如若当初他能留下来,是否会摘得诺奖的桂冠呢?
科技

如若当初他能留下来,是否会摘得诺奖的桂冠呢?

2019年10月10日 07:31:08
来源:科学大院

每年的诺奖季,人们总是热衷于谈论到底谁会成为摘得桂冠的人。而我,却莫名其妙地只对一个故去的人,有着隐隐地缅惜。

不知道还有多少人,记得他。

通往天国的阶梯

午休的时候,穿过长长的回廊,去便利店买饭途中,我必要经过那扇永远关闭着的蓝色铁门。

那是一种好看的蓝,犹如晴朗的夏夜,浓黑快要将彩霞和碧蓝一并吞没时,折中出的湖水样的钳蓝。可若是变成门的颜色,尤其在研究所这类的机构里,并不能使人产生出一种美感,反倒,有些冷冷的,像是拒人于千里之外。同走廊上其它的门一样,它静静地嵌在乳白色墙壁里,仅仅只是一道门,很普通。

可我,每每在经过时,都不由自主的将头扭向它,因为心里藏着有关它的故事,总觉得它的蓝,与众不同。

有一天,趁没人的时候,我竟鬼使神差般向它走去。战战兢兢地,将手覆在门柄上,好冰!一股冷气穿梭在胸膛里,毛孔微微颤栗,犹犹豫豫地,又怕被人发现,像个做了坏事的贼一样,咬着牙,将门推了开... ...

螺旋上升的楼梯,一直通向楼顶... ...

就是这了,将那一代骄子——笹井芳树,送往天国的阶梯!

我只看了一眼,就匆匆将门合上。无法想象,五年前的八月五日早上,人们在这里发现他自缢后的遗体时,该是一种怎样的惊恐和慌张。

他的办公室就位于我所经过的走廊的一侧,在二楼。那天,他应该就像我这样推开了那扇蓝色铁门,只是也许是毫不犹豫的,走上楼梯,将自己悬挂于四楼和五楼中间的绳索里。半袖的衬衫,西裤,我猜同往常的打扮一样。皮鞋和公文包,放在旁边的地面上。通报了警察以后,他被转移到附近的中央市民病院,然而为时已晚。没人知道他的具体死亡时间。通过他在现场,秘书桌上,以及家中留下的多封遗书,警察判断为自杀。

一时间,舆论哗然,他的离去震撼了全世界。中国,美国,欧洲各国,韩国等国家皆有大幅报道。《自然》主编Philip Campbell表示“笹井的自杀,是科学界的一起惨痛悲剧,是研究者全体的巨大损失”。时任理化学研究所理事长野依良治,理研发育生物学综合研究中心(CDB)负责人竹市俊雅,京都大学教授诺贝尔奖获得者山中伸弥,日本科学技术振兴机构(JST),日本内阁官房长官菅义伟,内阁府担当大臣山本一太皆相继发表声明,深表哀悼。

这个曾被誉为继山中伸弥之后离诺贝尔生物学医学奖最近的日本科学家,就这样结束了自己辉煌的一生。年仅52岁。

斯人已去,空余悲。

在一年一度的诺奖季,将他的故事与成就小记下来,谨以此表达我作为同一科研领域后人的缅怀之情。

巨星的诞生与成就

(图片来源:wikipedia)

1962年笹井芳树出生于日本兵库县一个从事医学的大家族里。受家庭的熏陶,于1980年考入京都大学医学部。成为一个名副其实的学霸。大学期间,除了医学专业本身硬性规定的课程以外,他又积极参与了医用化学的基础与实验课程,深感生物化学及分子生物学是医用化学的核心。他因听了理学部冈山节人教授的讲义,对发育学产生了浓厚的兴趣。这也为他日后成为发育生物学领域的杰出科学家奠定了基础。

1986年,大学毕业后,笹井没有立即攻读硕博学位,而是选择成为一名医院的研修生。当时的他认为“只有通过治病救人,才能真正体会生命的本质”。在研修期间,他经常面对因患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症、脊髓小脑变性症而失去运动机能的患者。然而随着研修的深入,他渐渐意识到,有很多疾病,尤其是脑神经方面的调控机理,是生物学上尚未解决的问题。于是,他决定重返校园,进行更加细致而深入的研究和学习。1988年他重又回到京都大学医学研究科,在中西重忠的研究组钻研脑神经生物学,并于1993年取得医学博士学位。

那个年代的日本科学家们也流行出国。1993年博士刚毕业,笹井芳树就获得了一个去加利福尼亚洛杉矶分校(UCLA)深造的机会。但去往美国的途中,他的护照不幸被盗,一时间处境非常尴尬。所幸,后来得到了补办。他也顺利地加入了Edward M. De Robertis的研究团队。对于Edward M. De Robertis,也许人们并不太熟悉,但是他的导师,John Gurdon大名鼎鼎的约翰·格登,就是那个与山中伸弥一起获得2012年诺贝尔生理学医学奖的得主,英国著名发育生物学家,是世界上最早使用克隆技术,在细胞核移植方面的先驱性人物。

那么,笹井芳树究竟做出了什么样的成绩呢?

