干细胞与组织工程研究动态

赵贵英，张树庸

干细胞与组织工程的新理论、新方法、新成果研究日新月异，层出不穷，笔者仅就 2011 年干细胞与组织工程研究的一些情况加以总结供读者参考。

美国《技术评论杂志》2011 年 7 月 15 日报道，干细胞治疗眼黄斑变性进入临床试验。美国进行了首例以人类胚胎干细胞医治眼黄斑变性患者的案例。这是美国食品药品管理局（FDA）批准的第二起人类胚胎干细胞人体临床试验。根据美国食品药品管理局 2010 年 11 月批准的计划，将按12 例患者个体条例来创建测试细胞，再借助维生素以及其他化学物质，使干细胞转化成健康的眼部细胞。按照治疗程序，每位患者需注入 5 万 ～ 20 万个视网膜色素上皮细胞，以此新细胞来治疗眼黄斑变性。加州大学洛杉矶分校的研究人员进行了这一手术，他们将 5 万个细胞植入患眼黄斑变性患者的眼内，患者视力得到一定程度的恢复，并且患者在手术过程中适应性良好。

英国《自然》杂志报道，日本研究人员利用实验鼠的胚胎干细胞人工培育出视网膜的雏形结构，这是世界上迄今人工培育出的最为复杂的生理组织。日本理化研究所发育生物学中心的研究人员表示，在一种特殊的培养介质中，实验鼠的胚胎干细胞逐渐自动形成了与酒杯形状相似的视杯结构。视杯结构是胚胎发育初期的视网膜结构。它会逐渐发育出感光细胞、神经细胞等进而形成视网膜。研究人员人工培育出的视杯从结构上看与天然形成的视杯相似，研究人员正在对人工培育出的视杯进行功能检测，检测它是否能感受光线并将相关神经信号传递给实验鼠的大脑。如果进一步研究能够确认人工培育的视杯功能，将非常有助于眼科疾病的研究和治疗，为修复受损视网膜提供可能。

2011 年 9 月 2 日美国出版的《细胞》杂志报道，美国耶鲁大学的研究人员发现了一种能够促进头发再生的干细胞，并在小鼠实验中获得了证实。研究人员在小鼠中发现在皮肤脂肪层中存在一种干细胞，能发出一种分子信号刺激小鼠毛发再生。研究人员认为，即使是在秃顶男性的毛囊根部仍然存在着这类干细胞，只是它们失去了启动毛发再生的能力。这种毛囊干细胞需要从皮肤内获得生长头发的信号，目前还不知道这些信号的来源。当头发停止生长时，头皮中的脂肪层就会收缩，而当头发生长过程重新启动后，脂肪层又会生长。研究人员指出如果能够得到这些脂肪细胞，然后与毛囊底部那些休眠的干细胞进行交流，也许能够让头发再次生长出来。研究人员发现，在脂肪层再度增长和头发再生的过程中，一种能够产生脂肪前体细胞的干细胞发挥了重要作用。这种细胞会产生一种名为 PDGF（血小板衍生生长因子）的分子，这种分子能恢复小鼠毛发的生长。研究人员正试图确定在毛发生长中是否是由脂肪前体干细胞产生的分子信号起作用。研究人员将进一步展开试验，以确定这种机制是否在人体中同样存在并发挥作用，有望开发出治疗脱发和秃顶的全新疗法。

根据美国《细胞》杂志报道，日本京都大学的科学家取小鼠的胚胎干细胞培育成一种初始的源细胞，这种细胞能产生精子。将这种源细胞植入不能生育的小鼠睾丸中，源细胞产生了正常的精子。将这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。一年后这些小鼠后代生长良好，还生出了繁殖能力正常的下一代小鼠。研究人员表示，雌鼠后代的妊娠率和那些通过天然精子人工受精的雌鼠一样。

研究人员指出，尽管实验在小鼠身上取得成功，但小鼠细胞和人类细胞还有很大的差别。将成熟的成人细胞诱导成干细胞使其变成精子，还需要有更多的试验过程。英国科学家评论，如果人们能在实验室里培育出产生人类精子的源细胞，这将是生育治疗领域的里程碑。该动物试验完成的报道，标志着人类向这个目标迈进了一大步。

根据英国《每日邮报》2011 年 4 月 12 日报道，英国爱丁堡大学的科学家在实验室中利用人的羊水和动物胚胎干细胞培育出了人体肾脏，其长度和未出生婴儿肾脏长度一样。该肾脏长 0.5 cm，研究人员希望，这种肾脏移植入人体后能长到和成人肾脏大小一样的尺寸。这一突破性的工作有望让需要接受器官移植的患者按需要培育出自己的器官，在移植手术中避免了发生排异反应。这就需要在胎儿出生后，将羊水收集保存起来，如果该婴儿在成长过程中患肾脏疾病，可以用自己的羊水制造匹配的肾脏，进行人工移植，避免了排异反应。

