再生醫學研究與轉化應用

中國科學院院士 吳祖澤

人類疾病中還有很多疾病沒有尋到根治辦法，因此，人們期待著新一輪醫療技術革命。基于干細胞的修復與再生能力的再生醫學，有望成為繼藥物治療、手術治療后的第三種疾病治療手段。再生醫學主要研究對人體已經發生病變的組織、器官，采用修復、替換或再造的醫療策略，治療傳統醫療手段無法治愈的先天性遺傳缺陷疾病與后天獲得的退行性疾病，如創傷、心血管病、糖尿病、阿爾茨海默病、衰老等。

什么是干細胞呢？干細胞是人體當中的一個細胞群體，這個細胞群體在數量上很少。它的特殊功能在于能夠自我更新，也就是一個細胞經過分裂以后，可以產生兩個跟分裂以前非常相似的細胞。干細胞可以分化成為人體所需要的各種類型的細胞。正因為這樣一個細胞群體的存在，在人的生命周期中，細胞在數量、質量上能夠維持穩定。換言之，人體的很多細胞的壽命都是有限的，都處于不斷退化、衰老、死亡的過程中，必須有一些細胞來補充，這些細胞就是干細胞。

干細胞從哪兒來？從受精卵開始，受精卵經過發育，生成全能干細胞，這些全能干細胞可以發育成一個完整的個體；在它進一步的發育過程中，進入到了多能干細胞階段，多能干細胞仍然具有分化成為人體各種類型組織細胞的能力，但是它已經不能形成一個完整的個體；再進一步發育就進入到成體干細胞階段，成體干細胞是人的各種組織器官里面相應的干細胞；最后經過一個比較長的細胞增殖、分化、成熟、釋放過程，生成了終末分化的細胞，這些細胞都有特殊的功能，來維持人體正常的生理活動，這就是傳統的從受精卵開始到終末分化細胞的全過程。隨著科學的發展，發現終末分化的細胞在特殊的環境、特殊的細胞因子的影響下，可以引導裂分化為干細胞，甚至裂分化為全能干細胞，這種可以引導產生的多能干細胞，我們叫做iPS。在iPS的發現過程中，有兩位科學家作出了巨大的貢獻，一位是日本的 Yamanaka，另一位是英國的Gurdon，他們在2012年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。

再生醫學的核心就是干細胞。干細胞生物學包括組織再生的生物學基礎、胚胎干細胞、成體干細胞、重編程干細胞等技術研究，最后逐漸跟應用相結合，形成相應的應用技術研究，包括細胞治療、組織工程、基因治療、器官移植等等，這些相應的技術研究最后經過轉化形成再生醫學產業。下面我從幾個方面來講一講與再生醫學相關的產業。

一、干細胞治療

在干細胞的生成過程中，從全能干細胞到終末分化細胞，在這些細胞研究中，歷時最長、應用最廣泛是成體干細胞。所謂成體干細胞就是跟人體各個組織器官都有關系的干細胞。

（一）造血干細胞和間充質干細胞

在組織干細胞或成體干細胞中，科學家研究最多、臨床應用最多的是來源于骨髓的兩類干細胞，一類是造血干細胞，一類是支持造血干細胞活動的間充質干細胞。

1945年8月6日和9日，美國在日本廣島和長崎扔下了兩顆原子彈，造成大量的人員傷亡，一個很重要的因素是氮爆炸以后所產生的電離輻射對人體的傷害，這個傷害最重要的表現就是對造血系統的傷害。造血系統不能再造血了，血小板減少，克疫細胞減少，紅細胞減少，造成了缺血，造成了感染，造成了出血，最后引起死亡。因為是造血損傷，在對這些傷員進行救治的時候，必然就會考慮到造血系統的細胞發育過程。實際上，在 20世紀初，很多科學工作者就已經了解或者已經想到人體當中存在的干細胞。比如在造血系統中，我們已經了解到血細胞可能是由一類細胞產生的，這類細胞經過不斷增殖最后形成了髓系細胞和存在的淋巴細胞，這些細胞原始系很可能是一類干細胞，但是我們缺少證據。在當時的情況下，一方面，科學知識已經積累到一定的程度，另一方面，對于人體造血功能被破壞以后如何對傷員進行救治有非常強的社會需求，因此促進了學科的發展。比如說形成了放射生物學、放射醫學、實驗血液學、臨床血液學等等。這些學科的發展加快了人類對血細胞特別是血液干細胞的了解。