1.神经诱导因子chordin的确立及其作用机制

1935年诺贝尔奖获得者Hans spemann在两栖动物的研究中发现一种调控体,这种调控体可以诱导包括神经在内的动物背侧区域的发育。然而其潜在的分子实体及调控机制在当时还并不清楚。为了纪念spemann的发现,人们把这种调控体命名为spemann 形成体。时隔70年后,笹井作为博士后,在Edward M. De Robertis研究组里以非洲爪蟾为研究对象,第一个发现并证实了在早期胚胎发育时由spemann 形成体分泌出的神经诱导因子的分子实体为chordin,并对它的作用机理进行了深入的研究。

1990年代初期,分子生物学迅速发展,而发育生物学与分子生物学的融合也将呼之欲出。笹井利用在京都大学时期学到的分子生物学知识,仅用了一个月的时间,就克隆出了chordin基因。他将chordin在非洲爪蟾的未分化组织中过表达,发现这个组织会分化为神经结构;随后,他又发现骨形成因子BMP4是抑制chordin神经分化活性的拮抗因子,BMP4-chordin相互抑制的作用模式不仅影响着神经系统的发育,同时还对个体发育中背腹轴的决定起着至关重要的作用。笹井的这些研究成果,成为早期发育生物学的重大科学依据,被编入到神经发育生物学的教科书中。

2.胚胎干细胞(ES)的诱导分化研究

1996年,笹井回到日本,就任京都大学医学部生命情报科学研究组的助理教授。1998年,年仅36岁的他,升任为京都大学再生医科研究所教授。成为日本最年轻一代的教授之一。

为了更进一步弄清神经系统的由来,这个时期的笹井开始将研究聚焦在使用胚胎干细胞诱导神经系统的发育上。胚胎干细胞,众所周知,是最具全能性的干细胞,在理论上,具有分化为机体中所有细胞的潜能。为了排除在体内分化诱导时,周边组织或信号造成的复杂信息干扰,笹井提出在体外进行实验操作。这一大胆的尝试,开辟了发育生物学新的研究领域,被称为“建设性发育学”,他也由此在该领域中创造出了大量先进的科研成果。

2.1 ES细胞诱导中枢神经细胞的形成

2000年,笹井离开了京都大学,来到理化学研究所・发育生物学综合研究中心(以下简称CDB),并兼任研究主任。他首先用老鼠的ES细胞与stromal 细胞共培养,得到了分化为中枢神经系的神经元细胞他们将这一方法命名为Stromal cell Derived Inducing Activity(SDIA)。他们发现,ES细胞更多的被诱导为分泌多巴胺的神经细胞。

鼠ES细胞分化的分泌多巴胺的神经细胞(图片来源:www.cdb.riken.jp/news/2014/topics/0829_4980.html)

2.2 ES细胞诱导视网膜色素上皮细胞,末梢神经系神经细胞的形成

2002年,同样使用SDIA法,他的研究组将灵长类ES细胞成功诱导分化为分泌多巴胺的神经细胞。

随着研究的深入,笹井对于体外分化诱导产生了更加浓厚的兴趣和热情。他带领团队,再次使用SDIA法将ES细胞成功诱导成为视网膜色素上皮细胞。在此后的十年间,有关色素上皮细胞的诱导法不断被更新,在SDIA法的基础上,他们发现在培养中添加BMP4,Shh等因子后,ES细胞的分化范围得到扩大,甚至延伸到中枢神经系细胞,末梢神经系神经细胞。

灵长类ES细胞分化的分泌多巴胺的神经细胞(图片来源:www.cdb.riken.jp/news/2014/topics/0829_4980.html)

2.3 ES细胞诱导大脑神经组织的形成

在以往的研究中,有关大脑神经细胞的分化诱导鲜少有报道。包括SDIA法在内的传统的诱导方法,都不能够成功诱导出大脑神经细胞。因此,笹井带领团队,经过不断的尝试,于2005年成功开发出一种新型培养方法,Serum-free Floating culture of Embryoid Body-like aggregates (SFEB)。这种方法不需要与其他细胞共培养,只需将ES细胞悬浮在培养液中,使其自动凝集,就可以大大提高神经细胞生成的效率,同时可使ES细胞高频度的分化形成大脑前驱细胞。在培养液中添加Shh,Wnt3a等因子,大脑的某些特殊领域,如大脑皮质,大脑基底核等都能够被选择性的诱导成功。

