干細胞與組織工程研究動態(tài)

趙貴英，張樹庸

干細胞與組織工程的新理論、新方法、新成果研究日新月異，層出不窮，筆者僅就 2011 年干細胞與組織工程研究的一些情況加以總結(jié)供讀者參考。

美國《技術(shù)評論雜志》2011 年 7 月 15 日報道，干細胞治療眼黃斑變性進入臨床試驗。美國進行了首例以人類胚胎干細胞醫(yī)治眼黃斑變性患者的案例。這是美國食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)的第二起人類胚胎干細胞人體臨床試驗。根據(jù)美國食品藥品管理局 2010 年 11 月批準(zhǔn)的計劃，將按12 例患者個體條例來創(chuàng)建測試細胞，再借助維生素以及其他化學(xué)物質(zhì)，使干細胞轉(zhuǎn)化成健康的眼部細胞。按照治療程序，每位患者需注入 5 萬 ～ 20 萬個視網(wǎng)膜色素上皮細胞，以此新細胞來治療眼黃斑變性。加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員進行了這一手術(shù)，他們將 5 萬個細胞植入患眼黃斑變性患者的眼內(nèi)，患者視力得到一定程度的恢復(fù)，并且患者在手術(shù)過程中適應(yīng)性良好。

英國《自然》雜志報道，日本研究人員利用實驗鼠的胚胎干細胞人工培育出視網(wǎng)膜的雛形結(jié)構(gòu)，這是世界上迄今人工培育出的最為復(fù)雜的生理組織。日本理化研究所發(fā)育生物學(xué)中心的研究人員表示，在一種特殊的培養(yǎng)介質(zhì)中，實驗鼠的胚胎干細胞逐漸自動形成了與酒杯形狀相似的視杯結(jié)構(gòu)。視杯結(jié)構(gòu)是胚胎發(fā)育初期的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)。它會逐漸發(fā)育出感光細胞、神經(jīng)細胞等進而形成視網(wǎng)膜。研究人員人工培育出的視杯從結(jié)構(gòu)上看與天然形成的視杯相似，研究人員正在對人工培育出的視杯進行功能檢測，檢測它是否能感受光線并將相關(guān)神經(jīng)信號傳遞給實驗鼠的大腦。如果進一步研究能夠確認(rèn)人工培育的視杯功能，將非常有助于眼科疾病的研究和治療，為修復(fù)受損視網(wǎng)膜提供可能。

2011 年 9 月 2 日美國出版的《細胞》雜志報道，美國耶魯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種能夠促進頭發(fā)再生的干細胞，并在小鼠實驗中獲得了證實。研究人員在小鼠中發(fā)現(xiàn)在皮膚脂肪層中存在一種干細胞，能發(fā)出一種分子信號刺激小鼠毛發(fā)再生。研究人員認(rèn)為，即使是在禿頂男性的毛囊根部仍然存在著這類干細胞，只是它們失去了啟動毛發(fā)再生的能力。這種毛囊干細胞需要從皮膚內(nèi)獲得生長頭發(fā)的信號，目前還不知道這些信號的來源。當(dāng)頭發(fā)停止生長時，頭皮中的脂肪層就會收縮，而當(dāng)頭發(fā)生長過程重新啟動后，脂肪層又會生長。研究人員指出如果能夠得到這些脂肪細胞，然后與毛囊底部那些休眠的干細胞進行交流，也許能夠讓頭發(fā)再次生長出來。研究人員發(fā)現(xiàn)，在脂肪層再度增長和頭發(fā)再生的過程中，一種能夠產(chǎn)生脂肪前體細胞的干細胞發(fā)揮了重要作用。這種細胞會產(chǎn)生一種名為 PDGF（血小板衍生生長因子）的分子，這種分子能恢復(fù)小鼠毛發(fā)的生長。研究人員正試圖確定在毛發(fā)生長中是否是由脂肪前體干細胞產(chǎn)生的分子信號起作用。研究人員將進一步展開試驗，以確定這種機制是否在人體中同樣存在并發(fā)揮作用，有望開發(fā)出治療脫發(fā)和禿頂?shù)娜炉煼ā?/p>

