1.多能性細胞的研究曆史

人類是地球上最好奇的一種動物，當第一個孩子對著自己掉下的牙齒發呆，琢磨為什麼玫瑰花可以長出新枝而自己的牙齒埋進土裏卻什麼也長不出來開始，人類就已經走上了探索多能性之路了。

我們都知道，一個人的個體發育是由受精卵開始的。由媽媽那裏來的卵子和從爸爸那裏來的精子結合後，形成一個受精卵，專業上講就是合子。受精卵一分二、二分四，以幾何級數倍增，並且不斷的分化、遷移，最終形成一個新的個體。

胚胎發育從受精卵開始，經曆2細胞、4細胞、8細胞、16細胞、桑椹胚、囊胚和孵化胚等階段，隨後發生附植，經原腸化作用形成3個胚層。基本上講，凡是取自早於囊胚期內細胞團之前的胚胎的幹細胞以及與它們結構、性質、功能一樣的細胞我們都稱它們為胚胎幹細胞。胚胎幹細胞是研究多能性的最理想的材料，因為它們是除了受精卵以外分化能力最強的一類細胞。事實上，除了胎盤以外，嚴格意義上的胚胎幹細胞可以分化成動物體（實際上是小鼠）的所有種類的細胞、組織和器官。

對於多能性的研究是一個很長的故事，現在讓我們從頭說起。

·不是胚胎幹細胞的胚胎幹細胞——胚胎癌細胞

人類是那麼想知道多能性的秘密，以至於早在19世紀，就有人提出來通過研究胚胎癌細胞來探索多能性的秘密。

為什麼呢？因為胚胎實在是太小、太難得了，如果你要研究胚胎幹細胞的話，必需得到非常早期的細胞，而這樣的細胞是很難從組織裏分離出來的，就算分離出來也很難讓它們在人工的條件下生存下來，更不要說保持它們的自我更新和分化的能力了。

所以，在很早以前就有人把主意打到了胚胎癌細胞的頭上。胚胎癌細胞是一類發生於原始生殖細胞的未分化癌，由於它的特殊的生物學特點，人們認為它的形成在一定程度上反映了胚胎的發育，而胚胎癌細胞可能與胚胎早期未分化的幹細胞相類似。但是這種腫瘤在人或動物體內的發病率是非常低的，這限製了胚胎癌細胞的研究，使得早期的動物多能性的研究舉步維艱。

早在1956年巴裏·皮爾斯和他的同事們就分離出來了人的胚胎癌細胞係，但是不幸的是他們所建立的細胞係以及此後其他科學家建立的人的胚胎癌的細胞係都沒有繼續分化的能力。

但是科學家們是不會輕易被困難打敗的，1958年，勒羅伊·史蒂文斯和他的同事們把小鼠早期胚胎移植到129品係小鼠的卵巢或腎髒被膜下，從而得到胚胎癌細胞。這是第一株被證明有類似於幹細胞功能的腫瘤細胞。1964年克蘭斯密斯和皮爾斯又證明單個的胚胎癌細胞具有自我更新和多向分化的功能。至此，人類終於有了可供研究多能性的細胞係，雖然其實這不是真正意義上的胚胎幹細胞，而更像是一種腫瘤幹細胞。

·生殖係幹細胞

另外還有一類多能性幹細胞叫做生殖係幹細胞，其實分為兩類，其中一類也來源於胚胎，但不是來源於嚴格意義上的胚胎幹細胞的產生時期――內細胞團，而是來源於之後的原始生殖脊。這種細胞是選取在胚胎發育過程中的將要發育成生殖器官的那一部分組織加以分離得到的：以小鼠為例，胚胎幹細胞應該是來源於受精後2-3天的胚胎，而生殖係幹細胞則來源於8.5天到10天的胚胎；相對於人體而言則是5-10周的早期胚胎。這種細胞被稱為原始生殖細胞。

剛分離出來的原始生殖細胞隻能維持很短的一段時間，但由它建立起來的胚胎生殖細胞係則具有與胚胎幹細胞相似的生物學特性，比如都具有自我更新能力，都可以分化成三個胚層的細胞，都有完整的二倍體染色體等等胚胎幹細胞的特點。但是，原始生殖細胞還有它自己的特點，比如，它非常的嬌嫩，普通的小鼠的胚胎幹細胞即可以在支持細胞（滋養層細胞）中生長，也可以不要支持細胞生長，但原始生殖細胞卻不能沒有支持細胞來給它做“保姆”；更重要的是，它在印跡基因上與胚胎幹細胞有著明顯的區別，以小鼠為例，9.5天的表達與體細胞一樣的印跡基因，到了10.5天就成了生殖細胞的印跡基因表達模式。這是為什麼呢？研究其中的機製對我們了解胚胎發育的過程至關重要。

我們為什麼要研究生殖係幹細胞呢？首先，多數生殖係幹細胞都有著與胚胎幹細胞類似的多能性，是研究多能性的較為理想的材料。但更重要的是，我們知道，幾乎所有的胚胎都是從受精卵開始的，而受精卵的形成是需要來自父母雙方的生殖細胞的，那麼生殖細胞是如何結合而形成受精卵，繼而形成胚胎的？生殖細胞無疑是研究這一過程的重要一步。還有，生殖係幹細胞還可以被用來研究不育不孕症，為千千萬萬沒有孩子的家庭造福。

