爲人類生命健康提供保障(開卷知新)

圖爲顯微鏡下的人胚胎細胞。  資料圖片   製圖:趙�迫�

當前,面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,廣大科學家和科技工作者正不斷向科學技術廣度和深度進軍。其中,在幹細胞領域,我國科研工作者近年來取得重大原創科研成果。造血幹細胞移植(骨髓移植)用於治療白血病的安全性和有效性不斷提高,實現了全球首例幹細胞治癒兒童擴張型心肌病治療,運用化學小分子將人成體細胞轉變爲幹細胞……

隨着生命科學研究不斷髮展,人類對幹細胞的瞭解逐漸深入,幹細胞相關科研成果在疾病治療、再生醫學方面發揮越來越重要的作用。應用幹細胞技術,不僅可以治療白血病、免疫系統疾病等過去難以醫治的疾病,還可以延展出類器官技術,以加速新藥開發、助力精準醫療,甚至有望推動再生醫學實現飛躍,如治療阿爾茨海默病、修復衰老器官等。可以說,幹細胞研究與應用持續爲人民羣衆的生命健康提供保障。

“一生萬物”,種類多樣,維持生命勃勃生機

要了解幹細胞,先要了解細胞。大家知道,細胞是人體的基本組成單位。一個成年人體內約有40萬億至60萬億個細胞。構成機體的細胞不僅數量龐大而且分工明確,神經細胞主導思維、肌肉細胞產生運動、脂肪細胞儲存能量、免疫細胞介導免疫防護,等等。不同類型細胞進一步組合形成組織、器官和系統,使人體能完成各種生命活動。神奇的是,這麼多不同種類的細胞在生命初期均來源於一個細胞,那就是受精卵。受精卵增殖產生胚胎幹細胞,並進一步增殖和分化形成人體200多種細胞,最終成長爲一個完整個體

就像樹幹可以長出樹杈、樹枝和樹葉,進而開花結果,幹細胞是一類能夠自我更新並分化形成各類型細胞的祖細胞。在個體發育過程中,幹細胞增殖並分化形成各類細胞,構建組織器官。在發育完成後,當組織器官受損、出現炎症或體內穩態發生變化時,幹細胞作爲“種子細胞”,能分化並補充此時所需要的細胞,完成修復。在生命活動末期,當幹細胞活力下降,難以滿足新生細胞替代衰老退化細胞的更替需求時,個體就出現衰老表型

按發育階段來分,幹細胞可分爲胚胎幹細胞和成體幹細胞。胚胎幹細胞是早期胚胎中的內細胞團培養而來的細胞,通俗地說,就是“一生萬物”的細胞,即理論上可以誘導分化爲機體中所有種類的細胞。這種細胞可以在體外大量擴增、凍存和復甦,而不喪失原有特性。成體幹細胞是存在於成體組織中的未分化細胞,也叫組織幹細胞。這種細胞能夠自我更新,還能特化爲組成該組織的功能細胞,好似“細胞工廠”。目前發現的成體幹細胞有造血幹細胞、骨髓間充質幹細胞、神經幹細胞、肌肉乾細胞、皮膚表皮幹細胞、視網膜幹細胞等。

根據分化潛能,幹細胞可分爲全能幹細胞、多能幹細胞和單能幹細胞。顧名思義,全能幹細胞具有分化形成機體內任何類型細胞的能力,有形成完整個體的分化潛能,比如胚胎幹細胞。多能幹細胞具有產生多種類型細胞的能力,但不能發育成完整個體。比如造血幹細胞可分化出多種血細胞,骨髓間充質幹細胞可分化爲骨、軟骨、肌肉、脂肪等中胚層組織的細胞。單能幹細胞則只能在成體組織器官中向單一方向分化,產生一種類型細胞。

應用廣泛,疾病治療和再生醫學的有力工具

健康是每個人的願望,在疾病治療和再生醫學方面,幹細胞潛力巨大。一些發達國家率先用幹細胞移植技術治療疾病,我國也在開展幹細胞治療疾病臨牀研究。據統計,全球6000多項幹細胞臨牀試驗中,涉及上百種疾病。

