的干细胞似乎不是转化为神经元并形成突触——信号从一个神经细胞传递到另一个神经细胞的连接点——而是控制肿胀，刺激神经生长和新血管形成。结果公布后，他的办公室收到了数千封来自绝望患者和家属的电子邮件和电话。但尽管结果令人鼓舞，这项研究并非完全成功；18 名参与者中只有 7 人取得了显著改善。斯坦福大学的研究人员正在进行一项更大规模的试验（将涉及多达 156 名患者），这可能会提供更明确的答案。

展望未来

马里科帕车祸后，克里斯·博森在当地医院住了五周。2016 年 4 月，他被转运到洛杉矶南加州大学凯克医学院接受干细胞手术。抵达时，他颈部以下的肌肉几乎没有反应。他接上了喂食管。需要三个人才能把他扶到病床边缘坐着，其中一人扶着他的头。直立的姿势导致他的血压骤降。

医生警告他和他的父母，一切都没有保证。对脊椎进行干细胞手术可能会夺走他仅剩的一点活动能力，而且异体组织可能会聚集在一起，形成肿瘤。但博森认为这是他重获生活的唯一机会。他用牙齿咬住笔，签下了同意书。

刘医生检查博森脊柱的X光片。他进行的手术是数十年来研究的结晶。Richard Carrasco/南加州大学凯克医学院

对于主刀的南加州大学神经外科医生刘来说，手术本身是全球科学家数十年来研究的结晶。在手术室里，刘医生小心翼翼地切开博森颈部背部的皮肤。他切开了脊髓周围神经纤维丛的坚韧保护膜，并做了一个小切口。他小心地将针插入微小的切口中。他慢慢地将连接的注射器——装满了由 1000 万个干细胞组成的浓稠糊状物质——清空到博森脊髓被压碎的腔室中。

这种干细胞，称为少突胶质细胞前体细胞，存在于大脑和脊髓中。它们产生髓磷脂，髓鞘是轴突周围的脂肪涂层——轴突是细长的纤维，将神经冲动从一个细胞传递到下一个细胞，激活赋予我们充分拥抱世界的身心能力的回路。科学家们认为，这些神经干细胞分泌激素类固醇或蛋白质，滋养患病的神经元，防止它们死亡，并刺激血管形成，为受损组织提供营养和氧气。它们甚至可能促进病弱神经之间的新的连接。

麻醉师在手术过程中让博森停止呼吸那几分钟，这样他肺部的运动就不会干扰他的脊髓。刘医生也屏住了呼吸。

“那是一个极其严肃的时刻，”他回忆起那关键的几分钟。“我们终于进行了人体试验，我们所做的一切都是基于多年的理性科学。这不仅仅是一次孤注一掷。”

干细胞手术后的几天内，博森被转到凯克康复中心。他每天进行三个小时的治疗，持续了两个月，其中包括练习简单的日常活动，例如驾驶电动轮椅、自己吃饭和穿衣。三周后，他的康复超出了预期。

博森现在和家人住在加利福尼亚州贝克斯菲尔德，他现在可以做很多活动，包括拥抱家人和女朋友。他甚至开始在大腿和膝盖部位有了感觉。

凯克康复科的医学主任拉姆齐·本-优素福说，当脊柱肿胀消退时，患者可能会恢复一些感觉或肌肉力量。“但当他们获得更多时，你必须问自己，这里发生了什么在其他病例中没有发生。干细胞与强化治疗相结合可能是答案。”

博森靠在他父母宽敞的房子里的轮椅上。在南加州大学为展示他在车祸数月后的能力而制作的视频中，他穿着海军蓝高尔夫衫，戴着一顶紧身的棒球帽，束缚着他浓密的黑发，显得格外帅气。他发出一系列短信，然后用双臂将哑铃高举过头顶，再放回膝上。他露出了温暖而灿烂的笑容。

他计划重返工作岗位，并相信自己能够过上相对正常的生活。“谢谢你，”博森对着摄像机说，脸上充满情感，“谢谢你让我再次拥有自己的生活。”