小故事：

原始生殖細胞是由田納西範德比爾特大學醫學院的鬆井泰久和馬裏蘭州的詹姆斯·雷斯尼克在1992年同時分別分離得到的。

有趣的是，這種同一種類型的細胞在兩個不同的實驗室在同一時間分別得到的現象在細胞生物學界比比皆是，比如小鼠的胚胎幹細胞、人的胚胎幹細胞以及人的誘導多能性幹細胞等，發現原始生殖細胞的這兩個實驗室就分別是在1992年的9月和10月發表的文章。不知道這是曆史的必然還是純粹的巧合。

·胚胎幹細胞

(1）小鼠

真正意義上的哺乳動物的胚胎幹細胞其實是從小鼠的胚胎幹細胞開始的。1981年7月9日，著名的《自然》雜誌發表了英國劍橋大學的馬丁·約翰·伊文思爵士和他的同事馬修·庫夫曼的一篇文章，報道他們建立的第一株小鼠的胚胎幹細胞係。同年12月，美國加州大學的蓋爾·馬丁也在《美國科學院院報》上發表文章，報道了她所建立的小鼠胚胎幹細胞係。

胚胎幹細胞係的分離和建立是非常非常困難的。首先，小鼠的早期胚胎非常的小，事實上小鼠的子宮和卵巢在肉眼下基本上是看不到的，我們隻能在放大鏡（體視鏡）下尋找它們的蹤跡，然後用非常精密的手術器械剝離囊胚（一般是用專門儀器拉製的玻璃針）。一般一隻小鼠會有幾到十幾個胚胎，把它們挑出來後放在專門的培養皿中培養，並不是每個胚胎都可以繼續分裂生長的，也有的胚胎長著長著就自發的分化了。而“免疫手術法”因為要進行免疫操作，就更為困難一點了。

但是科學家們是不會被困難嚇倒的，英國牛津大學的保羅·特薩教授甚至做了這樣的實驗：他分別用小鼠的合子（受精卵）、2細胞、4細胞、8細胞，一直到桑椹胚和囊胚階段的胚胎建立胚胎幹細胞係，比較它們的成功率以及所建立的細胞係的各種特性。這得有多大的毅力和耐性才能做到啊！

事實上，早期胚胎地顯微操作是一個技術要求極高的高精度工種，在美國，一個技術精湛的顯微操作技術人員的工資比一個原子核物理教授的工資都要高，而且還供不應求，每個技術人員都是他們實驗室的“寶貝”，即使是在金融危機的時代也完全不用擔心會“下崗”。

還有值得一提的是，馬丁·約翰·伊文思爵士因為建立小鼠胚胎幹細胞係、基因敲除小鼠和基因打靶上的傑出貢獻，與馬裏奧·卡佩琪和奧利弗·史密斯共同分享了2007年的諾貝爾醫學與生理學獎。事實上，基因敲除和基因打靶的基礎都是小鼠胚胎幹細胞係的建立，沒有胚胎幹細胞係的建立，其他的基因操作根本無從談起。

馬丁·約翰·伊文思爵士	馬丁·約翰·伊文思爵士分離培養的小鼠胚胎幹細胞

除了用自然孕育的小鼠胚胎分離胚胎幹細胞外，其實現在更多的還是用核移植的方法來獲取胚胎幹細胞，就是把一個來源於體細胞的核取出來，移植進入一個小鼠的卵細胞中，經過體外培養和刺激，使其分裂發育成早期胚胎,再分離培養成為胚胎幹細胞。這種方法比直接使用胚胎更為簡單，成功率也高，更重要的是沒有倫理道德爭論，除了可以用在動物上，也可以用於人的胚胎幹細胞的分離。

[延伸閱讀] 女兒國是神話嗎？ “孤雌生殖”，就是把雌性小鼠的卵母細胞拿出來經過各種不同的物理的、化學的刺激，使其激活，形成二倍的雌原核，繼而發育成胚胎，而從這樣的胚胎中也可以分離出來胚胎幹細胞。而如果這樣的胚胎繼續發育下去，就會形成“沒有父親的小鼠”了。你看，女兒國並不是隻在神話傳說中才有的。

（2）人

人的胚胎幹細胞的建立要晚得多。1998年11月6日的《科學》雜誌發表了一篇名為“人類胚泡來源的胚胎幹細胞係”的文章，介紹了第一株人類胚胎幹細胞係的分離、培養和鑒定過程。這個工作是美國威斯康星大學的詹姆斯·亞曆山大·湯姆森教授和他的同事們的研究成果，也是胚胎幹細胞研究中劃時代的一件大事。

詹姆斯·亞曆山大·湯姆森是胚胎幹細胞研究領域的大牛，在2007年也是他的實驗室，與日本山中申彌的實驗室同時得到了人類誘導多能性幹細胞，這也是幹細胞領域劃時代性質的一件大事，2008年，他與山中申彌共同被美國《時代》雜誌評選為影響世界的100位名人的第54位。不知道他會不會是下一位諾貝爾醫學與生理學獎的獲得者，讓我們拭目以待。