鼠ES细胞分化的大脑前驱细胞(图片来源:

www.cdb.riken.jp/news/2014/topics/0829_4980.html)

2.4 ES细胞诱导感光细胞,小脑purkinje细胞,下丘脑神经细胞的形成

诱导出视网膜色素上皮细胞以后,他们觉得还不够,笹井又带领团队发起了新的挑战,这次他们想要诱导出具有视觉基本机能的感光细胞。通过将SFEB法与DLFA法相结合,ES细胞先被诱导成神经视网膜前驱细胞,最后成功分化为感光细胞。

同时,他们改良SFEB法,得到一种能够快速使ES细胞再凝集的新型SFEBq法。使用这种方法后,他们又成功诱导出小脑purkinje细胞,及下丘脑神经细胞。

鼠ES细胞分化的小脑purkinje细胞(图片来源:

www.cdb.riken.jp/news/2014/topics/0829_4980.html)

3.自体组织化形成

时间到了2008年,到目前为止,笹井已经带领团队大量地实践了使用ES细胞诱导分化出各类细胞的实验,并取得相当大的成功。然而,他始终在科研的道路上精益求精,孜孜不倦。仅仅是在体外诱导成细胞,并不能解决真正的医学难题。无法实现细胞的组织化就无法实现器官的再生,更别提服务于医疗。

这个时期以后,他开始将重点集中在使分化了的细胞形成具有生物功能的自体组织化的研究方向,为以后的再生医疗做准备。

3.1 大脑皮质自体组织化

他们首先采用SFEBq法,快速而高效的将ES细胞诱导为神经前体细胞,接着将这些细胞在体外长期跟踪培养。他们惊喜的发现,在没有任何周边组织的相互作用下,仅仅通过他们的人工培养,ES细胞完全能够独立形成具有四层构造的大脑皮质组织。一时间,这一成果在世界范围内引起了轰动。

鼠ES细胞分化出的大脑皮质组织(图片来源:

www.cdb.riken.jp/news/2014/topics/0829_4980.html)

2013年,他们又使用人ES细胞,经过长期诱导培养,成功培育出了相当于妊娠中期时人的大脑皮质组织。

3.2 脑垂体自体组织化

接着他们对SFEBq方法进行了一些修改,成功的培育出脑垂体的自体组织化结构。这次实验成功的关键在于,大量提高ES细胞的数量,将其从普通诱导实验中的3000个增加到10000个,这样细胞群体内的信号环境就会发生更大的变化。由此,下丘脑细胞及口腔外胚层细胞相继形成,接着在细胞间的相互作用下,形成了外胚叶,这是形成垂体的来源。在添加了多种信号因子的作用下,腺垂体特有的各种分泌细胞,如促肾上腺皮质激素(ACTH)产生细胞就会分化形成。将这些诱导形成的垂体组织移植到垂体缺失的小鼠中后,发现小鼠血液中的ACTH浓度增加,并且恢复了小鼠的正常活动量及存活率。

鼠ES细胞分化出的下垂体组织(图片来源:

www.cdb.riken.jp/news/2014/topics/0829_4980.html)

3.3 立体视网膜自体组织化

2011年,在之前诱导视网膜色素上皮细胞,感光细胞的基础上,他们同时进行了体外具有三维复杂构造的立体视网膜组织的分化诱导。这也是在世界范围内的首次尝试。

他们对SFEBq方法同样进行了一些修改,先通过ES细胞诱导出神经上皮和视泡,再通过它们得到了具有视网膜前体的视杯结构。再将视杯长时间体外培养后,成功分化为与出生后的视网膜相似的具有多层结构兼带神经系统的视网膜这是世界上第一例被诱导成功的立体视网膜。

在胚胎学中,长期以来科学家一直认为,视杯是由来自外部组织(如晶状体和角膜)的物理作用诱导产生的,但在使用ES细胞的实验中,视杯的形成却是由内在分化机制决定。这一发现促使科学家们能够从多角度思考和研究复杂三维结构的自主形成机制。

这也为日后高桥政代研究室世界首次人工诱导形成的视网膜临床试验奠定坚实的理论基础,他们使用Induced Pluoripotent Stem cells (iPS细胞)诱导出具有三维结构的视网膜,并成功移植到高龄黄斑病变患者体内。

鼠ES细胞分化出的自体组织化三维视杯机构(图片来源:

www.cdb.riken.jp/news/2014/topics/0829_4980.html)

如此众多的科研成果,几乎每一项都处于世界领先的水平。它们分别被刊登在Neuron, Development, Developmental Cell, Developmental Biology, Proc.Natl.Acad.Sci, Cell Stem Cell, Cell Reports, Nature Neurosci, Nature Communications, Nature, Cell 等国际顶级科学杂志上。

