干细胞研究精彩纷呈
□张田勘
如今，干细胞和再生医学研究呈现三种路径和两个基本点。三种路径，一是在实验室中先让干细胞长出相应的组织和器官，再移植到患者体内；二是直接把干细胞注入到病患者相应的受损伤部位，长出相应的组织和器官；三是诱导患者体内的干细胞直接修复或重建受损部位。两个基本点，一是利用胚胎干细胞(ES细胞)作为再生来源，二是使用诱导的多能干细胞(iPS细胞)作为再生来源。而它们的立足点都在于，让干细胞定性定量重新生长出不同的组织、肌肉或器官，以修复或重建受损的组织和器官。
令人欣喜的是，2010年的干细胞和再生医学研究在这些方面都有一些实质性的成果，并展现了诱人的前景。
更多了解安全性和细胞特性
干细胞的基础研究是指了解和发现生物体内各种组织器官中原有干细胞的特点，以及ES和iPS的特点、安全性，从而为干细胞的临床应用奠定基础。2010年这方面的工作有很大的起色。
, 百拇医药
首先是在寻找iPS的安全性方面有了突破。2007年日本京都大学的山中伸弥研究小组使用逆转录病毒把4种基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4转移到人的成体细胞中，把成体细胞转化为了iPS细胞。但是，科研人员对iPS细胞也很快产生了可能发生癌变的担心。2010年8月，山中伸弥等在《美国科学院院报》上报道，他们发现L-Myc基因的结构与c-Myc基因非常相近。为了比较两种基因的功能，他们分别把这两种基因搭配其他3种基因一起植入实验鼠体细胞中，培育出iPS细胞。然后，再让其分化成生殖细胞，并孕育出实验鼠后代。约两年后，用含c-Myc基因的iPS细胞孕育的实验鼠后代有70%以上出现了肿瘤，但利用L-Myc基因的iPS细胞孕育的实验鼠后代则几乎未发现肿瘤。尽管用L-Myc基因代替c-Myc基因培养的iPS细胞为何不产生癌症的机能尚不清楚，但至少为使用iPS细胞奠定了安全的基础。
此外，2010年研究人员对神经系统，主要是大脑和脊髓(中枢神经)中的干细胞有了更多了解。美国洛杉矶大学分校的阿诺德·克雷格斯坦研究小组发现，大脑中有一类新发现的干细胞可以在很大程度上帮助新皮质的形成。研究人员发现，人的大量放射状神经胶质细胞和间质祖细胞聚集在外脑室下区(OSVZ)，这些细胞参与了增生分裂和自我更新的非对称分裂，从而产生能进一步增殖的神经祖细胞。而且，对外脑室下区神经祖细胞的“Notch”信号进行转化，可诱导神经细胞的分化。这些都表明，外脑室下区是人大脑中干细胞的主要来源。如何激发其发育和生长是治疗各种大脑疾病，包括老年性痴呆和帕金森病的基础。
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神经干细胞要发挥治病和修补受损神经的作用，还需要移行到正确的部位。过去认为，神经干细胞的移行是通过星形胶质细胞的通道链进行的。现在，日本名古屋市立大学的泽本和延带领的研究小组发现了神经干细胞通行的一种新方式。研究发现，老鼠脑内新产生的神经细胞(干细胞)有着相似的移行路线。例如，干细胞在通过脑内分布最广的星形胶质细胞间隙时，会分泌一种名为“缝隙”的可扩散的蛋白质，它的受体称为“绕道”蛋白，分布于星形胶质细胞上。星形胶质细胞的受体接受到这种蛋白质信号后，就会把自身凸起的部分收缩回去，从而为神经干细胞让出一条通道，使神经干细胞得以在脑内移动。