根據(jù)美國《細胞》雜志報道，日本京都大學(xué)的科學(xué)家取小鼠的胚胎干細胞培育成一種初始的源細胞，這種細胞能產(chǎn)生精子。將這種源細胞植入不能生育的小鼠睪丸中，源細胞產(chǎn)生了正常的精子。將這些精子注射到雌鼠的卵子中，不久雌鼠生出了健康的小鼠后代。一年后這些小鼠后代生長良好，還生出了繁殖能力正常的下一代小鼠。研究人員表示，雌鼠后代的妊娠率和那些通過天然精子人工受精的雌鼠一樣。

研究人員指出，盡管實驗在小鼠身上取得成功，但小鼠細胞和人類細胞還有很大的差別。將成熟的成人細胞誘導(dǎo)成干細胞使其變成精子，還需要有更多的試驗過程。英國科學(xué)家評論，如果人們能在實驗室里培育出產(chǎn)生人類精子的源細胞，這將是生育治療領(lǐng)域的里程碑。該動物試驗完成的報道，標(biāo)志著人類向這個目標(biāo)邁進了一大步。

根據(jù)英國《每日郵報》2011 年 4 月 12 日報道，英國愛丁堡大學(xué)的科學(xué)家在實驗室中利用人的羊水和動物胚胎干細胞培育出了人體腎臟，其長度和未出生嬰兒腎臟長度一樣。該腎臟長 0.5 cm，研究人員希望，這種腎臟移植入人體后能長到和成人腎臟大小一樣的尺寸。這一突破性的工作有望讓需要接受器官移植的患者按需要培育出自己的器官，在移植手術(shù)中避免了發(fā)生排異反應(yīng)。這就需要在胎兒出生后，將羊水收集保存起來，如果該嬰兒在成長過程中患腎臟疾病，可以用自己的羊水制造匹配的腎臟，進行人工移植，避免了排異反應(yīng)。

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng) 2011 年 8 月 30 日報道，在干細胞被發(fā)現(xiàn) 50 年后，加拿大科學(xué)家首次分離出單個人類血液干細胞，能夠讓整個血液系統(tǒng)再生，最新突破能讓科學(xué)家更有效地治療癌癥和其他疾病。相關(guān)研究發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。

盡管科學(xué)家們已開始利用在臍帶血中發(fā)現(xiàn)的干細胞，但是只靠捐贈臍帶血來給患者治療疾病是不夠用的。所以，從事該領(lǐng)域研究的科學(xué)家一直在致力于尋找單個純凈的干細胞，將單個干細胞移植入人體之前，可在培養(yǎng)皿中對其進行控制和擴增。這一最新發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家制造出足夠多的干細胞應(yīng)用于臨床，借以治療更多的疾病。

據(jù)《血液》雜志報道，法國科學(xué)家首次成功地在實驗室中用造血干細胞培育出人造血。研究人員從一個志愿者的骨髓中提取了造血干細胞，然后使用多種生長因子在實驗室里將干細胞培養(yǎng)成紅血細胞，然后再將培育成的約 100 億個紅血細胞重新輸入志愿者的體內(nèi)。注入 5 d 后發(fā)現(xiàn)，94% ～100% 的紅血細胞仍在體內(nèi)循環(huán)，26 d 后 41% ～ 63% 的紅血細胞仍在體內(nèi)循環(huán)，這是天然產(chǎn)生的血細胞的正常存活率。實驗室培育出的細胞的功能與正常的血細胞一樣，能有效地攜帶氧氣在體內(nèi)循環(huán)，這將為解決血液供應(yīng)不足另辟新徑。

據(jù)英國醫(yī)學(xué)《柳葉刀》雜志，2011 年 11 月 14 日研究報道稱，美國研究人員用干細胞療法治療心肌梗死的臨床試驗獲得成功。心肌梗死是指由于心血管功能受損，造成心肌缺血，現(xiàn)在用心血管搭橋手術(shù)來緩解癥狀。美國路易斯維爾大學(xué)等機構(gòu)的研究人員報道稱，他們對 16 名心肌梗死患者進行了干細胞療法。本次研究使用的干細胞，來源于搭橋手術(shù)中取出的心臟組織，培養(yǎng) 4 個月，然后將培養(yǎng)所得的大量干細胞輸回患者的心臟中。結(jié)果顯示，這些患者由于心肌受損，左心室在一次心跳中將血液正常壓出心室的幾率已降到 30.3%，但在接受干細胞治療后，這一比例上升到38.5%，這是令人驚喜的結(jié)果。研究人員表示，如果后續(xù)研究更進一步支持這種心臟干細胞的有效性，這可能成為心血管醫(yī)療領(lǐng)域的重大進步。