据美国物理学家组织网 2011 年 8 月 30 日报道，在干细胞被发现 50 年后，加拿大科学家首次分离出单个人类血液干细胞，能够让整个血液系统再生，最新突破能让科学家更有效地治疗癌症和其他疾病。相关研究发表在美国《科学》杂志上。

尽管科学家们已开始利用在脐带血中发现的干细胞，但是只靠捐赠脐带血来给患者治疗疾病是不够用的。所以，从事该领域研究的科学家一直在致力于寻找单个纯净的干细胞，将单个干细胞移植入人体之前，可在培养皿中对其进行控制和扩增。这一最新发现有助于科学家制造出足够多的干细胞应用于临床，借以治疗更多的疾病。

据《血液》杂志报道，法国科学家首次成功地在实验室中用造血干细胞培育出人造血。研究人员从一个志愿者的骨髓中提取了造血干细胞，然后使用多种生长因子在实验室里将干细胞培养成红血细胞，然后再将培育成的约 100 亿个红血细胞重新输入志愿者的体内。注入 5 d 后发现，94% ～100% 的红血细胞仍在体内循环，26 d 后 41% ～ 63% 的红血细胞仍在体内循环，这是天然产生的血细胞的正常存活率。实验室培育出的细胞的功能与正常的血细胞一样，能有效地携带氧气在体内循环，这将为解决血液供应不足另辟新径。

据英国医学《柳叶刀》杂志，2011 年 11 月 14 日研究报道称，美国研究人员用干细胞疗法治疗心肌梗死的临床试验获得成功。心肌梗死是指由于心血管功能受损，造成心肌缺血，现在用心血管搭桥手术来缓解症状。美国路易斯维尔大学等机构的研究人员报道称，他们对 16 名心肌梗死患者进行了干细胞疗法。本次研究使用的干细胞，来源于搭桥手术中取出的心脏组织，培养 4 个月，然后将培养所得的大量干细胞输回患者的心脏中。结果显示，这些患者由于心肌受损，左心室在一次心跳中将血液正常压出心室的几率已降到 30.3%，但在接受干细胞治疗后，这一比例上升到38.5%，这是令人惊喜的结果。研究人员表示，如果后续研究更进一步支持这种心脏干细胞的有效性，这可能成为心血管医疗领域的重大进步。

据美国《干细胞》杂志报道：美国科学家发明了一种新的制造诱导多功能干细胞（ips）的方法，用新方法可以大大提高制造 ips 的效率和纯度，且没有产生肿瘤的风险。

目前，科学家制造 ips 主要是向成体干细胞引入Oct4、Sox2、K1f4 和 c-Myc 4 个基因。这些基因会将成体细胞重新编程为一个干细胞。这种方法可简称为 OSKM，在整个重新编程过程中，只有 0.1% 细胞真正变成 ips 细胞，另外 c-Myc 基因还有致癌问题。

明尼苏达大学的科学家发明一种新的制造 ips 的方法，将 Oct4 基因和肌肉转录调节因子 MyoD 的片段混合在一起，制造出一个能从多方面改进 ips 制造过程的“超级基因”M3O（或“超级 Oct4”），可大大提高制造 ips 的效率和纯度。科学家们也能借此了解制造 ips 细胞的机制。

研究人员表示，与 OSKM 方法相比，新方法制造老鼠和人的 ips 细胞的效率可提高 50 倍，纯度也有所提高。新方法制造的 ips 细胞约占所获得细胞的 98%，而 OSKM方法得到的纯度仅有 5%。新方法也让重组过程变得更加简单，只需要 5 天 ips 细胞就会长出，而使用 OSKM 方法则需要 2 周，而且新方法不涉及 c-Myc，没有产生肿瘤的风险。

另外，OSKM 方法中，人体 ips 细胞通常需要同饲养细胞（用来维持胚胎干细胞的未分化状态以便扩增足够数量的细胞）结合培养，饲养细胞一般来自老鼠细胞，显然，这样的细胞被用于人体移植会产生问题。而新方法不需要这样的饲养细胞，大大简化了整个培养过程。

