藥物研究人員反復做著一個噩夢：他們花費數年和數十億美元研發了一個新藥，小心翼翼地通過臨床前和臨床試驗，最終獲得政府的許可，得以面向患者。突然，這種藥物組分開始傷害那些本該獲得幫助的人。一項新療法的未來瞬間崩塌，他們又陷入了失去研究資助和訴訟的困境中。
“如果你回首過去的10到12年，這些事情都在不斷地發生，每年都有一些藥物順利進入（市場），但卻被迫召回或者大幅減少使用。”位于英國卡迪夫的GE Healthcare 公司生命科學部門首席科學家Stephen Minger說。
這一問題來源于毒理學分析的缺陷。在標準的藥物獲準過程中，研究人員在動物和相對少部分人群中檢測藥物的毒性。動物模型并不能準確地代表人類的生理機能，并且臨床試驗也很少能囊括體量足夠的群體來鑒定罕見的特異體質的影響。
最理想的解決方案是將真正的人類組織和器官在實驗室中培養，來模擬大量患者群體的生理機能，避免大規模臨床試驗所帶來的成本和道德包袱。通過胚胎和最新的人類干細胞培養技術，毒理學家和細胞生物學家正在著手推動這項工作。
心臟技術
傳統上而言，毒理學家能夠檢測永生化細胞系和原代組織培養中的組分。永生化細胞系是實驗室內有效的腫瘤細胞，僅與機體中的細胞有一點相似。原代培養物可以更加逼真地代表組織的正常生理狀態，但存活時間卻無法滿足延伸實驗。
干細胞結合了這兩種培養的優點，能夠持續進行培養，并且能夠誘導分化成各種實際的組織。大約5年前，Minger和同事開始探索這些特性，用于研發藥物毒性的新分析方法。“我們將人類胚胎干細胞轉變成大量的成人心肌細胞，并且我們和客戶都可以完全對其進行預測。”Minger接著說，“至少在回顧性的分析中，我們能夠在（美國）食品藥品監督管理局的召回藥中發現毒性成分，這之前（的傳統分析中）卻沒發現一點毒性。”一些制藥公司在研發過程中開始使用GE公司的Cytiva心肌細胞分析法來檢測藥物。
其它公司也開始研發基于干細胞的心肌毒性分析法。例如，位于美國威斯康辛州麥迪遜市的Cellular Dynamics 公司，提供了一種在誘導性多能干細胞（induced pluripotent stem，iPS）中獲得的iCell競爭性心肌細胞系。不同于胚胎干細胞，誘導性多能干細胞來源于成年志愿者。生長因子的組合將成人細胞變成了一種類似胚胎的狀態，這樣就能指導其分化成所有主要的組織類型。
對于想要自己研發干細胞分析法的研究人員來說，可選擇的試劑非常多。如今，常規的實驗室供應公司都提供干細胞培養基，法國巴黎的Cellectis公司和英屬哥倫比亞溫哥華市的Stem Cell Technologies公司等專業型公司也涉足這一領域。無論選擇何種路徑，分析法的研發人員都必須解決一些問題，才能研發出有效的毒理學工具。盡管很多將干細胞分化為特定組織的步驟都似乎夠直接，得出的細胞卻往往會處于非成熟狀態，并且與部分分化的母細胞混在一起。
制藥研究的分析也必須保持一致，這也是干細胞領域的一大主要挑戰。“我們用于產生（干）細胞的大量試劑都眾所周知的易變。”Minger說。為了解決這些問題，他的團隊將心肌細胞分化的過程分成了單個步驟，然后分離和控制盡可能多的變異。結果形成了一條生產線，產生的培養物能夠保證至少50%的細胞是成熟的心肌細胞。
藥物與發展
基于干細胞固有的生物學特性，產生完全成熟的成人細胞未來仍有可能是一大挑戰。“干細胞??實際是為了更好地形成胚胎，并為生命的最初嘗試建造機體。”美國康涅狄格州格羅頓市輝瑞公司高級研究員Robert Chapin說。然而，對于研究發育毒性的Chapin和他的同事而言，干細胞衍生組織的不成熟性是一種特性而非缺陷。