1951年，美國 NIH(美國國立衛生研究院)的科學家 Lorenz做了一個實驗，他把小鼠全身輻射，對小鼠造成了嚴重的造血損傷和缺血。在這種情況下，從尾靜脈辒入同類小鼠的骨髓細胞，最后這只小鼠的造血系統得到了恢復，造血細胞的數量也得到了恢復。這些細胞為什么能夠恢復呢？這就證明辒入的骨髓里存在一類造血干細胞，雖然數量很少，但是它進入被輻射的動物體內以后，可以不斷產生血細胞，重建造血系統，小鼠的造血功能得到了恢復，小鼠得到了救治。這個實驗研究必然會推動臨床研究的發展。1956年，華盛頓大學醫學院的托馬斯(E.D.Thomas)成功地為一名白血病患者做了世界首例骨髓移植。20世紀60年代，醫學界又進一步拓展了骨髓移植病例，采用放射療法和化學療法克服了病人移植后的異體排斥反應，提高了白血病的治療效果。20世紀70年代，骨髓移植已經成為全世界治療血液病包括白血病、再生障礙性貧血以及放射病的重要的臨床技術。1990年，托馬斯獲諾貝爾臨床醫學獎。造血干細胞移植是我國發展最早且最成熟的干細胞治療技術，目前至少有60種疾病可以應用造血干細胞移植技術來治療。

在骨髓當中的干細胞就是間充質干細胞（MSC），過去我們認為在骨髓中有一類細胞支持造血干細胞的細胞增殖跟分化，后來發現支持的細胞當中也有一類干細胞，這些干細胞就叫做間充質干細胞。間充質干細胞也可以分化成為各種類型的細胞，包括骨細胞、軟骨細胞、肌細胞、心肌細胞以及脂肪細胞，甚至可以分化成為神經細胞等等，這說明間充質干細胞也是一種分化潛力非常大的細胞。間充質干細胞不僅具有再生和移植的能力，同時還可以不斷釋放細胞因子，這些細胞因子同樣可以起到很好的治療效果。因此，間充質干細胞在臨床上又引起了大家的關注，MSC臨床研究目前主要集中于骨科、皮膚、心血管、癌癥、糖尿病、創傷修復、血液病、泌尿系統、類風濕性關節炎、牙科、眼科、衰老等領域。從地理分布來看，MSC臨床研究目前主要在美國、加拿大等國家。

2012年5月17日，美國Osiris醫藥公司宣布，加拿大衛生監管機構已批準使用該公司的Prochymal藥物治療兒童急性移植抗宿主疾病（GvHD）；2012年6月，Prochymal獲新西蘭FDA批準。Prochymal成為全球首個獲準用于治療全身性疾病的干細胞藥物，并將在其他7個國家相繼推廣。從那之后，迄今為止，大概有十幾個品種的干細胞藥品或者干細胞產品經過各個國家 FDI的批準正式上市。現在中國對于干細胞移植有很大的需求，中國每年大約有1億人需要進行人體組織修復或再生治療，這種需求極大地促進了我國干細胞基礎研究和臨床應用研究的發展。

2007年，解放軍 301醫院的盛志勇、付小兵院士團隊開展的國際上首例人體干細胞再生汗腺研究獲得成功。他們把間充質干細胞在體外轉化成為汗腺干細胞，然后用于因汗腺損傷不能排汗的燒傷病人，最后這個移植獲得成功。解放軍302醫院的王福生院士領導的團隊用臍帶間充質干細胞來治療慢性乙肝、肝硬化失代嘗和肝衰竭、肝腹水，取得了明顯的臨床療效，患者的肝臟功能得到恢復。

南京大學醫學院附屬鼓樓醫院的孫凌云團隊在國際上首先報道了“異體骨髓間充質干細胞移植治療紅斑狼瘡”“臍帶間充質干細胞移植治療紅斑狼瘡”“異體間充質干細胞移植治療肌炎皮肌炎、系統性硬化癥、多發性硬化、難治性類風濕關節炎”等案例，并與國內多家三甲醫院合作開展多中心臨床研究，獲得了國際同行的高度關注和認可。

