再生医学三部曲

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所属分类:百科知识2009年

干细胞是可以分化为各种组织和器官的宝贵资源,利用干细胞生成人体的各种组织器官以治疗各种疾病一直是医学界探索的重点之一,而这种研究和实践也称为再生医学。由于人体胚胎干细胞的来源受到伦理限制以及干细胞研究的复杂性,迄今再生医学还处于实验探索阶段,但也有一些突破。这些突破表现为再生医学的三部曲:从细胞到细胞,从细胞到组织,从细胞到器官。

  

  从细胞到细胞

  

  细胞是组成人体器官的最基本要素,利用干细胞生成各种不同类型和功能的细胞,如神经细胞、心肌细胞等,是再生医学的第一步。在这个第一部曲中,已经谱出了较多乐曲。

  早就有许多研究发现,无论是动物还是人体的干细胞都可以简单地转化为某种类型的细胞,以修复病变组织,恢复某种生理功能。

  韩国一个研究小组最近宣布,他们利用人体干细胞部分恢复了天竺鼠受损的听觉。韩国全罗南道大学的研究人员从人类骨髓中提取了脊髓间质干细胞,并把这些干细胞分化培养成神经样细胞,然后再把它们移植到天竺鼠的内耳。

  这些天竺鼠因为受到化学药物的损害而失去听觉。但移植了人的干细胞培养成的神经样细胞后3个月,实验鼠恢复了部分听觉。这一结果表明,干细胞可能修复耳蜗毛细胞以恢复动物的听力,但干细胞的具体作用机理还有待探索。而且,这一试验成果还不能应用于临床治疗,但人类能够从中获益,以探索治疗听觉的方法。例如,人类以及其他哺乳动物的听觉器官会在高分贝噪音、免疫障碍、毒性物质或者衰老等因素下失去部分功能,甚至永久失去听力,而且这一过程目前不可逆转。但利用干细胞将有可能修复听觉细胞,恢复听力。

  干细胞不仅能修复听力,而且能修复大脑神经细胞。日本研究人员发现,把来自骨髓的人类干细胞直接注射到小鼠的大脑中可以减少卒中导致的损伤,原因在于注入的干细胞会诱导新神经元(神经细胞)的生长。对小鼠的大脑注射了人类的干细胞后,干细胞可以触发大脑中现有的小胶质细胞(神经细胞)和巨噬细胞(免疫细胞)产生保护神经元和减轻炎症的生化物质,从而对大脑神经细胞产生保护作用。表现为,注射干细胞后,可以减少小鼠神经细胞的死亡或损伤数量。尽管这种结果并非是干细胞直接演变成神经细胞而产生康复治疗的结果,但通过干细胞的间接作用,也促进了对大脑神经细胞的修复。

  不过,在干细胞转化成各种功能的细胞研究方面,德国研究人员的成果更为明显。德国杜宾根再生生物学和医学中心教授史库特拉等人绕过有争议的人类胚胎干细胞,提取了22名男性的睾丸活体切片,撷取个别睾丸细胞,放在培养器皿中繁殖。大约3周后,有些细胞形成类似胚胎干细胞的细胞群。

  随后,研究人员把8名男性的睾丸细胞培养出来的干细胞注射到老鼠体内,发现它们能分化成各种细胞甚至组织。例如,可以分化成软骨,肌肉和神经的细胞,还能分化成其他腺体和器官的基本组织。而且,这些睾丸干细胞理论上优于传统的胚胎干细胞,因为它们能够直接从男性病人身上取得,以此来培养不会受到他们免疫系统排斥的组织,后者则可以修复或替代各种病损的组织。

  尽管这一研究还处于初级阶段,但也让人们看到了希望。如果能从睾丸干细胞培养出各种类型的细胞甚至组织,例如分化成正常的胰岛细胞和神经细胞,就能治疗糖尿病和老年性痴呆等疾病。

  

  从细胞到组织

  

  许多同类细胞集合在一起可以构成某类组织,如肌组织、腺体组织,再由这些组织构成某种器官,如心脏、前列腺等。所以,再生医学的第二部曲是将干细胞转变或生成组织。在这方面令人心动的成果是与飞人刘翔的肌腱损伤有关。

  刘翔于2008年12月6日在美国休斯顿接受跟腱手术,取出3个钙化物和1个骨刺,而手术共用时1小时20分钟,手术创口2.5公分。正是这些钙化物和骨刺影响了刘翔的运动生涯,让其在2008年北京奥运会中退赛。然而,如果再生医学的发展更为迅速的话,未来刘翔完全可以不用手术,而是直接用干细胞来修复受损的肌腱或生成新的肌腱,而且比手术的效果更好。