脊髓受伤，是否也可以动员生物体内这一部位的干细胞生长并修补受损部位呢？瑞典卡罗林斯卡医学院的乔纳斯·弗里森研究小组发现，脊髓中的室管膜细胞就是一种干细胞，不仅可帮助生成更多新的脊髓细胞，还能帮助恢复脊髓功能。脊髓中具有干细胞特征的有少突胶质细胞的祖细胞，其能产生新的成熟的少突胶质细胞。此外，还有星形胶质细胞和室管膜细胞。后两者在完整的脊髓中也能产生新的细胞，但是，只有室管膜细胞在完整的脊髓和脊髓受伤后能产生大量的子细胞。这意味着，一旦老鼠的骨髓组织受损，存在于骨髓中的室管膜细胞就会被激活，和一些其他类型的细胞一起，分化形成更多的新的骨髓细胞，成为新骨髓细胞的主要来源。这个发现的意义在于，在脊髓受损后，如果能通过药物或某种细胞因子，有选择地刺激室管膜细胞，就能让其分化形成更多的脊髓新细胞，从而迅速和高质量地帮助受损脊髓恢复功能。
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培育成功各种组织器官
利用干细胞来治疗心脏病是现在干细胞治疗的一个热点，但是要让干细胞长成相应的心肌细胞却比较困难。2010年5月，西班牙哈恩大学健康科学系的玛卡雷娜·佩兰研究小组宣布，他们把脂肪组织的干细胞转变成为心肌细胞。做法是，从人类脂肪组织中分离出成熟的干细胞，让这些细胞暂时暴露于人类的心房细胞中，随后再对这些细胞重新进行培养。经过21天的培养，这些细胞向着心肌细胞的表型方向分化，即生长成心肌细胞。当然，该方法用于临床治疗心脏病可能还需要较长的时间。
美国斯坦福大学和加利福尼亚大学的研究人员对老鼠进行研究，发现了两栖动物蝾螈的四肢可以再生，而哺乳动物却无法再生的原因。他们的研究再次证明了过去的假说——哺乳动物放弃再生能力，是因为再生可能导致癌症。在这个过程中，一种被称为肿瘤抑制的基因(Rb)和另一种被称为ARF的基因起到了重要作用，它们具有阻止组织再生的功能。研究人员把Gata4、Mef2c和Tbx5 3种基因植入老鼠体内的细胞，同时抑制Rb和ARF基因的作用。结果发现，老鼠体内原本只具有结构功能的普通成纤维细胞转变为搏动的心脏细胞，这一过程只需要几天。如果这一实验能在人体证实，那么利用干细胞修复组织的再生医学将会进入一个新的境界。
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美国辛辛那提儿童医院医学中心的詹姆斯·威尔斯的研究团队在2010年12月12日出版的《自然》杂志在线版上发表研究成果称，他们在实验室中首次将多功能干细胞变成了功能性人体肠道组织。该团队采用了几个月大的人体胚胎干细胞(hESCs)和基于人体皮肤细胞的iPS细胞。iPS细胞可以使用患者的细胞来获得，由此具有不发生免疫排异反应的优点。用ES细胞和iPS细胞培育成人体完整的肠道为治疗一些疾病奠定了基础，如坏死性小肠结肠炎、炎性肠病、短肠综合征。另外，这一研究也有助于帮助了解人类肠道发育的过程和肠道吸收的功能，为将来设计出更好、更容易吸收的口服药物提供了线索。
美国哥伦比亚大学医学中心组织工程学及再生药物实验室杰瑞米·毛的研究小组在动物口腔内进行了牙齿再生的实验，结果令人满意。研究人员在22只老鼠的前齿上做了一个由聚己内酯和羟磷灰石形成的托架，然后向其中注入基质细胞衍生因子和骨成形蛋白7(这两种物质就相当于促进骨生长的干细胞)。9个星期后，这些老鼠的牙托部位长出了纯粹的牙周轫带，在老鼠前牙的界面处还长出了新的牙骨。这意味着，今后有可能只需在患者口腔内植入一个托架，并将患者体内的干细胞引导至缺牙的部位，就可以让缺牙的地方长出新牙，实现真正意义上的牙齿再生。该研究小组随后还于2010年7月29日在《柳叶刀》上公布他们在兔子身上完成了关节再生的实验性治疗。