據(jù)美國《干細胞》雜志報道：美國科學(xué)家發(fā)明了一種新的制造誘導(dǎo)多功能干細胞（ips）的方法，用新方法可以大大提高制造 ips 的效率和純度，且沒有產(chǎn)生腫瘤的風(fēng)險。

目前，科學(xué)家制造 ips 主要是向成體干細胞引入Oct4、Sox2、K1f4 和 c-Myc 4 個基因。這些基因會將成體細胞重新編程為一個干細胞。這種方法可簡稱為 OSKM，在整個重新編程過程中，只有 0.1% 細胞真正變成 ips 細胞，另外 c-Myc 基因還有致癌問題。

明尼蘇達大學(xué)的科學(xué)家發(fā)明一種新的制造 ips 的方法，將 Oct4 基因和肌肉轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 MyoD 的片段混合在一起，制造出一個能從多方面改進 ips 制造過程的“超級基因”M3O（或“超級 Oct4”），可大大提高制造 ips 的效率和純度。科學(xué)家們也能借此了解制造 ips 細胞的機制。

研究人員表示，與 OSKM 方法相比，新方法制造老鼠和人的 ips 細胞的效率可提高 50 倍，純度也有所提高。新方法制造的 ips 細胞約占所獲得細胞的 98%，而 OSKM方法得到的純度僅有 5%。新方法也讓重組過程變得更加簡單，只需要 5 天 ips 細胞就會長出，而使用 OSKM 方法則需要 2 周，而且新方法不涉及 c-Myc，沒有產(chǎn)生腫瘤的風(fēng)險。

另外，OSKM 方法中，人體 ips 細胞通常需要同飼養(yǎng)細胞（用來維持胚胎干細胞的未分化狀態(tài)以便擴增足夠數(shù)量的細胞）結(jié)合培養(yǎng)，飼養(yǎng)細胞一般來自老鼠細胞，顯然，這樣的細胞被用于人體移植會產(chǎn)生問題。而新方法不需要這樣的飼養(yǎng)細胞，大大簡化了整個培養(yǎng)過程。

據(jù) 2011 年 7 月出版的生物醫(yī)學(xué)雜志《組織工程 A輯》報道，美國科學(xué)家通過復(fù)制天然小腸的組織結(jié)構(gòu)，成功地給一個小鼠造出了組織工程小腸。我們知道新生兒尤其是早產(chǎn)嬰兒患壞死性小腸結(jié)腸炎的風(fēng)險很高，并有生命危險。研究人員從小鼠的小腸收集了組織樣本，包含了構(gòu)成小腸的各種細胞層，如肌肉細胞、上皮細胞等，然后將樣本轉(zhuǎn)移到小鼠腹腔的支架上。新長出來的工程小腸包含了天然小腸的所有細胞類型（如肌肉、神經(jīng)、上皮細胞和某些血管）。所有這些發(fā)揮著重要功能的細胞類型都是來源于最初植入小鼠腹腔內(nèi)的各種細胞類型。研究人員下一步的工作，將朝著臨床實驗的方向進行。這一工作是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要突破，有望為治療人類腸道疾病開辟新徑。

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，一個國際科研團隊表示，他們移植人造氣管手術(shù)獲得成功，一位 36 歲的氣管癌患者，氣管已被完全堵塞，由于沒有移植配型，只能利用患者自身干細胞培育移植所需要的氣管組織來進行移植手術(shù)。研究人員首先建立一個支架和一個用于培育患者干細胞的生物反應(yīng)器，當(dāng)用生物反應(yīng)器培育的新細胞成長起來后，將其接種在支架上，支氣管組織長好后，移植入患者體內(nèi)，由于人工培育的新氣管是使用患者自己的干細胞制成的，因此沒有發(fā)生排異反應(yīng)，患者也不需要服用免疫抑制藥。