（二）干細胞轉化研究的實例介紹

間充質干細胞在臨床應用方面是很廣的，因為它可以分化成為各種類型的細胞，所以現在很多人從各種炎癥出發去研究干細胞的臨床應用，其中一個方面就是牙科。

為什么干細胞對于牙科有好的治療效果呢，它立項的必要性、科學性和可行性在哪里呢？中國的牙周病發病率很高，大概在90%以上，這是成年人牙齒缺失的一個重要原因。2007年第三次全國口腔健康流行病學調查發現，50歲以上人群平均掉牙齒的顆數大概為11顆，65歲以上人群全部牙齒缺失的大概占30%，牙發育異常和牙頜畸形的占73%。這說明，在老齡化社會，牙周病的防治工作非常重要。

牙周病有什么危害呢？牙周病跟許多全身心疾病是有關系的，比如說跟肝腎疾病、心血管疾病、糖尿病、慢阻肺等都有密切的關系，它還跟消化道腫瘤、老年癡呆的發生有關系。牙周病看起來是一個小病，但是“病在牙周，禍及全身”，所以，牙周病治療已經成為我國一個重大醫療衛生需求。

如何治療牙周病呢？過去我們主要靠機械的方法，比如說通過洗牙去除菌斑和牙石，通過藥物治療清除炎癥，通過牙周翻瓣技術來清理深度牙周組織的炎癥等等。這些辦法都只能局部地發揮一定的作用，不能從根本上實現牙周治療，因為牙周病的最后結果是牙周組織退縮。比如說牙槽骨退縮，牙齦退縮，這些結果導致牙齒保護松動，牙齒脫落。所以要治療牙周病，根本的辦法就是讓那些退縮的牙周組織再生，才能夠從根本上保護牙質，從根本上治療牙周病。干細胞療法可能是一個全新的牙周炎治療或牙周再生的方式。

告訴大家，針對這個許多人不怎么介意的牙周炎，現在首都醫科大學北京口腔醫院口腔轉化醫學研究所、軍事醫學科學院放射與輻射醫學研究所和北京三有利和澤生物科技有限公司這三家單位正把“人異體牙髓干細胞注射劑治療牙周炎”作為課題進行聯合研發。

（圖1）

該課題于2011年立項。從圖1可以看到，牙質上面有干細胞，干細胞主要存在兩個部位。第一個是牙質的邊緣存在的牙周膜干細胞。拔牙的時候，在牙齒的邊緣有一層薄薄的黏液，在這個黏黏的液體當中就有干細胞，但是往往在拔牙的時候，這部分就已經被污染了，所以很難得到一個干凈的牙周膜干細胞。第二個是從牙髓取得干細胞，牙髓的干細胞很豐富，如果牙根沒有受傷害，沒有被破壞，牙髓干細胞是比較完整的，而且可以成功得到完整的牙髓干細胞用于牙周病的治療。

（圖2）

圖 2是牙髓干細胞制備的生產過程。首先我們要得到一個健康的異體的牙齒，口腔科每天都在拔牙，這些牙就有很多是健康的。接下來進行干細胞的提取，然后在培養液里面來擴增干細胞，最后把這些擴增以后的干細胞儲存起來，需要用的時候把它分裝成為干細胞注射液，干細胞注射液就可以通過微創注射的辦法進行治療。

（圖3）

圖3是人牙髓間充質干細胞的注射液的一個配方，在這個配方中，每一支注射液里面有1乘10的7次方的細胞。根據藥品申報要求，在藥學研究方面，我們完成了三批細胞原液質量檢定，細胞經過中國食品藥品檢定研究院的鑒定，確認它符合干細胞的質量要求；在藥效學研究方面，臨床指標、放射學和組織學檢查結果證明，人牙髓間充質干細胞注射液可以治療小型豬實驗性牙周炎，可有效再生牙周缺損；在一般藥理試驗方面，實驗結論表明，對動物的神經系統、呼吸系統、心血管系統均未見影響；我們還完成了急性毒理試驗、長期毒性實驗、藥代動力學試驗以及自然致癌試驗、促瘤試驗。