  肌腱是连接骨骼和肌肉的特殊组织,它们由强壮的胶原纤维组成,能强有力地传递力量从而完成身体各部位和全身的多种运动。而肌腱损伤又是常见的临床疾病,而且损伤的肌腱组织愈合缓慢,很少能恢复到正常肌腱的状态和力量。因此,刘翔的手术成功只是治疗的第一步,将来其脚跟肌腱能否恢复到以前未受损的水平还很难说。

  但是,美国南加州大学牙科学院的华裔学者施颂涛领导的一个研究组在成熟的肌腱中找到一类特殊的具有干细胞特质的细胞,这些细胞能够增殖和自我更新。研究人员已经分离出了这些细胞并且在动物模型中再生出了类似肌腱的组织。这一研究结果无疑为治疗类似刘翔的跟腱过度使用和外伤导致的损伤提供了一种全新的方法。正如施颂涛所表示的那样,“肌腱损伤在临床上难以治疗,对于运动员和患肌腱撕裂及骨化的普通人而言都是如此。而研究发现能利用干细胞修复它们,我们现在已经知道如何从组织中收集这些细胞,并使它们形成肌腱细胞。”

  这种肌腱中的干细胞称为肌腱干细胞或源细胞(TSPC),研究人员在人类和老鼠中都发现了它们。如果能在今后研发出一种在临床上将肌腱干细胞注射到受伤肌腱部位并成功修复受伤肌腱的方法,刘翔和类似的肌腱受伤的运动员就可以不再受手术之苦,也不用耗费较长时间来恢复了。但是,这种疗法现在只是一种希望,还需要大量的研究才有可能进入临床实验阶段。

  与此同时,研究人员并非只是仅仅发现了可以修复和转化为肌腱组织的干细胞,而且还发现了能生成骨骼组织和皮肤组织的干细胞。施颂涛等人还发现,间充质干细胞能够再生出老鼠和猪面部的骨骼和皮肤组织,因而将在整容领域大显身手,用于修复严重的面部毁容乃至祛除皱纹。

  在研究中,研究人员使用了两种来源的间充质干细胞。其中一种来自于人体骨髓。施颂涛和其同事先将这些间充质干细胞移植到实验小鼠的前额中。8周后,小鼠前额明显扩展。而观察发现,小鼠前额形成的新组织很健康并且完全能同现存的骨骼融合。更让人惊喜的是,新的骨骼组织能够达到自动动态平衡状态,这种动态平衡是生产红细胞和白细胞不可或缺的过程。因此,这样的再生医学并非只是植入干细胞修复受损的机体组织和恢复功能,而是能让干细胞融入体内的细胞和组织,并协调其作用,有机地恢复生理功能。

  研究人员在研究中使用的另外一种间充质干细胞是从牙周韧带中提取的。他们用这些干细胞给老鼠面部除皱,结果表明,牙周韧带的间充质干细胞能通过产生新的胶原纤维而消除皱纹。这无疑也是从干细胞到组织转化的一大成果,显示了再生医学的巨大潜力。

  与此同时,再生医学也已经能从干细胞培育出软骨组织了,这也是一种了不起的突破。在此之前,医学界都清楚,自然的软骨组织是不能够自我痊愈的,所以研究人员长期以来都在寻找培养替代软骨的方法。但是,美国莱斯大学的生物医学工程师发现,可以用人类干细胞生长出软骨。研究人员是利用一系列刺激物让干细胞转化成软骨,因而能培养膝盖、下巴、臀部和其他关节的软骨,以替换这些部位受损的软骨组织。这也是用胚胎干细胞制造软骨组织的一种全新的方法。当然,这项研究结果在应用于人类之前,还有许多工作要做。

  

  从细胞到器官

  

  利用干细胞生成一种形态完整和功能健全的器官是再生医学最难也是最成功的一步。因为,只要能用干细胞生成各种器官,也就意味着彻底解决了供体器官供不应求和排异反应的困难,而且能在受损的器官原部位长出一个功能完备的新器官。所以,这是再生医学最后最复杂也是最精彩的第三部曲。而在这最精彩的部分,现在也谱出了一些音符和部分旋律。

  早在2006年,研究人员就利用小鼠的乳腺干细胞再生出了乳腺。到了2007年,美国研究人员又利用单个干细胞,建造了小鼠完整的前列腺。在此之前,研究人员发现,最接近尿道的前列腺区可能含有丰富的干细胞。美国遗传技术生物公司的研究人员对小鼠杀伤部分前。列腺,并注射睾丸激素以刺激再生。然后,研究人员利用聚合酶链反应分析扫描细胞,寻找多种标记蛋白,以图找到可以再生的干细胞。

