撰文 | 郭龙华（犹他大学, 斯托瓦斯医学研究所）

责编 | 叶水送

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在最近的60余年时间里，干细胞领域涌现出许多革命性的发现, 也吸引了一代又一代科学家加入其中，它之所以如此重要以及被广泛地研究，部分是因为其巨大的疾病治疗潜力。干细胞的医学应用有多种方式，基本上都是基于其强大的分化和组织重建能力。

干细胞可应用于体外培养重建组织器官。该目标如果得以实现，可以解决器官移植的难题，并且器官移植可成为癌症治疗的手段之一，但这项工作目前主要在理论研究过程中。日本理化学研究所（RIKEN）研究员笹井芳树（Yoshiki Sasai）领导的课题组在该领域做出突出的贡献，他们成功地使用老鼠的胚胎干细胞通过三维培养体系构建了功能性的视杯（eye cup）和垂体前叶（anterior pituitary），这一突破随后在人源胚胎干细胞中得以实现1-4。令人惋惜的是，因小保方晴子（Haruko Obokata）的STAP (Stimulus-triggered acquisition of pluripotency) 事件影响，笹井芳树引咎自杀。

►干细胞治疗的简图。来源：deerstemcell.com

另外，它可应用于动物体内培养人的组织器官。这项工作的意义和上述体外培养的工作相似，主要技术原理是通过向基因改造的动物胚胎（比如猪、羊等经基因改造后不能正常发育某一特定器官的大型哺乳动物）注射人源干细胞，以期获得由人源干细胞发育而来的相应器官组织。在技术上，可以回避复杂的体外干细胞培养，分化诱导和组织生成条件的摸索。但它也面临诸多挑战，例如如何提高人源干细胞在动物中的整合效率。

日本科学家中内启光（Hiromitsu Nakauchi）领导的实验室在该领域获得较多的成就，成功实现了大鼠和小鼠间嵌合体胚胎的构建和特定器官的生成5 。例如，他们可通过遗传操作构建不能产生胰脏的小鼠胚胎。在该胚胎的特定发育时期，注射能产生胰脏的大鼠多能干细胞，小鼠发育成熟后，就产生了由大鼠的干细胞发育而成的胰脏。

这些实验看上去有些匪夷所思，其实早在2010年就已完成，该方向的研究会触发很多生物伦理问题，尤其是使用人源干细胞的实验。如何避免人源干细胞在动物胚胎发育过程中分化和嵌合到动物的大脑、生殖系统，这是一个十分敏感的话题。美国国立卫生研究院（NIH）于2015年开始限制用于人和动物间嵌合体研究经费的申请。直到生物伦理的指导性条例得到进一步确立，该限制将不会被解除6, 7。

干细胞的另一重要应用是将病人组织细胞去分化和再分化，已分化细胞可通过简单的遗传操作去分化和再分化，这是干细胞理论研究和临床应用的革命性飞跃。在理论上，去分化干细胞的获得和体外培养可帮助理解全能性和细胞分化的本质，而特定疾病相关的去分化干细胞则可以作为体外的模式体系研究相应疾病的发生机理。

在临床应用上，这意味着可以使用该病人（比如肺癌病人）特异的、已分化的细胞（比如皮肤细胞）去分化后形成干细胞，再分化成相应的疾病组织（比如肺细胞）。这种通过实验室操作，而非手术切除，即可获得病人的肺细胞，大大地扩展了医生了解病人发病机理的手段，同时可将这些病人特异的疾病细胞用于药物筛选，以获得最有效的治疗方案。在精准医疗的大环境下，该研究方向具备蓬勃的潜力。通过已分化组织获得的诱导干细胞也回避了人源胚胎干细胞使用的伦理问题。去分化干细胞已经成功用于临床，通过去分化干细胞的移植，可治疗多种疾病。 

干细胞移植（stem cell transplantation） 或干细胞治疗是目前最广为人知的干细胞治疗方式。仅从概念上，就很简单，因为干细胞的多能性和分化能力，注射干细胞到特定的组织，可修复疾病或者物理损伤的组织。然而，正因为概念的简单性和强大商业利益的驱动，干细胞移植亦成为商家和医院最为滥用的干细胞治疗方式之一，消费者和病人需要谨慎面对这种治疗手段。

事实上，这样的概念，在科学上，细思之，也极不严谨。比如干细胞的来源是什么？注射到了什么组织？中间经过了什么操作？ 外源干细胞和所注射组织的细胞之间会有怎样的反应？因为每一步操作的细微差别，每一个问题的不同答案，都可能影响干细胞移植的有效性和安全性。根据国际干细胞研究协会 （International Society for Stem Cell Research）文件，目前干细胞移植被广泛采用，被认可为安全和有效的临床治疗手段的仅限于治疗造血系统、皮肤、骨骼，和眼角膜相关疾病8。