詹姆斯·亞曆山大·湯姆森教授	詹姆斯·亞曆山大·湯姆森教授分離培養的人胚胎幹細胞

湯姆森他們使用的是由捐獻者在體外人工受精的受精卵（這些受精卵應該是做試管嬰兒時廢棄剩下的材料，由患者授權捐出），他們一共選取了36個冷凍或未經冷凍的受精卵，其中20個在特殊的培養基中發育成了胚泡。他們選取了其中的14個分離胚泡中的內細胞團，其中5個最終形成了胚胎幹細胞係。

他們為自己的人類胚胎幹細胞係製定了嚴格的定義：（1）必需來源於著床前或正在著床的早期胚胎；（2）可以長期增殖而不分化；（3）具有穩定的可以分化成三個胚層的能力。在他們的文章中，這些目的都達到了。

到目前為止，他們所分離得到的人類胚胎幹細胞係在世界各地的實驗室中得到了廣泛的應用，是最經典的人類胚胎幹細胞係。套句“大腕”裏的話：如果一個研究人類胚胎幹細胞的實驗室如果用的不是來自於湯姆森實驗室的H1或H9等細胞係，你簡直就不好意思和人打招呼！

事實上，湯姆森實驗室的胚胎幹細胞研究是有著非常深厚的科研基礎的，在人類胚胎幹細胞之前，他們就分別在1995年和1996年首次分離鑒定了恒河猴和狨猴的胚胎幹細胞，同時做了大量的胚胎幹細胞自我更新及多能性機製方麵的研究，所以由他們實驗室首次分離鑒定出人類胚胎幹細胞和人類誘導多能性幹細胞一點兒也不奇怪。

·成長的故事——人與小鼠的胚胎幹細胞的不同

到目前為止，研究最多的，還是人與小鼠的胚胎幹細胞，但是實際上這兩種幹細胞還是有很大的區別的，這些區別在幹細胞學界引起了巨大的曠日持久的爭議，到目前為止還無法得出一個定論。

從經典的定義上來講，胚胎幹細胞必需是來自於囊胚期的內細胞團的細胞，但是人們發現這些細胞並不都是一致的，而是多種細胞的混合體。那麼，我們很容易就可以想得到，從這些細胞出發，我們得到的它們的後代也不會是完全相同的，有的也許更幼稚一點，有的也許更成熟一點。

事實上也確實是如此，一個細胞係的細胞也許通過一定的實驗條件的選擇，可以達到一致，但是不同批次不同品係甚至不同物種的胚胎幹細胞就會有很大的差別了。

拿人和小鼠的胚胎幹細胞來講吧，人的胚胎幹細胞無論是在形態上還是在很多生物學特性上都更類似於小鼠的上皮胚胎幹細胞，而人的生殖係幹細胞卻長得很像小鼠的胚胎幹細胞。因為上皮層在胚胎發育中是晚於囊胚期的，所以人們一致傾向於認為人的所謂“胚胎幹細胞”實際上比小鼠的要“成熟”。為了得到更為“幼稚”的人類的胚胎幹細胞，人們做了各種各樣的嚐試，但到目前為止還沒有什麼得到定論的結果。畢竟，人和小鼠本來就是兩種不同的物種，究竟是怎麼發育和進化的，到目前為止還是一個謎。

但，科學的目的不就是揭示世界上的謎團的嗎？

·誘導多能性幹細胞

目前，胚胎幹細胞研究中最熱的一個方向其實是“誘導多能性幹細胞”，就像幹細胞界的“超女”和“快男”一樣，2006年一炮而紅，至今粉絲眾多，短短4年，發表的文章就已經超過2500篇，真的可以說得上是炙手可熱。在這個領域中國科學家也貢獻頗多，可以說我們是和世界上的其他科學家站在同一個起跑線上，齊頭並進。

簡單的說，動物體的胚胎發育其實是一個程序化的過程，從受精卵開始，不斷的分裂、增殖、分化，在什麼時候什麼位置表達什麼蛋白都是設定好的，而這個設計圖就藏在我們的DNA序列之中，生而有之。做為進化樹上較為高等的哺乳動物，這個程序化的過程大部分是不可逆的，所以才有所謂的終末分化細胞。

但是，人們為了研究多能性的秘密，總是在想方設法地想要逆轉這個過程。最初人們想出的辦法就是核移植，把一個體細胞的核移入到一個去核的卵細胞中，讓這個卵細胞分裂增殖，這就意味著重新啟動了那個體細胞的發育程序，從而得到一個新個體，綿羊“多莉”就是這樣來的。

但這並不能完全說明問題，因為我們隻是拿一個細胞的一部分逆回到了原始的狀態，而且還是通過把它和原始細胞融合才能得到。所以不能就此滿足的科學家繼續探索，終於在2006年日本的帥哥科學家山中申彌第一個做出了小鼠的誘導多能性幹細胞，第二年又和美國的一個實驗室同時做出了人的誘導多能性幹細胞。

這種細胞就是通過實驗室人工誘導的方法（最初是用病毒轉基因的方法）來使已經終末分化的細胞重編程成為最為“幼稚”的胚胎幹細胞。不需要卵細胞，隻需要一些病毒、質粒和化合物，就可以把一個體細胞恢複成具有胚胎幹細胞特性的細胞。神奇吧？