實際上，對于確定組分是否對發育中的胎兒具有毒性來說，干細胞系統應該說是近乎理想的系統，特別是如果研究人員能將多個組織的生物學特性融入到單個培養物中。“其中一個（目標）是將來源于干細胞的多種細胞型放入3-D培養物中，這是因為這些細胞無法分開操作。”輝瑞公司高級首席科學家Donald Stedman說。
輝瑞公司目前已將自己基于鼠源干細胞的檢測融入到其藥物研發流程，檢測發育毒性。監管部門十分依賴于小鼠和家兔的臨床前數據，以預測藥物對于人類的發育影響，而不是堅持對孕婦進行臨床實驗。對于小鼠胚胎有毒的藥物是不會得到批準用于孕婦的，因此公司就想要清除可能在小鼠中失敗的組分。
為了核實這一分析方法，Chapin的團隊檢測了之前在動物身上研究過的超過90種組分，這一團隊發現，干細胞分析和真實的發育毒性結果存在近乎完美的一致性。“我們使用一種干細胞分析，幫助我們鑒定那些明確具有毒性、明顯不需要再繼續推進的組分，如果我們夠幸運，通過這一方法檢驗一個未知的組分，并得到清晰的結果，那么就可以輕松給予它良好的健康證明書。”Chapin說。
這種極端的結果與其說是規則，不如說是例外。更普遍的是，調查者發現新的組分在一定劑量下表現出一定的毒性。“在實際情況下，我們最后需要做出判斷，并且討論概率。”Chapin解釋說。
缺乏經驗和概率性的干細胞分析結果推遲了它們的應用。“我得說，在制藥商的群體中（基于干細胞的分析）有相當大的阻力，因為他們不確定（這種技術）正在告訴他們什么。”GE公司的Minger表示。例如，他接著說，“如果你看到一個組分在我們的（Cytiva）細胞上是有毒的，但在其它所有標準測試中都是無毒的，你該相信誰？”
干細胞分析的早期支持者確信，隨著更多數據的出現，這些擔憂會逐漸消退。研究人員也可能會因為干細胞分析的獨特性能而改變想法，例如更直接地檢測人類的發育毒性。“我希望在發育毒性方面，可以研發出使用人類胚胎干細胞進行預測的分析方法，那樣我們就能判斷出，比起我們使用的（動物）系統來說，這種方法具有更高或更低的價值。”Stedman說。
團隊努力
在歐洲，使用干細胞替代動物檢測也很風靡。2011年，歐盟委員會和一個化妝品制造商聯盟聯合資助了一個安全評價最終替代動物實驗（Safety Evaluation Ultimately Replacing Animal Testing，SEURAT）的項目，這一項目包含了若干個大的研究計劃，旨在制定化妝品和其它化學品的替代性安全檢測。同時，歐洲當局也開始限制動物實驗，最終于2013年3月通過了一項全歐洲的動物實驗化妝品銷售禁令。
在SEURAT的群體中，相關、高效和標準化的毒理學干細胞研究計劃（Stem Cells for Relevant, Efficient, and Normalized Toxicology，SCR&Tox）完全聚焦于研發基于干細胞的毒性檢測方法，共有五種組織類型：心臟、肝臟、肌肉、皮膚和神經。盡管SEURAT計劃由化妝品公司資助，制藥研究人員也會發現，許多SCR&Tox的檢測方法也適用于他們。“SEURAT項目集群的目標是替代活體內重復劑量的毒性檢測。”SCR&Tox的項目經理Vania Rosas說。
為此，SCR&Tox項目研究者一直致力于將誘導性多能干細胞（iPS）分化至項目所研究的5個成熟的組織類型。Rosas說，他們遇到了許多其他研究者具有的相同問題，尤其是干細胞即使經過分化后，仍然趨向于保持非成熟的特性。盡管如此，SCR&Tox研發的檢測方法將很快找到它們的方式，以入主用于檢測和確證的工業實驗室，Rosas希望監管機構能夠在幾年內開始接受基于干細胞的化妝品毒性數據。
另一項大規模的歐洲研究計劃StemBANCC也致力于提高毒理學分析中的干細胞使用。就在SCR&Tox的研究人員研發基于健康志愿者身上提取的誘導多能干細胞的通用毒理檢測方法時，StemBANCC的科學家則聚焦于來源于500個患有各種疾病的患者身上的誘導多能干細胞。這些疾病特異性的細胞將形成新一代藥物研發分析的基礎，包括毒理學檢測。