做這么多研究和測試的目的，就是要證明我們所制備的牙髓干細胞注射液是符合質量和臨床應用要求的，是安全的。我們專門對它的安全性做了評價，不僅在小鼠上證明它是安全的，而且在小型豬上證明它是安全的。我們還要證明它會不會產生急性的過敏反應，或者產生溶血反應等等，這些都保證了產品的安全性。

人異體牙髓干細胞注射液治療牙周炎的創新點在哪兒呢？

第一，干細胞取之于異體的健康的牙髓。第二，干細胞治療采用了細胞懸液的微創注射技術，而不是創傷性很大的手術。第三，如果干細胞經過基因修飾以后，比如說用HGF基因修飾以后，它的治療效果會進一步增強。這說明牙髓干細胞注射液的優勢在于它是簡便可行的，牙周組織再生的根治技術安全有效而且優于現有的治療手段。

干細胞治療是一種將自體或者異體的干細胞經過體外操作以后回辒給人體的一種治療方法。發達國家都非常重視干細胞治療的發展，雖然不同國家的衛生跟藥監系統所履行的職能有所不同，但共同的做法是，自體干細胞可以作為一種個體的干細胞產品用于臨床治療，就是自己的細胞可以用于自己的疾病治療。而異體干細胞可以作為一個通用的干細胞藥品用于臨床治療，所以，如果我們要把干細胞用于廣大的病人群體，就必須要發展異體的干細胞藥物。

干細胞的臨床研究，首先要完成干細胞的臨床前研究。它有兩個途徑，第一個途徑是經過國家食品藥品監督管理局的批準審核，進入到干細胞的臨床試驗，經過一期、二期、三期研究以后，證明產品安全有效且優于現有的治療手段，那有可能被批準為干細胞藥品進行注冊，然后用于病人；第二個途徑是作為研究的，作為干細胞臨床研究，必須要先完成干細胞的臨床前研究，然后進入到干細胞的臨床研究，如果證明它安全有效且優于現有的治療手段，在這種情況下，并不能夠直接用于臨床，因為還屬于研究的性質。但是可以在這個基礎上按藥品申報的途徑，重新進行藥品申報，這是我們當前政策的規定。

通過對 11個病人的臨床研究，在病人的骨膜下進行細胞注射，而不需要把牙周翻瓣切開進行手術，我們看它對于牙槽骨和牙周組織的影響。經過治療以后，這些牙周病人平均探診的深度，也就是說牙槽骨上升的高度可以增加1.7毫米。本來退縮的牙槽骨經過干細胞治療以后，可以再生長出1.7毫米。從牙周組織來看，經過治療以后，附著的水平可以增加1.3毫米到1.5毫米，這些增加使得已經松動的牙齒可以被保護得更及時，本來松動的牙齒有可能減輕松動甚至不松動。

牙髓間充質干細胞注射液治療牙周炎是重大醫療衛生的需求。通過臨床試驗研究，本項目有望成為全新的安全有效且治療效果明顯優于現有手段的牙周炎治療方法。異體牙髓間充質干細胞注射液有望成為治療牙周炎的干細胞新藥，它將產生巨大的經濟效益和社會效益。

（三）中國干細胞治療藥品或者產品的研究現狀

中國干細胞治療管理在 2011年以前發展很快，勢頭很好，但是由于當時管理上存在的問題，部分地區、部分項目比較混亂。2011年年末，當時的衛生部發布了《關于開展干細胞臨床研究和應用自查自糾工作的通知》，之后，衛生部組織了專家委員會，專門成立了領導小組進行了自查自糾。2015年 8月21日，國家衛生和計劃生育委員會正式發布了兩個文件，第一個文件是《干細胞臨床研究管理辦法（試行）》，第二個文件是《干細胞制劑質量控制及臨床前研究指導原則（試行）》。2016年 5月30日，國家衛生和計劃生育委員會官網公示了 30家首批通過備案的干細胞臨床研究機構名單。

我國科技部非常重視細胞治療領域的研究部署。“十二五”期間，支持經費超過24億元，對干細胞的基礎研究、關鍵技術和資源平臺建設給予了大力支持，取得了一批標志性成果。“十三五”期間，國家設立了“干細胞及轉化研究”專項，優先支持20個研究方向，對干細胞及轉化研究將有更大投入。“十三五”規劃中多次提到要重視開展基因編輯、細胞免疫治療、干細胞等多個熱門領域的研究工作。