据 2011 年 7 月出版的生物医学杂志《组织工程 A辑》报道，美国科学家通过复制天然小肠的组织结构，成功地给一个小鼠造出了组织工程小肠。我们知道新生儿尤其是早产婴儿患坏死性小肠结肠炎的风险很高，并有生命危险。研究人员从小鼠的小肠收集了组织样本，包含了构成小肠的各种细胞层，如肌肉细胞、上皮细胞等，然后将样本转移到小鼠腹腔的支架上。新长出来的工程小肠包含了天然小肠的所有细胞类型（如肌肉、神经、上皮细胞和某些血管）。所有这些发挥着重要功能的细胞类型都是来源于最初植入小鼠腹腔内的各种细胞类型。研究人员下一步的工作，将朝着临床实验的方向进行。这一工作是再生医学领域的重要突破，有望为治疗人类肠道疾病开辟新径。

据美国物理学家组织网报道，一个国际科研团队表示，他们移植人造气管手术获得成功，一位 36 岁的气管癌患者，气管已被完全堵塞，由于没有移植配型，只能利用患者自身干细胞培育移植所需要的气管组织来进行移植手术。研究人员首先建立一个支架和一个用于培育患者干细胞的生物反应器，当用生物反应器培育的新细胞成长起来后，将其接种在支架上，支气管组织长好后，移植入患者体内，由于人工培育的新气管是使用患者自己的干细胞制成的，因此没有发生排异反应，患者也不需要服用免疫抑制药。

据美国出版的《组织工程》杂志报道，我国科学家研制出了骨组织工程仿生支架材料，解决了人体组织工程骨植入血液循环障碍的国际难题。利用生物组织工程技术，将种子细胞种植在支架上，形成与自体骨结构功能相似的人体组织工程骨，修复缺损骨头，是目前大规模骨缺损修复的主要问题。也就是说让人体组织工程骨与自体骨进行充分的血液循环，使种子细胞迅速成长，是目前临床研究的大难点。

我国研究人员模拟水蛭吸盘研发的封闭负压吸引装置，使骨缺损受区与骨组织工程仿生支架材料产生理想的血液流动，实现了血液在组织工程骨内部的持续灌注及排泄代谢产物，为种子细胞提供了持续的氧和营养物质。实验中，科研人员将牛骨制成的仿生骨基质材料，用于猪尺骨缺损修复，3 个月内猪尺骨缺损修复效果良好。这不仅将为临床大块骨缺损修复提供了技术支持，同时也为断指再植及体循环障碍等领域改善局部组织血液循环，促进循环血液流动提供了理论基础。

2011 年 9 月 5 日英国出版的《自然》在线发表了我国科学家关于卵细胞重编程机制的最新研究成果，首次阐明了自然受精卵细胞重编程机制，使人们对早期胚胎如何获得正常发育能力有了详细的了解。科学家发现，动物受精并不是一个简单的精卵结合的过程。形成一个早期胚胎，卵细胞需要对精子基因组进行一系列的重“编程”。最为重要的就是基因组 DNA 上胞嘧啶碱基的去甲基化。甲基化是蛋白质和核酸的一种重要修饰，可调节基因的表达和关闭，与动植物生长发育，疾病发生发展有密切的关系。DNA甲基化能关闭某些基因的活化，而“去甲基化”则能诱导基因的重新活化和表达。在此之前，科学家并不清楚去甲基化这种化学修饰的改变是如何实现的，也不知道它为什么会发生。

研究人员发现，来自卵细胞的一个叫做“Tet3”的母源蛋白可以氧化精子基因组 DNA，并进一步调控父源基因的表达，以支持早期胚胎的正常发育。动物实验发现，母鼠的卵细胞去除“Tet3”后，生育力会显著下降。大部分胚胎在妊娠期发生退化，被母体吸收，以上研究为治疗不孕症提供了新的理论依据。

1961 年多伦多大学的欧内斯特•迈克库鲁奇和詹姆斯•蒂尔首先开始了干细胞的研究，他们证实，血液细胞均来自一个造血干细胞，并确定造血干细胞具有自我更新、分化的潜能。经过科学家的不断研究，研究人员开始使用干细胞对血癌患者进行骨髓移植，这是迄今为止干细胞研究领域最为成功的临床应用，每年让众多患者受益。到了 2007 年日本科学家山中伸弥和美国科学家同时通过对小鼠的实验发现诱导人体表皮细胞使之具有胚胎干细胞的特征，从而建立了诱导多能干细胞（ipscell），这是干细胞研究领域的一个巨大进步。为此，英国科学家约翰•格登和日本科学家山中伸弥荣获 2012 年诺贝尔生理学或医学奖。世界各国如火如荼地对干细胞和组织工程展开了多方面的研究，可以看出干细胞和组织工程的研究将为人类疑难病的治疗开辟广阔前景。