據(jù)美國出版的《組織工程》雜志報道，我國科學(xué)家研制出了骨組織工程仿生支架材料，解決了人體組織工程骨植入血液循環(huán)障礙的國際難題。利用生物組織工程技術(shù)，將種子細胞種植在支架上，形成與自體骨結(jié)構(gòu)功能相似的人體組織工程骨，修復(fù)缺損骨頭，是目前大規(guī)模骨缺損修復(fù)的主要問題。也就是說讓人體組織工程骨與自體骨進行充分的血液循環(huán)，使種子細胞迅速成長，是目前臨床研究的大難點。

我國研究人員模擬水蛭吸盤研發(fā)的封閉負(fù)壓吸引裝置，使骨缺損受區(qū)與骨組織工程仿生支架材料產(chǎn)生理想的血液流動，實現(xiàn)了血液在組織工程骨內(nèi)部的持續(xù)灌注及排泄代謝產(chǎn)物，為種子細胞提供了持續(xù)的氧和營養(yǎng)物質(zhì)。實驗中，科研人員將牛骨制成的仿生骨基質(zhì)材料，用于豬尺骨缺損修復(fù)，3 個月內(nèi)豬尺骨缺損修復(fù)效果良好。這不僅將為臨床大塊骨缺損修復(fù)提供了技術(shù)支持，同時也為斷指再植及體循環(huán)障礙等領(lǐng)域改善局部組織血液循環(huán)，促進循環(huán)血液流動提供了理論基礎(chǔ)。

2011 年 9 月 5 日英國出版的《自然》在線發(fā)表了我國科學(xué)家關(guān)于卵細胞重編程機制的最新研究成果，首次闡明了自然受精卵細胞重編程機制，使人們對早期胚胎如何獲得正常發(fā)育能力有了詳細的了解?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，動物受精并不是一個簡單的精卵結(jié)合的過程。形成一個早期胚胎，卵細胞需要對精子基因組進行一系列的重“編程”。最為重要的就是基因組 DNA 上胞嘧啶堿基的去甲基化。甲基化是蛋白質(zhì)和核酸的一種重要修飾，可調(diào)節(jié)基因的表達和關(guān)閉，與動植物生長發(fā)育，疾病發(fā)生發(fā)展有密切的關(guān)系。DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活化，而“去甲基化”則能誘導(dǎo)基因的重新活化和表達。在此之前，科學(xué)家并不清楚去甲基化這種化學(xué)修飾的改變是如何實現(xiàn)的，也不知道它為什么會發(fā)生。

研究人員發(fā)現(xiàn)，來自卵細胞的一個叫做“Tet3”的母源蛋白可以氧化精子基因組 DNA，并進一步調(diào)控父源基因的表達，以支持早期胚胎的正常發(fā)育。動物實驗發(fā)現(xiàn)，母鼠的卵細胞去除“Tet3”后，生育力會顯著下降。大部分胚胎在妊娠期發(fā)生退化，被母體吸收，以上研究為治療不孕癥提供了新的理論依據(jù)。

1961 年多倫多大學(xué)的歐內(nèi)斯特?邁克庫魯奇和詹姆斯?蒂爾首先開始了干細胞的研究，他們證實，血液細胞均來自一個造血干細胞，并確定造血干細胞具有自我更新、分化的潛能。經(jīng)過科學(xué)家的不斷研究，研究人員開始使用干細胞對血癌患者進行骨髓移植，這是迄今為止干細胞研究領(lǐng)域最為成功的臨床應(yīng)用，每年讓眾多患者受益。到了 2007 年日本科學(xué)家山中伸彌和美國科學(xué)家同時通過對小鼠的實驗發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)人體表皮細胞使之具有胚胎干細胞的特征，從而建立了誘導(dǎo)多能干細胞（ipscell），這是干細胞研究領(lǐng)域的一個巨大進步。為此，英國科學(xué)家約翰?格登和日本科學(xué)家山中伸彌榮獲 2012 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。世界各國如火如荼地對干細胞和組織工程展開了多方面的研究，可以看出干細胞和組織工程的研究將為人類疑難病的治療開辟廣闊前景。