二、基因治療

基因治療是用基因來治病。基因是一個DNA，DNA是進不了細胞的，所以基因治療必須把治療基因通過載體的攜帶形成基因治療的藥物，從而達到治療的目的。一般的基因都是通過病毒或者以質粒作為載體來攜帶，這些病毒和質粒都經過處理，是沒有毒性的，是安全的，這些重組的DNA可以在體外進行擴增，形成一個基因治療的藥品。這個藥品可以通過兩種途徑來治病，第一個途徑是直接給病人注射，可以在體內發生效果；第二個途徑是從病人體內取出某些細胞，在體外用這個基因藥物來進行修飾，然后再辒回到病人體內達到治療的目的，這都叫做基因治療。

現在上市的基因治療藥物中，我國正在申報基因治療藥物的侯選品種有18個，其中有兩個已經獲準上市。這兩個都跟腫瘤治療有關系。2012年，歐盟批準了國外第一個基因治療藥物，它主要是胰腺炎的基因治療藥物。除了經典的基因治療藥物以外，基因編輯技術發展非常快，它對于下一步基因治療的發展將會產生深遠的影響。

我們實驗室做過一個基因治療藥物，這個基因治療藥物的治療基因叫HGF。HGF是肝臟生長因子，它的功能是促進肝臟細胞再生，除此之外，還有很多其他功能。它是一個多功能的因子，它還能夠促進血管生成，甚至可以減少纖維化的發生，這個多功能細胞因子對人體健康很有用處。我們把這個基因做成一個基因治療藥物，用一個新病毒或者用一個質粒作為載體，然后重組的DNA經過體外擴增以后就成為一個基因 HGF重組的基因治療藥物。這個基因治療藥物進到一個細胞以后，它不是整合到染色體，而是以水體的形式存在于細胞核里面，利用細胞的轉入跟發源系統不斷地來合成 HGF的蛋白質，這個蛋白質釋放到細胞外面來，在局部起到一個治療作用。HGF是一個分子量很大的分子，一個蛋白質要靠重組辦法來合成大量的 HGF，這個成本是很高的。而基因治療藥物成本比較低，而且可以廣泛用于局部治療的需要。我們用它來治療缺血性的疾病，在大鼠、狗、小型豬上，造成的缺血模型經過它的治療以后都可以使血管通過側枝循環重新打通。

HGF基因治療藥物已經被批準用于一期臨床和二期臨床。臨床實驗中的一個病人，下肢動脈閉塞，有一個腳趾已經潰瘍，我們給他注射了一次 HGF基因治療藥物，一個月后形成大量的側枝循環，雖然血管還是阻斷的，但是形成側枝循環以后，血流開始暢通。原本潰瘍的腳趾結痂了，說明治療有效。另一個病人也是下肢動脈閉塞，他左腳血管閉塞，因為疼痛不能下地，住院之前得拄拐杖。在治療59天以后自己出院，可以不用拐杖了。HGF基因治療藥物目前已經進行到二期臨床，很快就進入三期臨床。

三、組織工程

什么叫組織工程呢？我們講的組織工程就是利用生物材料和細胞在一起孵育形成類似于組織的結構，用于缺損、損傷的組織的移植和治療。也就是說從人體取得細胞，然后進行體外培養擴增，再把細胞放在一個支架上，細胞在支架上面鋪滿生長，最后按照支架形成一個類似的組織。這個人造組織就可以用于已經發生缺損的組織的替換、移植、治療、修復。

我國第一個組織工程產品——組織工程皮膚（安體膚）于2007通過了國家SFDA的評審，獲準上市。該產品歷經10年研發，對中國組織工程產品研發和產業化以及相關政策的制定起到了推動作用，在中國組織工程領域具有里程碑的意義。目前已經能夠再造骨、軟骨、皮膚、腎、肝、消化道及角膜、肌肉、乳房等組織器官。