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美国维克森林大学浸会医学中心的谢伊·索科尔团队使用人体干细胞首次在实验室培育出微型人体肝脏。研究人员首先将动物肝脏中的细胞除去，只留下支持细胞生长的胶原蛋白框架以及一个细小的血管网络。接着，将不成熟的人类肝脏细胞和内皮细胞(两者类似干细胞)逐渐填入“支架”中。随后，再将整个框架移入一个生物反应器中，并使用营养物质和氧气的混合物来培养这些细胞。一周后细胞的生长状况非常好，表现出了真正人体肝脏的许多功能。但是，这一研究还处于初级阶段。要想获得临床可用的肝脏，还需要同时培育出数十亿个肝脏细胞，以生长出足够大的肝脏供患者使用，同时得保证这些器官安全可靠。
为临床治疗带来惊喜
现在，干细胞的实验性治疗比较多的是针对肌肉、骨骼和神经的再生、修复，动物实验取得了较多结果。
美国科罗拉多大学的布拉德利·奥尔温等人把来自健康老鼠的骨骼肌干细胞植入腿部受伤的老鼠体内，结果发现，受伤老鼠的腿部肌肉在几天内得以恢复，同时，受伤部位的肌肉质量比受伤前增大了约1.7倍。移植进受伤老鼠体内的骨骼肌干细胞不仅占据和覆盖了受伤老鼠腿部肌纤维中的肌肉萎缩部分，而且也填充了受伤老鼠的卫星细胞部位。此外，这些移植进的细胞有自我更新能力。如果这一成果能够应用于人类，肌肉萎缩症等疾病就有望找到新疗法。目前，他们已着手进行将人类或大型动物的干细胞植入实验鼠的实验，以验证是否能达到同样效果。
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我国哈尔滨医科大学李呼伦教授的科研小组利用骨髓间充质干细胞来治疗自身免疫性重症肌无力，动物实验获得了初步成功。过去认为，Th1和Th2辅助性T细胞功能的失衡与重症肌无力的发病有关。李呼伦研究小组以人类重症肌无力的大鼠实验动物模型作为研究对象，通过尾静脉大剂量回输骨髓间充质干细胞，并对实验动物进行临床症状评定，发现和证实了4种辅助性T细胞——Th1细胞、Th2细胞、Treg(调节性T细胞)、Th17细胞的功能失衡是重症肌无力发病的重要因素。骨髓间充质干细胞不仅具有组织修复功能，同时具有旁分泌细胞因子效应，因此可应用于自身免疫性疾病等免疫系统紊乱性疾病的治疗。另外，骨髓间充质干细胞可以来自自体，避免了移植排斥和使用胚胎干细胞的伦理问题。
2010年8月，日本庆应义塾大学的冈野荣之小组和京都大学的山中伸弥研究团队在《美国科学院院报》上发表报告说，他们用安全的iPS细胞治好了因脊髓神经受损而失去行动能力的老鼠。他们采用的iPS细胞是从小鼠神经细胞分化所获得的，把这种干细胞植入患有非肥胖性糖尿病合并严重免疫缺陷的小鼠脑部，结果在脑部产生了有电生理功能的神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞(三种主要的神经细胞)。移植这些干细胞半年后，未发现老鼠脑部有肿瘤产生。经过安全检验后，研究人员再把这种安全的iPS细胞植入脊髓受损的老鼠脊髓中，结果老鼠脊髓中也产生了以上3种神经细胞。与此同时，这些安全的干细胞也参与了老鼠神经髓鞘的再生以及诱导能贮存5-羟色胺的神经纤维轴突的重建。所有这些意味着移植进老鼠脊髓的干细胞已经诱导和重建了神经，并且与肌肉建立了轴突联系，因此老鼠恢复了行动功能。
2010年12月8日，同样是日本东京庆应义塾大学冈野荣之的研究小组宣称，他们采用iPS细胞对一只瘫痪的绒猴(美洲产小型长尾猴)进行治疗获得成功。他们先将4种基因移植到人体皮肤细胞中，诱导皮肤细胞生成iPS细胞，然后再把其注射到绒猴体内。6周以后，绒猴已经能到处蹦跳，这已经接近于它受伤前的正常运动水平。此外，这只绒猴用前肢抓握物体的力量也恢复到了80%。虽然以后的疗效和多种结果还需要观察，但是这只绒猴所体现的干细胞治疗的前景已经非常诱人。而且，由于使用的是iPS细胞，能避开使用胚胎干细胞的伦理争论和干细胞来源的限制。, 百拇医药