巨星的陨落

2012年,一位叫小保方晴子的研究员以独立学科带头人的身份加入到理研CDB,主要负责“刺激触发性多能干细胞”(Stimulus-Triggered Acquisition of Pluripotency cells,简称STAP细胞)的开发研究工作。当时的CDB中心负责人竹市俊雅,希望时任CDB中心副主任的笹井芳树能够担任小保方晴子的上级指导。

从那以后,笹井芳树作为小保方晴子的共同研究者兼指导,与她一起展开了STAP细胞的研发。噩梦也是从那时开始的。

2014年1月,篇有关相似于iPS细胞的万能STAP细胞被培育成功的研究成果刊登在了《自然》杂志上。小保方晴子均为第一作者,通讯作者为她在美国时的导师Charles Vacanti,笹井芳树与若山照彦教授则为共同作者。但与iPS细胞不同的是,小保方晴子的实验根本不需要进行基因重编,仅用酸性溶液即可实现对体细胞的诱导,从而得到具有万能分化潜能的STAP细胞。

刺激惹起性多能性獲得細胞(图片来源:Wikipedia)

文章发表后,立即引起全世界的高度关注。继iPS细胞之后,这一结果堪称再一次刷新人们对于万能细胞制作方法的传统认知。

很快质疑的声音从四面八方袭来。美国,欧洲的科学家纷纷提出实验可重复性的疑问,称根据文章中给出的实验条件,根本无法得到STAP细胞。迫于压力,理化学研究所不得不派出专家调查团,彻查论文的真实性。

最后的结果,大家也早已知晓。两篇论文均被自然杂志撤回。小保方晴子从理研宣告辞职。而笹井芳树,选择结束自己的生命。

然而直到生命的尽头,他依然没有把责任推给小保方晴子,在他身旁的公文包里,有一封遗书,上面有写给她的一句话“不怪你,请务必制作出STAP细胞...”

很多人为他的选择扼腕叹息。仅仅只是作为指导,就要赔上性命,这个代价未免太大。调查结果显示,小保方晴子制作出的STAP细胞里很大程度上掺入了具有分化全能性的ES细胞,才使得她论文中的数据得以完美维持。而笹井作为她的上级指导,更多的是从实验整体的构思,框架去理顺和把握,具体的实验操作是绝不会插手的。由于对属下的充分信任,致使他疏于监察实验细胞的污染,才终究酿成悲剧的结局

天才的枷锁

我相信他是一个不断翻越人生高峰的攀登者,在他有限的生命中,他从未停止过脚步。每一次攀登的顶点都会成为下一次挑战的起点。除了科研上的攀登,生活中他恰巧也是一个热爱登山的人。在登山队中,曾数次打破个人独立登顶的记录,他的队友评价他说,是一个“特立独行的攀登天才”;而他二十多年的友人,京都大学大学院理学研究科教授阿形清和也说,与作家新田次郎的小说《孤高的人》里的主人公相似,他是一个“孤高的天才”;而他一直在圈内享有“论文执笔天才”的美誉,因其缜密的逻辑思维,卓越的文字编辑能力,巧妙的起承转合设置,让学术圈内的同行们无不自叹弗如,结论的总结也总是出人意料,又令人惊喜,常常使看完论文的人自发感叹“真是了不起的研究”。

一个人的一生中,哪怕只被称赞过一次“天才”,已足以证明他的过人之处。像笹井芳树这样,在数个领域都被称为天才的科学家,实属凤毛麟角。

然而“天才”的美名在成就他的同时,也似变成了一种无形的枷锁,桎梏了他。毕竟,天才的人生,不允许有任何形式的污点。

吾本无名小辈,实不敢冒犯已故之前人,只是在每年的诺贝尔奖颁发之时,我总是不经意的想起他。那颗发育生物学界最亮的北极星,曾经为多少个迷途的前行者指明方向,然而他却在自己的迷途中,挥一挥衣袖,走得干净。

参考文献:

1, Wikipedia 笹井芳樹

2, wikipedia John Gurdon

3, Wikipedia 刺激惹起性多能性獲得細胞

4, Wikipedia 小保方晴子

5,产经新闻”“孤高の天才”笹井氏、STAP問題で真意は届かず たぐいまれなロジックの使い手、核心を語らないまま”

6,http://www.cdb.riken.jp/news/2014/topics/0829_4980.html

7,http://www.cdb.riken.jp/jp/04_news/articles/050809_sasaigd.html

8, https://www.j-cast.com/2014/08/11212905.html?p=all

9,Piccolo, S., Sasai, Y., Lu, B., and De Robertis, E.M. (1996) Dorsoventral patterning in Xenopus: Inhibition of ventral signals by direct binding of Chordin to BMP-4. Cell 86, 589-598.

作者单位:日本理化学研究所

本文由科普中国融合创作出品,Fannie放制作,中国科学院计算机网络信息中心监制。