關於誘導多能性幹細胞的具體研究我們將會在後麵的章節進行專門的論述。

2.為什麼要研究胚胎幹細胞

·胚胎幹細胞在再生醫學中的重要作用

相對於目前已經大量用於臨床的成體幹細胞來講，胚胎幹細胞從長遠來講，在再生醫學中具有更輝煌的前景。

這是由胚胎幹細胞的兩個特點決定的：首先，胚胎幹細胞具有強大的自我更新和無限增殖的能力，這樣就可以源源不斷的提供用於修複的細胞；其次，胚胎幹細胞還有強大的分化能力，理論上講，嚴格意義上的胚胎幹細胞可以分化成除了胎盤組織以外的人體所有種類的細胞，也就是說我們想要什麼細胞它就能變成什麼細胞。

強大吧？我們前麵講到的那麼多的成體幹細胞和它一比，就都成了“小菜一碟”了。事實上，胚胎幹細胞可變成各種各樣的成體幹細胞，再分化成我們要的細胞。

所以，做為種子細胞，胚胎幹細胞將是再生醫學的終極種子，現在所用的各種成體幹細胞的療法最終都將讓位於胚胎幹細胞。

·從胚胎發育到終極問題

“我是誰？我從哪裏來？我又要到哪裏去？”

這大概是每個人在成長過程中都會問自己的一個問題，這也是我們人類的一個終極問題。從笛卡爾的“我思故我在”到現代神經遺傳學、進化心理學理論，人類一直在這個問題上不停地追問、不停地探討。而研究胚胎的發育正是解決這個問題的一個關鍵。

讀過生物的人都知道，每個胚胎發育的過程實際上也是一個生物進化的小規模重演，這是為什麼呢？理論很多，但基本比較得到共識的看法是：生物的胚胎發育，是一個基因調控的過程，不同的基因依次被打開、關閉。由於這是一個信號一級一級地放大的過程，越早表達的基因，其後來的影響將會被越放越大。因此能夠保留的突變一般發生在胚胎發育的晚期，因為如果突變發生在發育的早期，將會對後麵的發育過程發生重大的影響，其結果往往是災難性的。這樣，那些較早表達的基因，往往是在進化史上較為古老的祖先基因，較晚表達的基因，則是後來逐漸加入的。因此胚胎發育的過程就是一個從祖先基因到新近基因的依次表達的過程，所以可以在此過程中重演進化過程的某些特征。

所以對胚胎發育的研究也是對進化過程的一種研究，正是解決我們從哪裏來的這個終極問題的一個方麵。我們可以通過研究早期胚胎哪些基因在何時打開何時關閉，來推測它們在生物體中的作用，乃至在整個生物進化中的作用，從而勾畫出生物進化的全景。

還有，“我”是從哪裏來的呢？“自我意識”是如何產生的呢？這是神經發育學要解決的一個問題。現在人們已經知道，人類早在胚胎期就已經有了意識，那麼這些意識是從何時，從哪些細胞中開始產生的呢？“我”到底是如何認識到“我”的呢？這就要在胚胎的發育中尋找答案。但是我們總不能刨開媽媽的肚子研究裏麵的胚胎吧？所以從胚胎幹細胞開始研究胚胎早期發育也是神經發育學的主要手段。

最後，通過研究胚胎幹細胞來研究胚胎的早期發育，還有一個非常接近與實用的目的，就是改善人類的生殖。我們知道，大部分的流產實際上都發生在懷孕早期，而發生流產的原因多數都是胚胎發育出現了錯誤造成的。實際上很多畸形、遺傳性疾病也都是在胚胎發育的早期就開始了，所以對胚胎幹細胞的研究可以在根本上了解這些錯誤是如何造成的，最終避免在生育過程中發生這些錯誤，以達到優生優育的目的，並為廣大不孕不育症患者帶來福音，還給他們一個幸福的家庭。

·藥物篩選和基因操作

胚胎幹細胞也是研究人類疾病的良好模型。

一般研究一個疾病，最好就是可以有一個相應的動物模型，比如胰島素的發明就得益於建立了狗的糖尿病模型。但對於大多數的人類疾病而言，人們都尚未建立相應的動物模型。還有一些疾病，如艾滋病、丙型肝炎等，致病的病毒隻能感染人和黑猩猩，大大的限製了對這些疾病的研究。而胚胎幹細胞因為可以分化成體內的各種細胞，我們就可以根據各種疾病發生的不同機製用胚胎幹細胞來建立相應的疾病模型，從而研究疾病的發生、發展、並最終找到適宜的治療方案。

比如，我們可以把建立某個疾病特異性的胚胎幹細胞係，然後讓它在體外向我們需要的方向分化，在分化的過程中觀察和檢測它的各種基因的表達與調控，對照正常的胚胎幹細胞係的分化過程，我們就可以從中研究這個疾病發生的機製。

如果同時我們用不同的藥物來處理這些細胞，我們就可以找出哪些藥物可以調控這些病理機製，然後找出可以用於治療這種疾病的候選藥物。因為胚胎幹細胞可以在體外無無限增殖，所以我們可用的細胞資源也是無限的，而細胞操作又相對比較容易，現代藥物篩選已經可以做到大批量、規模化的掃描，一次就可以篩選成百上千個化合物。這種高通量的藥物篩選正是當今藥物開發的一個主流，在我們國家也正在如火如荼的開展，正是高科技、集約化經濟的朝陽產業，必將在未來帶動新興科技產業的發展。

