科技通往“永生”之路?

2021-03-25 08:54瞻云
看世界 2021年5期
关键词:端粒诱导干细胞

瞻云

2008年1月,伊丽莎白·布莱克本(中)在实验室做研究

同源性的器官再造,更能大大降低免疫排斥的风险,甚至根除病灶。

无论古今中外,长生不老一直是人类的终极渴望。它是神话传说的核心,也是科幻小说中最热门的元素之一。那么,未来的人类,真的有实现永生的可能性吗?

回答这个问题之前,我们还需要解答一个问题:人类的寿命为什么会有限?

19世纪60年代以前,人们一直相信脊椎动物的细胞拥有无限分裂的能力。直到1961年,美国微生物学家莱昂纳多·海弗里克的发现,打破了人们的幻想。通过实验观察,海弗里克发现,正常细胞在体外的分裂次数存在一个40~60次的上限。这个上限,又被称为海弗里克极限。

20世纪70年代,科学家伊丽莎白·布莱克本等人,发现了位于染色体末端的端粒结构。端粒可以保护染色体,并保证基因复制时的稳定性,但端粒在每次复制的时候会丢失一部分。当丢失的端粒达到极限,细胞也就不再分裂。端粒的发现,完美地解释了海弗里克极限。

端粒酶实现细胞无限分裂?

伊麗莎白·布莱克本等人发现了能修复端粒的端粒酶。不同细胞的海弗里克极限,受限于细胞端粒的长度,以及修复能力。胰岛细胞的海弗里克极限只有十余次,而造血干细胞的海弗里克极限可达到100多次。

进入21世纪之后,端粒的研究,已经成了生物学的热门领域。2009年,伊丽莎白·布莱克本等人被授予诺贝尔生理学或医学奖。利用端粒酶修复端粒,是否就能打破海弗里克极限呢?

2016年5月23日,俄罗斯一家人体冷冻公司用假人进行冷冻实验

答案是确定的。胚胎干细胞和生殖细胞之所以能无限分裂,便在于端粒酶对端粒的修复。但在正常细胞中,如果端粒酶过于活跃,便会导致癌症的发生。而癌细胞之所以能无限分裂,同样在于端粒酶对端粒的无限修复。

/ 纳米技术修复大脑后,必然影响意识的连续性。 /

可否既突破海弗里克极限,又不提高癌症的得病率呢?这是可行的。2000年前后,研究者引入外源端粒酶对细胞染色体端粒进行修复(异位表达),打造出了没有癌化的永生细胞系。端粒酶的异位表达拥有广阔的运用前景,甚至有可能为人类未来的永生技术提供坚实的基础。

端粒酶分子结构

在遥远的将来,利用端粒酶的异位表达来实现永生,并非没有可能性。无脊椎动物中,不少动物都拥有无限的理论寿命,例如拥有无限修复端粒的能力的龙虾。

冰晶挑战人体冷冻

无论传说还是科幻故事中,总有活了几个世纪的人物。在《人猿星球》《异形》之类的科幻电影中,也总是会出现宇航员通过冬眠或冷冻技术跨越超长时空的故事。

比起仅仅存在于未来或科幻电影的冬眠技术,距离我们更近的反而是人体冷冻。人体冷冻是近几年来被热议且充满争议的话题。但实际冷冻技术的开端源于19世纪50年代,英国科学家詹姆斯·洛夫洛克对啮齿动物的冷冻实验。

1955年,有老鼠在被短期冷冻后复苏,但其在4~7天后死去。在实验过程中,人们也发现了冷冻技术有着诸多的障碍。在这些障碍中,细胞内冰晶的破坏力尤为致命。

1963年,美国橡树岭国家实验室经过研究发现,在进行冷冻时,如果把温度降低的速度控制得足够慢,便可以让细胞排除充分的水分,从而避免细胞内的结冰。

1967年1月12日,第一例人体冷冻实验开始了。20世纪70年代,人类发展出了控速慢冻技术。科学家添加冷冻保护剂的同时,把温度降低的速率控制在了1°C/min,在细胞层面达到了完好的冷冻效果,令冷冻技术真正发展到了实用阶段。

3D打印大脑

控速慢冻技术被广泛用于冷冻卵母细胞、皮肤、血制品、胚胎、精子、干细胞,以及相关前沿领域。但此时,冷冻技术尚且停留在细胞层面。

20世纪80年代,玻璃化技术开始被引入冷冻保存。1999年,玻璃化开始用于卵母细胞的保存。进入21世纪之后,一家医学公司成功对兔子肾脏进行了玻璃化保存,并在复温后完成了无损移植。