如今，干细胞和再生医学研究呈现三种路径和两个基本点。三种路径，一是在实验室中先让干细胞长出相应的组织和器官，再移植到患者体内；二是直接把干细胞注入到病患者相应的受损伤部位，长出相应的组织和器官；三是诱导患者体内的干细胞直接修复或重建受损部位。两个基本点，一是利用胚胎干细胞(ES细胞)作为再生来源，二是使用诱导的多能干细胞(iPS细胞)作为再生来源。而它们的立足点都在于，让干细胞定性定量重新生长出不同的组织、肌肉或器官，以修复或重建受损的组织和器官。
令人欣喜的是，2010年的干细胞和再生医学研究在这些方面都有一些实质性的成果，并展现了诱人的前景。
更多了解安全性和细胞特性
干细胞的基础研究是指了解和发现生物体内各种组织器官中原有干细胞的特点，以及ES和iPS的特点、安全性，从而为干细胞的临床应用奠定基础。2010年这方面的工作有很大的起色。
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首先是在寻找iPS的安全性方面有了突破。2007年日本京都大学的山中伸弥研究小组使用逆转录病毒把4种基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4转移到人的成体细胞中，把成体细胞转化为了iPS细胞。但是，科研人员对iPS细胞也很快产生了可能发生癌变的担心。2010年8月，山中伸弥等在《美国科学院院报》上报道，他们发现L-Myc基因的结构与c-Myc基因非常相近。为了比较两种基因的功能，他们分别把这两种基因搭配其他3种基因一起植入实验鼠体细胞中，培育出iPS细胞。然后，再让其分化成生殖细胞，并孕育出实验鼠后代。约两年后，用含c-Myc基因的iPS细胞孕育的实验鼠后代有70%以上出现了肿瘤，但利用L-Myc基因的iPS细胞孕育的实验鼠后代则几乎未发现肿瘤。尽管用L-Myc基因代替c-Myc基因培养的iPS细胞为何不产生癌症的机能尚不清楚，但至少为使用iPS细胞奠定了安全的基础。
此外，2010年研究人员对神经系统，主要是大脑和脊髓(中枢神经)中的干细胞有了更多了解。美国洛杉矶大学分校的阿诺德·克雷格斯坦研究小组发现，大脑中有一类新发现的干细胞可以在很大程度上帮助新皮质的形成。研究人员发现，人的大量放射状神经胶质细胞和间质祖细胞聚集在外脑室下区(OSVZ)，这些细胞参与了增生分裂和自我更新的非对称分裂，从而产生能进一步增殖的神经祖细胞。而且，对外脑室下区神经祖细胞的“Notch”信号进行转化，可诱导神经细胞的分化。这些都表明，外脑室下区是人大脑中干细胞的主要来源。如何激发其发育和生长是治疗各种大脑疾病，包括老年性痴呆和帕金森病的基础。
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神经干细胞要发挥治病和修补受损神经的作用，还需要移行到正确的部位。过去认为，神经干细胞的移行是通过星形胶质细胞的通道链进行的。现在，日本名古屋市立大学的泽本和延带领的研究小组发现了神经干细胞通行的一种新方式。研究发现，老鼠脑内新产生的神经细胞(干细胞)有着相似的移行路线。例如，干细胞在通过脑内分布最广的星形胶质细胞间隙时，会分泌一种名为“缝隙”的可扩散的蛋白质，它的受体称为“绕道”蛋白，分布于星形胶质细胞上。星形胶质细胞的受体接受到这种蛋白质信号后，就会把自身凸起的部分收缩回去，从而为神经干细胞让出一条通道，使神经干细胞得以在脑内移动。