光是在細胞水平來進行疾病的研究和藥物的篩選還是不夠的，最終我們還是要做到個體水平。這樣，基因敲除和基因打靶就登場了。

這兩個技術就是前麵講到的與小鼠胚胎幹細胞的發現一起，獲得2007年諾貝爾獎的研究成果。其中，小鼠胚胎幹細胞係的獲得是它們的基礎，因為所有的基因操作都是在胚胎幹細胞的基礎上進行的。

當然，其中還有另一個很重要的發現，就是基因的同源重組現象。同源重組就是人們發現在生物體中如果有一段外源的DNA在序列上與自身的DNA相同或非常相似時，就有可能發生同源重組，就是這一段外源的DNA結合到自身的DNA當中去，成為自身DNA的一段。因此，如果我們把某段基因的兩端都加上一段與自身DNA相同的DNA序列，那麼從理論上講，我們就可以把這段基因整合到自身DNA中，替代掉原來存在於這個地方的那一段DNA（像不像“移花接木”大法？）。如果我們接入的這段DNA是無義的（就是沒作用的）就是基因敲除，如果我們接入的DNA是為了達到某種目的的，比如突變、回複突變等，就是基因打靶。

基因敲除和基因打靶都必須是在胚胎幹細胞上進行，一是因為胚胎幹細胞增殖速度快，可以無限增殖，易於進行基因操作;另一個原因是胚胎幹細胞在表觀遺傳學上與受精卵的特點最為接近，利用胚胎幹細胞進行的基因操作更易於得到我們所需要的動物模型。

一般我們先用胚胎幹細胞進行基因操作，也就是敲除或是打靶，得到基因被改變的細胞之後，把這種細胞的細胞核取出來，移植到小鼠的受精卵中，再將受精卵植入小鼠的子宮，那麼發育出的個體就是我們所需要的經過基因改造的個體了。

現在基因操作的技術甚至可以做到給我們要操作的基因加一個分子開關，當我們需要它表達或不再表達時，隻要加一些特定的藥物刺激，就會使這個基因關閉或打開，這樣我們就可以研究一個基因到底是在什麼時候，什麼位置發揮作用的，如果它在錯誤的時間、錯誤的地點表達又會發生什麼事。這樣做還可以研究一些非常重要的基因，比如對生物體來說生死攸關的基因，如果一下子就把它關閉了，這個生物體也許根本就無法出生，可是我們給它加了開關後，就可以等動物出生後在關閉或半關閉，然後研究它的生物學效應。

3.如何研究胚胎幹細胞

我們如何來研究胚胎幹細胞呢？

首先，是胚胎幹細胞的分離與鑒定。

雖然到目前為止，我們已經分離到了多種小鼠和人的胚胎幹細胞係還有好多種物種的胚胎幹細胞係，但是，在胚胎幹細胞係的分類和鑒定上還有很多的工作要做。就拿小鼠來說，有的品係就很容易得到胚胎幹細胞係，可有的品係就怎麼也得不到，為什麼呢？我們要研究其中的機製。拿人類來講，各種疾病模型的胚胎幹細胞係當然也是非常有用的了。所以，尋求更為快捷、簡單、高效的分離方法一直是各國科學界努力的方向。近年來炙手可熱的誘導多能性幹細胞就是這個方向上的一大突破。

分離之後就是鑒定了，前麵我們已經講過，幹細胞以及胚胎幹細胞都有它們自己的標誌，需要通過鑒定它們來確定我們拿到的是不是真正的幹細胞或胚胎幹細胞。但其實因為各種胚胎幹細胞在分化發育中所處的時期不同，所以其實它們之間還是有著千絲萬縷的差別的，這也給了科學家們一個打口水仗的機會，除了一些大家公認的標誌以外，總會有人提出新的標誌，然後就會有人提出異議或討論，吵個不亦樂乎。不過這就是科研的必經之路，甚至是科研的樂趣之一，吵吵更健康嘛！在這些爭論中我們對胚胎幹細胞理解就會一步一步的更為深入，更為接近它的真實本質。

但無論如何，胚胎幹細胞的鑒定都有一個金標準的，對於人的胚胎幹細胞，因為克隆人在倫理上的不許可，所以它的金標準是可以在免疫缺陷鼠的體內形成畸胎瘤，而這個畸胎瘤必須有發育完好的三個胚層的結構。

對於小鼠來講，則是嵌合體和四倍體小鼠的形成。（不要誤會，所謂四倍體小鼠並不是指小鼠的染色體加倍達到了四倍體，實際上出生的小鼠還是正常的二倍體，但其中會有一個四倍體的過程罷了。）

嵌合體和四倍體小鼠的形成都基於一個叫做“囊胚注射”的技術，這項技術也屬於顯微操作技術，就是把胚胎幹細胞注射進入囊胚中讓其發育成成體的一種實驗手段。

如果注射入的囊胚是一個正常發育的囊胚，那注射進入的胚胎幹細胞就與囊胚中已有的細胞一起發育、分化，最終形成嵌合體，也就是注射入的細胞與被注射的小鼠細胞混合形成的成體小鼠。在這種情況下，如果其中一隻鼠是黑的，一隻鼠是白的，那麼出生的鼠就會是雜色的，毛色象奶牛一樣是斑駁的。