應用組織工程技術構建骨、軟骨、表皮、角膜等相對單一的組織已較成熟，但組織工程化器官的研究仍無突破性進展，其主要原因有兩個。第一是因為器官中含有不同的細胞，如何將不同的種子細胞嚴格按照正常的解剖結構在生物材料上有序排列與組裝，還需大量研究。第二是產生血管化組織的復雜性。組織的血管化可用于新生恢復血流供應，以此滿足構建帶有血液供應的人工組織的需要，從而適應臨床上具有一定厚度的組織修復需求。到目前為止，簡單的組織工程產品已經上市了，而復雜的組織工程產品包括器官仍然在研究中。

四、器官移植

器官移植主要是指異種器官移植，異種器官移植是目前挽救器官功能衰竭病人生命的重要手段。

我國每年有150萬人需要做器官移植，但是真正從人體獲得的器官來進行移植的大概只有1萬人。原因是什么呢，中國人生后捐贈器官的習慣還沒有形成，器官的捐贈效率不是很高。所以一方面我們要動員更多的人在生后把器官捐獻給需要做器官移植的病人；另一方面就是發展異體、異種的器官移植，特別是發展豬、羊的器官用于人體移植。

把動物的器官移植給人有什么困難呢？第一是排異。不同種屬動物的器官移到人身上來，人有種本能的排斥能力，所以如何把這種排斥降到最低程度是很重要的研究方向。第二是動物有很多病原體，可能隨著器官移植帶到人體來，最后人得了動物的病原體所引起的傳染病，這對于我們來講是很不安全的。

如何減少排斥？目前發現引起急性排斥的主要原因是器官中的一個半乳糖分子，如果把器官的半乳糖分子基因敲除掉，將從動物體內取得的器官進行移植，它的排異反應可以大大減輕。現在已經培育出敲除半乳糖分子基因的轉基因豬，并對其進行了人源基因改造，從理論上解決了超急性免疫排斥的問題。豬跟人在血型和組織器官大小等方面有很多相似的地方，所以豬很可能是人體器官的一個很重要的來源。但是，豬可能攜帶很多病原體，現在用基因編輯技術可以把這些病原體一個一個敲除掉，使器官的安全性大大提高。2016年8月2日，中南大學湘雅第三人民醫院已經成功地完成了第四例豬的胰島移植給糖尿病病人的手術。兩年多前,美國研究人員成功地將一只轉基因豬的心臟移植到一只狒狒體內,時至今日，這顆心臟仍在發揮作用。狒狒也是靈長類動物，如果給它移植進去一般的心臟，幾天以后心臟就壞死，血管閉塞，這個器官變成黑顏色，但是將經過基因修飾以后的豬的心臟移植給狒狒，這只狒狒已經活了兩年多，這個器官沒有被排斥掉，血管血流都正常。因此，轉基因豬的眼角膜、皮膚、胰島等組織和器官有望應用于人體移植。

五、再生醫學產業

總的來說，再生醫學產業取得了較大發展。

第一，世界上已經有11個干細胞產品獲得了臨床應用，已經有257個產品在進行臨床試驗，將來都是一些產品后期的品種。

第二，目前，已有7個包括軟骨、人工皮膚、人工神經的組織工程產品（6個FDA批準，1個EMA批準）獲準上市。

第三，從經濟角度看，未來20年，再生醫學的市場潛力估計超過5000億美元，這是一個不小的產業。我們應該因地制宜建設各個地方的再生醫學產業基地。根據各地條件，建設有特色的產業基地，充分利用當地衛生行政部門的政策支持，充分發揮當地開發區的政策作用，發揮技術、人才優勢，最大限度地為人類健康做出貢獻，當然也會創造更多財富。

再生醫學可以幫助人類實現健康的夢想。

第一，再生醫學以細胞為主，可以治療從頭到腳的各種疾病。

第二，再生醫學可以構建肝、腎、心、肺等各種器官，建立可供移植的器官資源庫或者“人體配件工廠”，當需要器官移植的時候，就可以從這個庫里面找到合適的配件進行移植，達到治療的目的。干細胞在臨床疾病的治療上有巨大的潛在應用價值，包括中風、腦損傷、老年癡呆、帕金森病、牙齒缺損等疾病，都跟干細胞的治療有密切的關系。所以干細胞和再生醫學已經成為治療“不治之癥”的重大希望。

科學在發展，技術在進步。對干細胞與再生醫學研究的不懈追求，對干細胞和再生醫學產業的持續推進，是人類實現健康夢想的偉大實踐，必將對人類健康事業做出偉大的貢獻。