脊髓受伤，是否也可以动员生物体内这一部位的干细胞生长并修补受损部位呢？瑞典卡罗林斯卡医学院的乔纳斯·弗里森研究小组发现，脊髓中的室管膜细胞就是一种干细胞，不仅可帮助生成更多新的脊髓细胞，还能帮助恢复脊髓功能。脊髓中具有干细胞特征的有少突胶质细胞的祖细胞，其能产生新的成熟的少突胶质细胞。此外，还有星形胶质细胞和室管膜细胞。后两者在完整的脊髓中也能产生新的细胞，但是，只有室管膜细胞在完整的脊髓和脊髓受伤后能产生大量的子细胞。这意味着，一旦老鼠的骨髓组织受损，存在于骨髓中的室管膜细胞就会被激活，和一些其他类型的细胞一起，分化形成更多的新的骨髓细胞，成为新骨髓细胞的主要来源。这个发现的意义在于，在脊髓受损后，如果能通过药物或某种细胞因子，有选择地刺激室管膜细胞，就能让其分化形成更多的脊髓新细胞，从而迅速和高质量地帮助受损脊髓恢复功能。
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培育成功各种组织器官
利用干细胞来治疗心脏病是现在干细胞治疗的一个热点，但是要让干细胞长成相应的心肌细胞却比较困难。2010年5月，西班牙哈恩大学健康科学系的玛卡雷娜·佩兰研究小组宣布，他们把脂肪组织的干细胞转变成为心肌细胞。做法是，从人类脂肪组织中分离出成熟的干细胞，让这些细胞暂时暴露于人类的心房细胞中，随后再对这些细胞重新进行培养。经过21天的培养，这些细胞向着心肌细胞的表型方向分化，即生长成心肌细胞。当然，该方法用于临床治疗心脏病可能还需要较长的时间。
美国斯坦福大学和加利福尼亚大学的研究人员对老鼠进行研究，发现了两栖动物蝾螈的四肢可以再生，而哺乳动物却无法再生的原因。他们的研究再次证明了过去的假说——哺乳动物放弃再生能力，是因为再生可能导致癌症。在这个过程中，一种被称为肿瘤抑制的基因(Rb)和另一种被称为ARF的基因起到了重要作用，它们具有阻止组织再生的功能。研究人员把Gata4、Mef2c和Tbx5 3种基因植入老鼠体内的细胞，同时抑制Rb和ARF基因的作用。结果发现，老鼠体内原本只具有结构功能的普通成纤维细胞转变为搏动的心脏细胞，这一过程只需要几天。如果这一实验能在人体证实，那么利用干细胞修复组织的再生医学将会进入一个新的境界。
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美国辛辛那提儿童医院医学中心的詹姆斯·威尔斯的研究团队在2010年12月12日出版的《自然》杂志在线版上发表研究成果称，他们在实验室中首次将多功能干细胞变成了功能性人体肠道组织。该团队采用了几个月大的人体胚胎干细胞(hESCs)和基于人体皮肤细胞的iPS细胞。iPS细胞可以使用患者的细胞来获得，由此具有不发生免疫排异反应的优点。用ES细胞和iPS细胞培育成人体完整的肠道为治疗一些疾病奠定了基础，如坏死性小肠结肠炎、炎性肠病、短肠综合征。另外，这一研究也有助于帮助了解人类肠道发育的过程和肠道吸收的功能，为将来设计出更好、更容易吸收的口服药物提供了线索。
美国哥伦比亚大学医学中心组织工程学及再生药物实验室杰瑞米·毛的研究小组在动物口腔内进行了牙齿再生的实验，结果令人满意。研究人员在22只老鼠的前齿上做了一个由聚己内酯和羟磷灰石形成的托架，然后向其中注入基质细胞衍生因子和骨成形蛋白7(这两种物质就相当于促进骨生长的干细胞)。9个星期后，这些老鼠的牙托部位长出了纯粹的牙周轫带，在老鼠前牙的界面处还长出了新的牙骨。这意味着，今后有可能只需在患者口腔内植入一个托架，并将患者体内的干细胞引导至缺牙的部位，就可以让缺牙的地方长出新牙，实现真正意义上的牙齿再生。该研究小组随后还于2010年7月29日在《柳叶刀》上公布他们在兔子身上完成了关节再生的实验性治疗。