如果我們取一個剛好分裂成為兩個細胞的受精卵，用電融合的方法使它們重新變成一個細胞再發育，那麼這個細胞發育出來的囊胚就隻能形成胎盤（正常的胎盤實際上也是四倍體，不過是自然形成的），這時我們再把胚胎幹細胞注射進入這個囊胚，得到的胚胎就是完全由我們注入的胚胎幹細胞發育而來的，而不會有受體小鼠的細胞，胚胎幹細胞來源小鼠是白色的，那出生的小鼠就是白色，黑色的就會是純黑的，不會有雜色的情況出現。

四倍體小鼠是小鼠胚胎幹細胞鑒定的終極手段，一個胚胎幹細胞隻要可以得到四倍體小鼠，就完全證明它是一株合格的胚胎幹細胞，大家可以放心用了。

但在人體，這個辦法是不能用的，因為這實際上就是克隆人，在各國都是被禁止的。所以人類胚胎幹細胞的鑒定隻停留在畸胎瘤的這一步，隻要能在免疫缺陷的小鼠體內得到分化完全的畸胎瘤，我們就認定這是一株合格的人胚胎幹細胞了。

其次，就是研究胚胎幹細胞的自我更新能力。

胚胎幹細胞是如何在體外不斷增殖的同時又維持著不分化的狀態的呢？我們知道，在我們的細胞中充斥著各種各樣的蛋白，這些蛋白相互作用、相互影響，共同來完成各種各樣的生理功能。這些蛋白相互作用的過程也是一個信息傳遞的過程，我們就稱之為“信號通路”。胚胎幹細胞自我更新的信號通路就是很多實驗室研究的課題。這些信號通路並不是單一的，它們之間也互相影響、相互交叉，還與調節其他生理機製的信號通路相互聯係和相互影響，共同構成一個立體的交叉網絡。我們就是通過研究各個不同的蛋白以及它們與其他蛋白的相互關係，來研究到底是什麼在影響著胚胎幹細胞的自我更新。

第三，是胚胎幹細胞的定向分化。

胚胎幹細胞是有著強大分化潛能的一種細胞，如果我們不用各種各樣的手段去抑製它的分化，它自己就會自發的發生分化，可是這種分化是不受控製的，分化出來的細胞也是混雜的，這是不能用於臨床治療和科學研究的。所以我們一定要研究胚胎幹細胞的定向分化，讓它們隻朝一個方向分化，要向神經分化就都向神經分化，要向心肌分化就都向心肌分化。而且在這個過程中還要提防出現“南郭先生”，因為有的時候胚胎幹細胞分化出的細胞看上去似模似樣，和我們要的細胞很象，但實際上就是不幹活――沒有功能或功能不全。所以尋找胚胎幹細胞定向的有功能的分化方法，也是研究胚胎幹細胞的一個重要內容。

最後，胚胎幹細胞的終極目標還是要應用於臨床。

我們研究這麼多，最終的目的還是要用它來治療疾病。前麵我們已經講過，目前才開始世界上第一粒胚胎幹細胞的人體移植實驗，但是因為胚胎幹細胞強大的自我更新及分化能力，它必然是未來再生醫學的明日之星。如何應用胚胎幹細胞治療疾病，如何規避各種風險，如何降低成本，如何提高效率，這都是擺在科學家麵前的問題。這些看上去成堆的難題在以科學研究為興趣的科學家眼裏就像是一大塊令人垂涎欲滴的奶油蛋糕，引人遐思，欲罷不能。

4.胚胎幹細胞研究中存在的問題

·倫理問題

胚胎幹細胞研究的倫理問題，一直是一個爭論的焦點。2001年8月，當時的美國總統布什簽署總統令，禁止聯邦資金用於提取胚胎幹細胞及其研究，隻能對當時已有的21種胚胎幹細胞展開研究，致使美國的胚胎幹細胞研究一度跌入低穀（不過其實世界上最好的幹細胞科學家和實驗室還是雲集於美國的，沒有哪個國家能夠超越）。現在的美國總統奧巴馬則在2009年3月9日簽署總統令，宣布擴大聯邦資金用於胚胎幹細胞的研究。但有關胚胎幹細胞研究的合法性的爭論還遠未平息，甚至與政治因素糾結在一起，影響著美國大選的走勢。

胚胎幹細胞研究的倫理問題涉及到了兩個基本的道德原則：一、避免或減輕人類痛苦的原則；二、尊重人類生命價值的原則。這二者的核心是應該如何看待人類胚胎的道德地位。在這一點上有著各種各樣的看法，主要有以下幾種：

1．胚胎享有神聖創造物的特殊道德地位。這一般是宗教界人士的看法，小布什自稱是虔誠的基督徒，所以秉持這種看法，堅決反對胚胎幹細胞研究。

2．胚胎具有與人類等同的道德地位。這種觀點認為人體的發育是一個連續的生理過程，沒有絕對的分割線可以區分胚胎和成體不同的道德地位，沒有理由否定胚胎階段的人類也是人類，每一個人類個體都有享有維持軀體完整和生命延續的權利，所以破壞胚胎就等於殺人，是違反道德的。這也是小布什那來製定他的胚胎幹細胞研究政策時的倫理依據。