玻璃化技术比起控速慢冻技术更为先进,可以令细胞组织在冷冻时的受损降到最低。器官层面的玻璃化冷冻技术已经逐渐成熟,距离临床运用已越来越近。

玻璃化技术也早已被用在了人体冷冻上面,2015年,《三体》编审之一的杜虹女士因胰腺癌去世。她托付美国科研机构阿尔科对其头部进行了冷冻保存。因此她成为了中国人体冰冻第一人。

阿尔科保存杜虹女士头部所用的技术,便是玻璃化技术保存。50年后,杜虹女士是否有复活的可能性呢?答案可能并不乐观。

当前的人体冷冻案例,无一例外,全部都是在临床死亡之后进行的人体冷冻。要使唤醒的可能性更高,除非进行活体冷冻。但即便突破道德和法律的限制,活体冷冻复活的可能性也依旧面临极大的挑战。

在人体冷冻之前,所有的血液都会置换成冷冻保护剂,虽然冷冻保护剂有利于玻璃化技术的实现,但同时也对细胞具有毒性,长期保存会对细胞造成不可逆的损伤。

除此之外,宇宙中还存在各种各样的辐射。这些辐射会对DNA造成破坏,哪怕再完美的冷冻保存技术,复活的时间上限也不能超过1000年。而且,玻璃化冷冻的人,在解冻时,难以完全避免冰晶的形成,这会对细胞造成进一步的破坏。

除了在冷冻技术上着手外,当未来的纳米科技发展到一定地步,理论上是可以使用纳米机器人修复大脑的。

但纳米技术修复大脑后,必然影响意识的连续性。当一颗大脑损伤10%,未来通过纳米技术修复后,保留90%的原来意识,我们还勉强能称之为原来的那个人。但如果损伤了90%,修复后只保留了10%,他(她)还是原来那个人吗?

克隆人已在敲門?

如果说人体冷冻复活技术距离落地还有一段路要走,那么器官再造对于人类来说,便是触手可及的。

相较于捐献器官,再造器官技术能真正解决人类器官移植紧缺的问题。同源性的器官再造,更能大大降低免疫排斥的风险,甚至根除病灶。

当前最热门、且前景最亮眼的器官再造技术之一,当属治疗性克隆。2013年,已经有研究团队掌握了克隆人类胚胎分离干细胞的技术。2018年,中国研究者成功克隆出灵长类动物—两只食蟹猕猴。

随着打破技术壁垒的时间越来越近,未来限制人体克隆的将只有法律和道德风险。到时候克隆人的难度,可能会比单独培养器官更加容易。一系列的社会问题,也可能随之发生。

除了克隆技术外,还可以通过诱导多能干细胞培育器官。2006年,日本京都大学的研究团队通过对老鼠体细胞进行诱导,将之转化成了多能干细胞,标志着该技术真正可行。

但比起直接克隆来说,诱导多能干细胞往往更加漫长且低效。小鼠细胞的诱导需要1~2周,而人体细胞则需要3~4周,效率仅有0.01%~0.1%。除此之外,在对供体进行多能干细胞诱导时,还会导致较高的患癌风险。

/ 3D打印器官技术的难度主要在于器官血管的建造。 /

直到2008年,相关技术获突破之后,诱导多能干细胞的研究才有了更多的突破希望。当前,诱导多能干细胞技术正在往器官再生方向积极探索,例如日本有研究团队,尝试通过诱导多能干细胞技术,在猪的身上培植人体器官。

虽然日本在这方面的研究前沿而且大胆,但距离临床运用依旧十分遥远。

在所有再造器官技术中,距离临床运用最近的,可能是3D器官打印。3D器官打印是以生物相容性塑料作为支架,打印相应的干细胞,然后转移到孵化室培育成相应的器官。

虽然3D打印技术在1984年就已被发明,但直到1990年以后,随着纳米技术的运用,以及生物活性材料技术的发展,该技术才开始走入医学领域,并有了“3D器官打印”的概念。

虽然该技术已经在心脏模型、血管网络、皮肤上进行过诸多尝试,但迄今为止,唯一成功移植的3D打印器官只有膀胱。3D打印器官技术的难度主要在于器官血管的建造。

血管的主要功能是运输营养、氧气以及废物,对维持器官正常的新陈代谢有着至关重要的作用。而血管尤其是毛细血管的建造,有着极高的难度,这涉及极其复杂的几何学难题。

除了血管构建难度之外,3D器官打印的干细胞来源也是一个问题。并不是所有病人器官的干细胞都能被使用。当然,在不久的将来,治疗性克隆技术以及诱导多能干细胞技术足够成熟,也可以为3D器官打印提供足够的干细胞源。

届时,器官再生技术,将进入技术全面爆发的时代。

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