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美国维克森林大学浸会医学中心的谢伊·索科尔团队使用人体干细胞首次在实验室培育出微型人体肝脏。研究人员首先将动物肝脏中的细胞除去，只留下支持细胞生长的胶原蛋白框架以及一个细小的血管网络。接着，将不成熟的人类肝脏细胞和内皮细胞(两者类似干细胞)逐渐填入“支架”中。随后，再将整个框架移入一个生物反应器中，并使用营养物质和氧气的混合物来培养这些细胞。一周后细胞的生长状况非常好，表现出了真正人体肝脏的许多功能。但是，这一研究还处于初级阶段。要想获得临床可用的肝脏，还需要同时培育出数十亿个肝脏细胞，以生长出足够大的肝脏供患者使用，同时得保证这些器官安全可靠。
为临床治疗带来惊喜
现在，干细胞的实验性治疗比较多的是针对肌肉、骨骼和神经的再生、修复，动物实验取得了较多结果。
美国科罗拉多大学的布拉德利·奥尔温等人把来自健康老鼠的骨骼肌干细胞植入腿部受伤的老鼠体内，结果发现，受伤老鼠的腿部肌肉在几天内得以恢复，同时，受伤部位的肌肉质量比受伤前增大了约1.7倍。移植进受伤老鼠体内的骨骼肌干细胞不仅占据和覆盖了受伤老鼠腿部肌纤维中的肌肉萎缩部分，而且也填充了受伤老鼠的卫星细胞部位。此外，这些移植进的细胞有自我更新能力。如果这一成果能够应用于人类，肌肉萎缩症等疾病就有望找到新疗法。目前，他们已着手进行将人类或大型动物的干细胞植入实验鼠的实验，以验证是否能达到同样效果。
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我国哈尔滨医科大学李呼伦教授的科研小组利用骨髓间充质干细胞来治疗自身免疫性重症肌无力，动物实验获得了初步成功。过去认为，Th1和Th2辅助性T细胞功能的失衡与重症肌无力的发病有关。李呼伦研究小组以人类重症肌无力的大鼠实验动物模型作为研究对象，通过尾静脉大剂量回输骨髓间充质干细胞，并对实验动物进行临床症状评定，发现和证实了4种辅助性T细胞——Th1细胞、Th2细胞、Treg(调节性T细胞)、Th17细胞的功能失衡是重症肌无力发病的重要因素。骨髓间充质干细胞不仅具有组织修复功能，同时具有旁分泌细胞因子效应，因此可应用于自身免疫性疾病等免疫系统紊乱性疾病的治疗。另外，骨髓间充质干细胞可以来自自体，避免了移植排斥和使用胚胎干细胞的伦理问题。
2010年8月，日本庆应义塾大学的冈野荣之小组和京都大学的山中伸弥研究团队在《美国科学院院报》上发表报告说，他们用安全的iPS细胞治好了因脊髓神经受损而失去行动能力的老鼠。他们采用的iPS细胞是从小鼠神经细胞分化所获得的，把这种干细胞植入患有非肥胖性糖尿病合并严重免疫缺陷的小鼠脑部，结果在脑部产生了有电生理功能的神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞(三种主要的神经细胞)。移植这些干细胞半年后，未发现老鼠脑部有肿瘤产生。经过安全检验后，研究人员再把这种安全的iPS细胞植入脊髓受损的老鼠脊髓中，结果老鼠脊髓中也产生了以上3种神经细胞。与此同时，这些安全的干细胞也参与了老鼠神经髓鞘的再生以及诱导能贮存5-羟色胺的神经纤维轴突的重建。所有这些意味着移植进老鼠脊髓的干细胞已经诱导和重建了神经，并且与肌肉建立了轴突联系，因此老鼠恢复了行动功能。
2010年12月8日，同样是日本东京庆应义塾大学冈野荣之的研究小组宣称，他们采用iPS细胞对一只瘫痪的绒猴(美洲产小型长尾猴)进行治疗获得成功。他们先将4种基因移植到人体皮肤细胞中，诱导皮肤细胞生成iPS细胞，然后再把其注射到绒猴体内。6周以后，绒猴已经能到处蹦跳，这已经接近于它受伤前的正常运动水平。此外，这只绒猴用前肢抓握物体的力量也恢复到了80%。虽然以后的疗效和多种结果还需要观察，但是这只绒猴所体现的干细胞治疗的前景已经非常诱人。而且，由于使用的是iPS细胞，能避开使用胚胎干细胞的伦理争论和干细胞来源的限制。, 百拇医药
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