3．胚胎具有潛在的人的道德地位。這種觀點認為，早期胚胎雖然沒有意識，沒有心理、情感和智力，但是如果發育下去就有可能獲得所有這些成體具備的特征，所以應該把胚胎看作是潛在的人，就像失去意識和行為能力的人一樣應該得到與成體相同的尊嚴和道德尊重。

4．胚胎應受到道德尊重，但不具有與人類等同的道德地位。很多胚胎幹細胞研究的科學家都秉持這樣的觀點。因為受精後發育到14天前的胚胎還沒有中樞神經係統形成，沒有感知和意識，不應該看作真正的人類個體，但它們是有著發育成人類個體的潛能的細胞，所以也應該得到一定程度的道德尊重。

5．胚胎僅僅是身體的一部分，不具有獨立的道德地位。這種觀點認為胚胎在發育到獨立的個體前，僅僅是身體的一部分，就像是一個人的其他組織器官一樣，是屬於個人的財產，不具有獨立的道德地位，應該尊重胚胎來源的個人的財產權。

在這個問題上，基於每個人的種族、宗教、受教育程度以及意識形態的不同，每個人都會有自己的看法和主張，很難取得統一的看法，也沒有必要取得統一的看法。現代民主社會就應該是各種觀念都能和諧相處嘛。所以聰明的科學家們想到的辦法就是規避倫理問題。

最早的人類胚胎幹細胞取自於被棄的人類體外受精的受精卵，它們本來是用於試管嬰兒治療不孕症的，如果不用於胚胎幹細胞研究也會被拋棄。

後來由於各種倫理上的反對以及科學家們無窮無盡的好奇心，更多進行的是核移植的方法來獲得胚胎幹細胞，就是把一個成體細胞的核置換到一個卵細胞中，再讓它發育成早期胚胎，以獲取胚胎幹細胞。這種方法獲得的胚胎幹細胞基本上與上一種方法得到的完全一樣，但是在某些方麵，特別是在表觀遺傳學上還是有所不同的，所以好奇的科學家們眼睛還是在盯著“原教旨主義”意義上的胚胎幹細胞。

可是就連核移植得到的胚胎幹細胞也是反對聲一片，小布什就是其中一個。所以科學家們又另辟蹊徑，日本的山中申彌首創以引入外源基因（也就是轉基因）的方法，使成體的終末分化細胞重新回到最初的幼稚狀態，就是現在最熱的研究熱點“誘導多能性幹細胞”。當然，誘導多能性幹細胞與“原教旨主義”意義上的胚胎幹細胞還是存在著許多差異，但這實際上更激起了科學家們的好奇心，它們有哪些不同？為什麼不同？什麼機製導致了不同？如何消除這些不同？都是我們正在研究和將要研究的課題。

目前，世界各國對胚胎幹細胞研究的管理有著不同的規定：日本、巴西、瑞士、加拿大、澳大利亞等國允許使用體外受精丟棄的受精卵獲取胚胎幹細胞；中國、韓國、印度、以色列、新加坡允許治療性克隆的研究；英國是最寬鬆的，不但允許治療性克隆，還允許在嚴格管理和監控下的生殖性克隆；美國則還在糾結中。

目前為止，在胚胎幹細胞的倫理學上必較能得到共識的是：(1)胚胎幹細胞研究有益於人類，要尊重；(2)胚胎的地位和權利也要得到尊重；(3)胚胎和卵子、精子不是商品，不能買賣，用於研究時必須遵守相關的法律法規；(4)生殖技術需要監督和控製；(5)堅決反對克隆人。

麵對迅猛發展的胚胎幹細胞研究，倫理問題確實是一個亟待解決的問題，但相信聰明的人類一定會在這中間尋找到一個平衡點的。

·免疫問題

要了解胚胎幹細胞的免疫問題，首先要了解的是：什麼是免疫？

免疫是生物體的一種生理功能，生物體可以依靠這種功能來識別異己，破壞和排除外來物和自身產生的不利於自身的物質，維持機體的生理平衡的一種功能。

它包括3方麵的功能：（1）生理防禦：抵禦病原體及其毒性產物，抵禦感染性疾病；（2）自身穩定：識別和清除機體新陳代謝中產生的衰老和死亡的細胞，保持機體穩定；（3）免疫監視：識別和消滅發生突變的細胞（比如腫瘤細胞），對細胞進行自身監視。

一句話，免疫係統就像軍隊和警察一樣就是一個“排除異己”的係統。而要進行幹細胞治療、器官移植之類，就是要拿別人的東西混入到自己的身體裏，還要讓它們好好地為我們工作。可是免疫係統可不是那麼好說話的，它可不管你是來幹什麼的，它隻知道你不是自己人，不是自己人它就要把你擋出去或者幹掉。所以規避免疫排斥就是器官移植和幹細胞治療的一件大事了。

