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干细胞研究与应用为人类生命健康提供保 [复制链接]

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本文转自;

图为显微镜下的人胚胎干细胞。

资料图片

制图:赵偲汝

当前,面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,广大科学家和科技工作者正不断向科学技术广度和深度进*。其中,在干细胞领域,我国科研工作者近年来取得重大原创科研成果。造血干细胞移植(骨髓移植)用于治疗白血病的安全性和有效性不断提高,实现了全球首例干细胞治愈儿童扩张型心肌病治疗,运用化学小分子将人成体细胞转变为干细胞……

随着生命科学研究不断发展,人类对干细胞的了解逐渐深入,干细胞相关科研成果在疾病治疗、再生医学等方面发挥越来越重要的作用。应用干细胞技术,不仅可以治疗白血病、免疫系统疾病等过去难以医治的疾病,还可以延展出类器官技术,以加速新药开发、助力精准医疗,甚至有望推动再生医学实现飞跃,如治疗阿尔茨海默病、修复衰老器官等。可以说,干细胞研究与应用持续为人民群众的生命健康提供保障。

“一生万物”,种类多样,维持生命勃勃生机

要了解干细胞,先要了解细胞。大家知道,细胞是人体的基本组成单位。一个成年人体内约有40万亿至60万亿个细胞。构成机体的细胞不仅数量庞大而且分工明确,神经细胞主导思维、肌肉细胞产生运动、脂肪细胞储存能量、免疫细胞介导免疫防护,等等。不同类型细胞进一步组合形成组织、器官和系统,使人体能完成各种生命活动。神奇的是,这么多不同种类的细胞在生命初期均来源于一个细胞,那就是受精卵。受精卵增殖产生胚胎干细胞,并进一步增殖和分化形成人体多种细胞,最终成长为一个完整个体。

就像树干可以长出树杈、树枝和树叶,进而开花结果,干细胞是一类能够自我更新并分化形成各类型细胞的祖细胞。在个体发育过程中,干细胞增殖并分化形成各类细胞,构建组织器官。在发育完成后,当组织器官受损、出现炎症或体内稳态发生变化时,干细胞作为“种子细胞”,能分化并补充此时所需要的细胞,完成修复。在生命活动末期,当干细胞活力下降,难以满足新生细胞替代衰老退化细胞的更替需求时,个体就出现衰老表型。

按发育阶段来分,干细胞可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞是早期胚胎中的内细胞团培养而来的细胞,通俗地说,就是“一生万物”的细胞,即理论上可以诱导分化为机体中所有种类的细胞。这种细胞可以在体外大量扩增、冻存和复苏,而不丧失原有特性。成体干细胞是存在于成体组织中的未分化细胞,也叫组织干细胞。这种细胞能够自我更新,还能特化为组成该组织的功能细胞,好似“细胞工厂”。目前发现的成体干细胞有造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞、肌肉干细胞、皮肤表皮干细胞、视网膜干细胞等。

根据分化潜能,干细胞可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。顾名思义,全能干细胞具有分化形成机体内任何类型细胞的能力,有形成完整个体的分化潜能,比如胚胎干细胞。多能干细胞具有产生多种类型细胞的能力,但不能发育成完整个体。比如造血干细胞可分化出多种血细胞,骨髓间充质干细胞可分化为骨、软骨、肌肉、脂肪等中胚层组织的细胞。单能干细胞则只能在成体组织器官中向单一方向分化,产生一种类型细胞。

应用广泛,疾病治疗和再生医学的有力工具

健康是每个人的愿望,在疾病治疗和再生医学方面,干细胞潜力巨大。一些发达国家率先用干细胞移植技术治疗疾病,我国也在开展干细胞治疗疾病临床研究。据统计,全球多项干细胞临床试验中,涉及上百种疾病。