大衆最熟悉的,莫過於血液病治療。造血幹細胞移植,是幹細胞臨牀應用最早且較爲常見的案例,主要針對貧血症和白血病,包括再生障礙性貧血、先天性血球細胞缺乏症、慢性骨髓細胞性白血病等。造血幹細胞移植也應用於某些特殊疾病的治療,如嚴重性聯合免疫缺陷疾病、自體免疫疾病多發性硬化症等。這方面治療所用造血幹細胞,主要來自臍帶造血幹細胞和骨髓等。以前,這類疾病難以治癒,而今幹細胞治療的應用給患者帶去希望。

又如皮膚相關疾病治療。幹細胞存在於多種皮膚組織,如表皮、毛囊和真皮中,維持皮膚動態平衡和損傷修復。幹細胞治療可用於皮膚損傷。2017年,科學家通過幹細胞再生了人類表皮,讓一位男孩獲得新的皮膚。如今,該技術在皮膚重度燒傷患者中得到應用。在表皮傷口癒合過程中,間充質幹細胞通過促進細胞遷移、血管生成、上皮化和肉芽組織形成等,能夠加速傷口癒合並減少疤痕的產生。幹細胞功能障礙是銀屑病炎症反應失調的重要原因,臨牀試驗發現,患者在接受幹細胞治療後可長期緩解銀屑病症狀。另外,幹細胞療法也應用於雄激素性脫髮、斑禿的治療,包括毛囊移植及幹細胞刺激療法等。

除了將幹細胞直接用於疾病治療外,基於幹細胞的各種新技術也有巨大應用潛力。例如,基於成體幹細胞建立的類器官,不僅是研究器官發育和疾病發生的重要模型,在腫瘤個性化治療、藥物研發和再生醫學等方面也可以發揮作用。類器官是一種體外培育而成、具備三維結構的微器官,擁有類似真實器官的複雜結構,並能部分模擬來源組織器官的生理功能。以腫瘤病治療爲例,當前藥物多是通用的,但每個患者的具體情況都不一樣。類器官可以模擬患者器官,幫助找到適合藥物,實現個性化治療。在藥物研發方面,類器官可以幫助建立更加接近人體的疾病模型,降低新藥研發成本,縮短研發週期。

未來,幹細胞最重要的應用或是再生醫學。阿爾茨海默病是一種神經退化性疾病,人們正在探索使用幹細胞技術,取代受損神經元,以期治療阿爾茨海默病。進一步,幹細胞技術有望用於修復衰老器官,使人延年益壽並享受高質量生活。

我國的幹細胞研究與應用基礎較好,取得了一系列重要突破。研究方面,我國科研人員利用誘導多能性幹細胞,通過四倍體囊胚注射,第一次證明了這類幹細胞的全能性;創建了半克隆技術,建立了小鼠孤雄單倍體胚胎幹細胞系(又稱類精子幹細胞),可功能性地代替精子繁育健康小鼠;使用幹細胞讓先天性眼盲的小鼠獲得了視覺;等等。應用方面,我國科研人員首次在世界上建立了人胎兒胰腺幹細胞系,可爲臨牀治療人類糖尿病提供種子細胞;利用臍帶間充質幹細胞改善卵巢血流、修復卵巢功能,使早衰卵巢重獲繁衍能力;等等。這些幹細胞技術的突破,爲我國幹細胞研究應用起到推動作用,折射出我國在幹細胞領域由“跟跑”到“並跑”並向“領跑”發力的轉變。

生命和健康是科學問題,更是每個人都要面對的人生命題。擁有充滿活力的好身體,是人們樸素而真切的追求,更是幹細胞研究者的目標。作爲生命科學的前沿和熱點,幹細胞還有許多未解之謎值得我們不懈探索。隨着研究成果不斷出現,幹細胞將繼續爲疑難複雜疾病提供新的治療策略,爲人類健康做出新的貢獻。

(作者爲中國科學院院士、清華大學教授)

推薦讀物:

《細胞與幹細胞:神奇的生命科學》:王佃亮陳海佳編著;化學工業出版社出版。

《幹細胞:再生醫學的微光》:于爾根・海席勒、王志敏黃薇、劉文主編;上海科學普及出版社出版。

《幹細胞:疾病、衰老、美容》:王佃亮著;人民衛生出版社出版。