最傳統的辦法是什麼呢？是“對抗性”辦法：你要把我幹掉？哼哼！老子先把你幹掉！用放療、化療的辦法先把病人的免疫係統幹掉，然後再進行移植。而且因為人類的免疫係統是非常強大的――“野火燒不盡，春風吹又生”，還要在以後的階段不斷地用免疫抑製劑來抑製免疫，讓軍隊和警察不能發揮作用，直至移植進入的器官、細胞完全“化敵為我”為止。

這是一個相當危險和損傷極大的過程，很多病人還沒等到“化敵為我”就因為沒有了“軍隊和警察”而死於感染了；要麼就是因為“軍隊和警察”的強烈反撲，而死於“抗宿主病”，無論是死於哪一種，都是悲劇啊！

除了“對抗性”的辦法外，還有什麼辦法呢？其實我們前麵講到過，就是用“潛伏”的辦法，間充質幹細胞就是一種免疫原性很低的幹細胞，用它來做幹細胞移植，引起的免疫反應會比較低，那麼相應地需要用的免疫製劑就會少很多，對身體的傷害就會小很多。

相對於間充質幹細胞，胚胎幹細胞是一種免疫原性更低的幹細胞，所以它更好“潛伏”。但是無論如何，它還是一個外來物，要進行移植必然會引起免疫係統的反撲，所以如何在治療中規避免疫排斥，一直是科學家們研究的一個熱點。

一種辦法是取得病人特異性的胚胎幹細胞，就是想辦法得到需要治療的病人自己的胚胎幹細胞，然後再用在病人自己身上。這樣移植進入的也是“自己人”應該就不會有免疫反應了吧？但這還存在爭論，有待進一步證明。

而且病人特異性胚胎幹細胞並不容易取得，以前所用的方法主要是核移植，現在更火的是誘導多能性幹細胞，兩者都各有利弊。

另一種辦法是進行基因改造，把所有的胚胎幹細胞都改頭換麵，讓它們都失去免疫原性，這樣不就可以誰想用都可以了嗎？但是人類細胞上的表麵抗原成千上萬，多數還具有重要的生理功能，這是一個巨大而複雜的工程；而且基因改造也不是那麼容易做的，所以這個工作做的人並不多，不能算是主流。

·生物安全問題

胚胎幹細胞的應用還存在著一個生物安全的問題。

首先，胚胎幹細胞係是一個可以無限增殖的細胞係，這就有了成瘤性的風險。

要知道，腫瘤的發生，第一步就是細胞的無限增殖能力，其次才是轉移性和侵襲性。腫瘤之所以是腫瘤，就是因為它不受控製的無限增殖。所以胚胎幹細胞的應用，首先要解決的就是成瘤性。

但在這個問題上目前還沒有什麼好辦法，因為無限增殖正好也是我們要使用它的一個特點，所以最好是體外無限增殖，體內就可控增殖，這也是胚胎幹細胞學家們研究的一個方向。

其次，胚胎幹細胞在體外培養時，無可避免的總會用到一些動物產品，比如胎牛血清啦什麼的（不可能完全用人的血清來培養，成本太過於昂貴了），就算是現在已經開發出的無血清培養體係，其實裏麵還是添加了很多動物體內的提取物。這些動物產品的安全性就是一個問題，如果在移植過程中有所殘留，會對人體產生什麼樣的影響很難估計。

而且動物體內是否會有病原物一起被帶入也是一個問題。

大家說了，實驗室那麼幹淨的環境還會有病原菌嗎？注意，這裏提到的不是“病原菌”而是“病原物”，其實主要指的是“病毒”，有許多病毒在感染動物的時候是可以整合到動物的基因組裏去的，可以隨著動物的世代傳遞而傳遞下去，有的病毒在動物體內已經被同化了，可是到了人體後又可能會被激活，造成人體的疾病。

另外，造成“瘋牛病”的朊病毒也是一個例子，它實際上是一種蛋白質，但卻可以繞過消化係統破壞生物體的腦組織。大千世界無奇不有，誰知道還有什麼類似的東東在動物體內等著作怪呢？這讓我們怎麼放心直接把接觸過動物製品的細胞注入人體呢？

當然，免疫也是一個障礙，動物製品哪怕是再微量，對人體來說也是異物，對過敏體質的人來說就有可能是致命的。

所以，如何去除在胚胎幹細胞培養（實際上成體幹細胞也存在這個問題）的動物製品汙染的問題也是幹細胞應用領域的一件大事。做為生物安全的一個重要問題，各國的衛生監察部門都有著相應的嚴格的規章製度。但最釜底抽薪的辦法還是讓科學家們研究出不用動物製品就可以在體外大規模培養各種幹細胞的方法。

最後，還有一個化學品汙染的問題。

在胚胎幹細胞的培養中，也無可避免的會用到很多的化學藥品，這些化學藥品對幹細胞的自我更新和分化能力的維持也許是必不可少的，但一旦進入人體就有可能造成麻煩，所以在進入人體實驗之前，這些化合物的安全性研究也是必不可少的。

目前，胚胎幹細胞研究日新月異，被用來提高胚胎幹細胞各種功能的化合物也越來越多，對它們的安全性的檢測也是科學家們需要研究的一個方麵。

總之，胚胎幹細胞是再生醫學幹細胞治療的明日之星，但如何安全、高效、便捷和便宜的應用，還有很長的路要走。