  结果发现,带有CD117+蛋白标记的细胞(先前并不与前列腺干细胞相关)在前列腺受损和注射睾丸激素后发生了增殖。当向小鼠肾脏中植入97个带有特殊标记的细胞后,其中14个形成了几乎实际大小的前列腺。而且这些干细胞产生的前列腺与正常前列腺一样分泌相同的蛋白。与此同时,对人类前列腺的蛋白分析也检测到了CD117+蛋白。这提示,如果这一蛋白在人体中也是前列腺干细胞标记的话,它标志着迈向器官再生目标的重要一步。不过,还需要进行更多的研究才能确保再生器官中的细胞“知道”何时停止生长以及形成怎样的形状。而且,这也有助于研究人员发现,前列腺癌是否起源于干细胞的生长发生错误。

  如果14个干细胞就能增殖形成完整的前列腺的话,这对于前列腺损伤或老化的治疗是一种新的希望,可以用干细胞生成新的前列腺,以恢复前列腺的功能。也就能让人重新获得生殖和泌尿方面的功能,或改善泌尿生殖功能。

  当然,眼下用干细胞生成前列腺还只是在动物身上的试验,要在临床上使用还有很长的路要走。但另一个干细胞生成器官的研究则证明临床再造器官已基本上是一种现实了。由西班牙、英国和意大利等国组成的一个联合研究团队首次利用患者自身的干细胞培育出一个再生气管(组织工程气管),并成功地移植到该名气道损坏的年轻女性肺内。而这一由干细胞再生的气管立即为患者提供了正常功能的气道,从而挽救了她的生命。

  患者是一名30岁、有2个孩子的母亲,叫克劳迪娅·卡斯蒂略,曾患肺结核,使左胸支气管受损,呼吸道塌陷,常常呼吸困难,影响正常生活和工作。2008年3月,卡斯蒂略因急性呼吸窘迫连简单的家务也不能做,也不能照顾她的孩子,不得不住院治疗。医院对她的治疗选择似乎只有一种,进行传统的大手术,切除她的左肺。然而这种手术又有高并发症和高死亡率的风险。在此情况下,有研究人员提议可用组织工程定性培养干细胞的方式,再生成一截气管,以替代她的左肺的受损部分气管,从而让她恢复正常的呼吸功能。

  要完成这一治疗设想,首先是要有干细胞,然后有让干细胞生长成气管形状的模型,生成的气管必须要有气管的功能,最后是能把这种再生的气管成功移植到卡斯蒂略的肺部气管的相同部位。实践证明,欧洲医疗团队的治疗方案获得了成功。

  首先是,一位死于脑出血的51岁的供者捐献了一段7厘米长的气管。利用帕多瓦大学研发的一种新技术,用强力化学剂和酵素对该气管进行了6个多星期去细胞处理,只剩下一个由纤维蛋白胶原组成的细胞支架,目的是不会残留供者的细胞,以免以后发生排异反应。

  第二步是从卡斯蒂略的骨髓取出一些干细胞,在英国布里斯托尔大学马丁·伯查尔教授的实验室内进行干细胞的大量增长,再应用英国布里斯托尔大学安东尼·霍兰德教授从治疗骨关节炎中改进的方法使干细胞分化成熟为软骨细胞。

  然后应用意大利米兰理工大学研发的一种培养细胞的新型生物反应器,在捐赠的气管的外面种植上软骨细胞,新型生物反应器可以让这些软骨细胞顺着气管的模式生长。同时,为了复制出气管的衬里,也从卡斯蒂略的体内获取了一些气管内的上皮细胞。应用同一生物反应器将这些上皮细胞种植进气管内部表面。

  最后,于2008年6月由西班牙巴塞罗那的外科医生马基亚里尼做手术,把生物反应器内生长成型的气管取出来,植入卡斯蒂略左肺的气管。手术后4天,新气管与相连的原有气管部分几乎看不出有什么差别。而且,由于是利用卡斯蒂略的干细胞和上皮细胞生成的气管,卡斯蒂略体内的免疫系统不会对这截移植的气管进行排斥。而且,术后也不用对卡斯蒂略使用任何免疫抑制药物。

  手术后两个月的肺功能测试以及卡斯蒂略的所有指标都显示肺功能处于最佳水平。现在,卡斯蒂略已经恢复正常生活,能够照顾两个孩子,可以爬两段楼梯也不会气喘。用干细胞再生的气管移植成功所体现的意义正如伯查尔教授所言,20年后,这项技术几乎可以应用到所有的器官移植手术上。

  当然,这一时间也许靠前,也许靠后,完全取决于再生医学的发展速度。到时,再生医学的三部曲也将顺利谱写完毕,从而能演奏出人间治病救人最美妙的乐章。(文章代码:0202)

  

  责任编辑 张田勘

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