►高桥政代（Masayo Takahashi）。来源：retinastem.jp

在干细胞治疗史上，日本理化学研究所的高桥政代（Masayo Takahashi）领导的课题组于2014年成功实现了第一例使用来自病人自身的去分化干细胞（iPSc）对该病人老年性黄斑部病变(Age-related Macular Degeneration)的治疗9，这是一种视网膜黄斑部退化的疾病。家族遗传、种族背景、年龄老化、长期紫外线照射和抽烟等都可能是老年性黄斑部病变的致病因素10，它虽不会导致视力的完全丧失，但视野中间变的模糊，或丧失视力依然会对日常生活造成严重影响。尽管有临床措施缓解病变，但依然不可治愈。 

在这项临床试验中，研究者从一名70岁高龄的女性患者手臂上被取下直径4mm的皮肤组织。该皮肤组织在体外通过山中伸弥实验室确定的转录因子诱导去分化成干细胞后，再诱导分化成视网膜色素上皮细胞(retinal pigment epithelium)，该细胞层被用于临床的移植11,12。移植一年后，患者的黄斑部退化得到缓解，视力得到提升。移植的细胞层没有引起炎症反应，或形成肿瘤13,14。在这项工作之前，高桥政代实验室已经完成和发表了大量的基础研究工作，包括干细胞诱导分化成视网膜细胞的培养条件，建立诱导去分化的干细胞系，对大鼠和猴子动物疾病模型的成功移植。 

用病人的皮肤细胞治疗眼睛疾病，这个听着像科幻小说的故事，高桥政代的试验让干细胞的临床治疗向前迈进了一步。这项工作至少证明病人自身来源的干细胞可以成为与目前已有临床手段同等有效的治疗途径。截至2015年3月，全球已有9家单位同时进行干细胞治疗视网膜黄斑部退化的临床尝试15。

目前医院和商家宣传的各种疾病的干细胞治疗手段多为实验性尝试 (experimental therapy)，或未经最终批准的临床试验(clinical trial)，没有足够的科学研究基础证明其对治疗疾病有效。

国际干细胞研究协会也提供了相关建议：目前，只有少部分干细胞治疗是安全有效的。当前全世界范围内提供的多种未经最终确立的干细胞治疗手段，只有很小的成功率，它们均存在很大的风险，对健康的负面影响难以控制，且花费高昂；胚胎干细胞和诱导干细胞具有更高的潜能，可用于多个组织的疾病治疗，然而需要仔细和精确的调控，不恰当的使用会导致肿瘤；使用来自自身的干细胞也不是绝对安全有效。体外操作可能造成细菌或病毒污染，可能会影响了它们的正常功能。医院或商家提供的治愈病人的证词可能带有误导性。

为了提高干细胞治疗的有效性以及降低对病人的伤害，还有很多科学研究工作尚待完成，因此，干细胞治疗的潜能和安全有效的临床应用之间还有不小的距离。只有通过更多的科学研究，干细胞才有望在不久的将来，成为治疗人类疾病的有效手段。

参考文献

1Eiraku, M. et al. Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture. Nature 472, 51-56 (2011).

2Nakano, T. et al. Self-formation of optic cups and storable stratified neural retina from human ESCs. Cell Stem Cell 10, 771-785 (2012).

3Suga, H. et al. Self-formation of functional adenohypophysis in three-dimensional culture. Nature 480, 57-62 (2011).

4Ozone, C. et al. Functional anterior pituitary generated in self-organizing culture of human embryonic stem cells. Nat Commun 7, 10351 (2016).

5Kobayashi, T. et al. Generation of rat pancreas in mouse by interspecific blastocyst injection of pluripotent stem cells. Cell 142, 787-799 (2010).

6https://www.ipscell.com/2015/10/nih-suspends-funding-of-human-chimera-research/.  (2015).

7https://grants.nih.gov/grants/guide/notice-files/NOT-OD-15-158.html.  (2015).

8International Society for Stem Cell Research： http://www.isscr.org/.

9Japanese woman is first recipient of next-generation stem cells ：http://www.nature.com/news/japanese-woman-is-first-recipient-of-next-generation-stem-cells-1.15915. Nature (2014).

10The American Macular Degeneration Foundation： https://www.macular.org/about-us.

11http://www.ipscell.com/2014/09/stem-cell-landmark-patient-receives-first-ever-ips-cell-based-transplant/.  (2014).

12http://www.nature.com/news/japanese-woman-is-first-recipient-of-next-generation-stem-cells-1.15915.  (2014).

13http://www.techtimes.com/articles/156707/20160507/skin-to-eye-stem-cell-transplant-partially-restores-eyesight-of-woman-with-age-related-macular-degeneration.htm.  (2015).

14http://www.japantimes.co.jp/news/2015/10/02/national/science-health/first-ips-cell-transplant-patient-makes-progress-one-year/ - .V2jQjpMrKRs.  (2015).

15Forest, D. L., Johnson, L. V. & Clegg, D. O. Cellular models and therapies for age-related macular degeneration. Dis Model Mech 8, 421-427 (2015).