“新一代的誘導性多能干細胞還只是一項技術目標。更重要的（是）將它們分化成與疾病相關的細胞形態??隨后試著在培養皿中理解這個疾病。”瑞典巴賽爾Hoffmann-La Roche公司的干細胞平臺負責人Martin Graf說，他也是StemBANCC項目的負責人之一。
除了細胞樣品外，StemBANCC項目也將從病例中收集詳細的臨床數據。“這一計劃的其中一件大事是臨床表型的深度，這是我們將要在病人身上操作的。我覺得隨后細胞系的真正價值是得到表型信息。”StemBANCC的學術主任、英國牛津大學Nuffield學院臨床神經科學教授ZameelCader說。除了診斷和歷史外，每個StemBANCC生產線都將伴隨著診斷檢測帶來大量的數據，體現病人的病程、治療手段和藥物反應。
最終，該計劃尋求為制藥研究人員提供真實的個體病人的實驗室模型，在新藥到達臨床前就能得到針對有效性和毒性的更可靠預測。“我認為使用源于病人材料的體外毒理學確實是試著解決藥物研發過程中藥物脫靶的第一步。”Cader說。
芯片上的大腦
其他研究者正在將“培養皿中的病人”這一概念更進一步，試著在類似器官的3-D培養物中讓多種組織類型生長在一起。瑞士貝爾蒙的西瑞士應用科學大學組織工程學教授Luc Stoppini最初在對傳統干細胞培養失望后，開始了這一研究計劃。“他們宣稱得到了（干細胞誘導的）神經元，因為它們表達的beta-3微管蛋白基因是神經元的標記之一，但當我看到它們時，它們就像成纖維細胞，不具有分化的軸突、神經突起和突觸。”Stoppini說。
作為神經生物學家，Stoppini想要更加真實的神經系統。讓干細胞誘導的“神經元”長在3-D的培養系統中，將引導它們發育出更多的神經元形態，細胞也開始能夠傳導電信號。竅門在于讓3-D培養比傳統平板培養長得更長（神經元通常在幾個月內持續發育）。“我們確實需要時間去得到人類神經元的功能。”Stoppini說。他接著表示這一緩慢的發育會使得等比擴大某些分析，以達到制藥公司的高通量需求變得十分困難。
然而，讓這一系統發揮作用的回報也可能很大。特別是，Stoppini說，長期的培養能夠發育出一些非神經的細胞型，它們對于正常神經系統的功能來說也是尤為重要的，例如星形膠質細胞和少突細胞。他的團隊現在從胚胎細胞和誘導性多能干細胞中都能得到這些小型的腦組織，從而提高了模擬來自于患者細胞的特定神經疾病的可行性。
研究人員也將這一步驟繼續向前推進，將3-D腦培養物長在點滿了電子感應器的微流控芯片上。當感應器記錄電活動的時候，微毛細管就為培養物帶來了新鮮的營養。
Stoppini也將腦芯片與其他干細胞誘導的微流控器官培養物交聯。未來的藥物研究者能夠將實驗藥物喂飼進源于患者的腸子中，然后通過血管系統將它的代謝物傳遞到微型的肝臟中，最終影響體外大腦的活性。“我們的終極期望是得到我們稱為21世紀的培養皿，它將具有嵌入在生物芯片中的培養物，在那兒所有的生物傳感器??都整合在一起。”Stoppini說。
該技術最新的循環也引入了無線局域網的發射器，這樣研究人員不用打開孵化器就能監測系統。Stoppini接著說，“這是一個不尋常的時期，它通過整合生物學工具（和電子學），打開了新的研究途徑??因此我們能夠真正地瞥見這些事物是如何工作的。”
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細胞治療使用的 lonza 04-418Q 無血清培養基 （點擊標題進入）
干細胞治療使用的 lonza 12-725F 無血清培養基 （點擊標題進入）
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