大众最熟悉的,莫过于血液病治疗。造血干细胞移植,是干细胞临床应用最早且较为常见的案例,主要针对贫血症和白血病,包括再生障碍性贫血、先天性血球细胞缺乏症、慢性骨髓细胞性白血病等。造血干细胞移植也应用于某些特殊疾病的治疗,如严重性联合免疫缺陷疾病、自体免疫疾病多发性硬化症等。这方面治疗所用造血干细胞,主要来自脐带造血干细胞和骨髓等。以前,这类疾病难以治愈,而今干细胞治疗的应用给患者带去希望。

又如皮肤相关疾病治疗。干细胞存在于多种皮肤组织,如表皮、毛囊和真皮中,维持皮肤动态平衡和损伤修复。干细胞治疗可用于皮肤损伤。年,科学家通过干细胞再生了人类表皮,让一位男孩获得新的皮肤。如今,该技术在皮肤重度烧伤患者中得到应用。在表皮伤口愈合过程中,间充质干细胞通过促进细胞迁移、血管生成、上皮化和肉芽组织形成等,能够加速伤口愈合并减少疤痕的产生。干细胞功能障碍是银屑病炎症反应失调的重要原因,临床试验发现,患者在接受干细胞治疗后可长期缓解银屑病症状。另外,干细胞疗法也应用于雄激素性脱发、斑秃的治疗,包括毛囊移植及干细胞刺激疗法等。

除了将干细胞直接用于疾病治疗外,基于干细胞的各种新技术也有巨大应用潜力。例如,基于成体干细胞建立的类器官,不仅是研究器官发育和疾病发生的重要模型,在肿瘤个性化治疗、药物研发和再生医学等方面也可以发挥作用。类器官是一种体外培育而成、具备三维结构的微器官,拥有类似真实器官的复杂结构,并能部分模拟来源组织器官的生理功能。以肿瘤病治疗为例,当前药物多是通用的,但每个患者的具体情况都不一样。类器官可以模拟患者器官,帮助找到适合药物,实现个性化治疗。在药物研发方面,类器官可以帮助建立更加接近人体的疾病模型,降低新药研发成本,缩短研发周期。

未来,干细胞最重要的应用或是再生医学。阿尔茨海默病是一种神经退化性疾病,人们正在探索使用干细胞技术,取代受损神经元,以期治疗阿尔茨海默病。进一步,干细胞技术有望用于修复衰老器官,使人延年益寿并享受高质量生活。

我国的干细胞研究与应用基础较好,取得了一系列重要突破。研究方面,我国科研人员利用诱导多能性干细胞,通过四倍体囊胚注射,第一次证明了这类干细胞的全能性;创建了半克隆技术,建立了小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞系(又称类精子干细胞),可功能性地代替精子繁育健康小鼠;使用干细胞让先天性眼盲的小鼠获得了视觉;等等。应用方面,我国科研人员首次在世界上建立了人胎儿胰腺干细胞系,可为临床治疗人类糖尿病提供种子细胞;利用脐带间充质干细胞改善卵巢血流、修复卵巢功能,使早衰卵巢重获繁衍能力;等等。这些干细胞技术的突破,为我国干细胞研究应用起到推动作用,折射出我国在干细胞领域由“跟跑”到“并跑”并向“领跑”发力的转变。

生命和健康是科学问题,更是每个人都要面对的人生命题。拥有充满活力的好身体,是人们朴素而真切的追求,更是干细胞研究者的目标。作为生命科学的前沿和热点,干细胞还有许多未解之谜值得我们不懈探索。随着研究成果不断出现,干细胞将继续为疑难复杂疾病提供新的治疗策略,为人类健康做出新的贡献。

(作者陈晔光为中国科学院院士、清华大学教授)

推荐读物:

《细胞与干细胞:神奇的生命科学》:王佃亮、陈海佳编著;化学工业出版社出版。

《干细胞:再生医学的微光》:于尔根·海席勒、王志敏、*薇、刘文主编;上海科学普及出版社出版。

《干细胞:疾病、衰老、美容》:王佃亮著;人民卫生出版社出版。

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