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1、学术资源医学研究杂志 2007 年 6 月第 36 卷第 6 期 .院士述评.干细胞研究再思考干细胞研究再思考王正国（作者简介）王正国， 中国工程院院士，著名野战外科专家，第三军医大学野战外科研究所研究员。致力于战创伤基础理论和应用基础研究，取得了一批国际先进以至领先的重大科研成果，为我国战创伤医学的发展做出了卓越贡献。以第一作者发表论文 210 余篇，主编专著 25 部，已培养博士研究生 50 名，博士后 9 名。获国家科技进步一等奖 1 项、一等奖 3 项在内的各种科技奖励数十项，并先后获全军首届专业技术重大贡献奖、香港何梁何利基金医学科学技术奖、美国迪贝克国际军医奖、陈嘉庚医学科学奖、国
2、际交通医学重大成就奖、光华工程科技奖。干细胞(sten cell)是具有自我更新、高度增生和有分化潜能的细胞群体，即这些细胞可通过分裂维持自身细胞的特性和大小，又可进一步分化为各种组织细胞，从而在组织修复等方面发挥积极作用。根据细胞的来源、分化趋势和应用范围，通常将干细胞分为两大类:胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞是受精 56 天的胚泡( blastocyst)中未分化的细胞，它虽不像卵裂球(blastom ere)那样可以发育成完整的胚胎，但能分化成外、中、内 3 个胚层，进而形成各种专能干细胞，故称多潜能干细胞（pluripotemt stem cell)。成体干细胞来源于机体的组织器官
3、，具有一定的定向分化能力，故又称单能或专能干细胞( unipotent stem ce11)。胚胎干细胞在体外可大量扩增、筛选、冻存和复苏而不丧失其原有的特性，因而便于应用，但移植许多代后有形成肿瘤的可能性，此外不能自体移植，且存在伦理问题。成体干细胞成瘤的可能性很小，自体移植可避免排斥反应，分离和使用均不存在伦理问题，但分化较局限，增生能力较弱，病理或某些刺激条件下才显出一定自我更新的潜能。近 20 年来，干细胞研究一直成为生命科学中的热点，其研究内容几乎涉及所有生命科学的生物医学领域。除了在细胞治疗、组织器官移植和基因治疗中学术资源发挥重要作用外，还在发现新基因、基因功能分析、发育生物学模
4、型及新药开发等方面产生重要影响。 因为如此，美国科学（Science）杂志 1999 年公布的世界十大科技进展中“干细胞研究的新发现”名列榜首；2000 年度再度入选世界十大科技进展。美国加州每年提供的干细胞研究经费就达 3 亿美元。我国干细胞的研究也十分活跃，已有多个有关干细胞的“973”项目，召开过多次全国性或国际性学术会议，出版过多本专(译)著。近期国内“863”计划将为干细胞研究提供 2 亿元人民币的经费。但是，随着干细胞研究的不断深入，不同的结果或不同的观点逐渐显露出来，有些甚至是针锋相对的看法。现就以下两个有争议的问题进行讨论和反思。这就是:成体干细胞的可塑性(plasticity
5、)；干细胞治疗的现状和前景。一、成体干细胞的可塑性上世纪 90 年代后期，一些权威性杂志刊登文章，报告脏器特异性的祖细胞(progen itor)和干细胞可发生跨系和跨胚层的转分化或横向分化(transd ifferen tiation)，如间胚层组织类型的干细胞可转分化为同胚层的另一组织类型细胞(血细胞肌细胞) ；间胚层 组织类型的干细胞转分化为内胚层组织类型的细胞(血细胞肝细胞)；间胚层组织类型的干细胞转分化为外胚层组织类型的细胞(血细胞脑细胞)等。由此认为，成体干细胞有较大的可塑性。研究还表明，骨髓来源的干细胞在特定环境中可向肝脏、胰腺、肌肉及神经细胞分化；肌肉、神经干细胞也可向造血细胞
6、分化.Krause 等利用有限稀释技术提供了造血干细胞(hem atopoietic stem cell,HSC)多向分化能力的进一步体内证据，显示单个 HSC 既可分化为成熟的造血细胞，也可分化为成熟的皮肤表皮细胞、肺和胃肠道细胞。但是，不少学者对干细胞跨系、跨胚层的分化提出了质疑，甚至完全否定。Orkin 将成体干细胞转分化实验称之为“干细胞炼金术”( stum cell alchany)，认为我们所面临的许多生物现象尚难以解释，更多的是“像是”而非真实(more apparent than real)。 Chaudry 对成体干细胞可塑性提出了如下质疑:文献中所说的跨胚层干细胞是否就是典
7、型的组织特异的干细胞?这些细胞的发育分化潜能是否接近于胚胎干细胞的一些亚群的干细胞?成体干细胞在体外培养过程中因环境因素的改变可能会表现出一定的可塑性，但在体内是否也能同样的特性? Weissm an 推断，可能有一些较为原学术资源始的、有多种分化潜能的干细胞存留于许多组织中，与更具有组织特性的干细胞并存，而这些细胞正是成体组织内严格谱系干细胞的基础，或是在发育过程中移至此处的一种有多种分化潜能和完全“独立历史”的细胞。唐佩弦明确否定分化的存在，认为这是一种“离奇”的推论或结论，是缺乏实践证明的虚幻空想。其理由如下：在成体组织中仍然残留胚胎发育过程中各胚层定向和组织定向的各类干细胞。在胚胎发育
8、的各个阶段，有少部分干细胞中止参与胚胎发育，并转入 Go 期。这些细胞既不增生又不分化仍然保持干细胞的基本特性。出生后随年龄的增长，体内组织中保留的各类成体干细胞基本特征不变。但是，在体外一定细胞因子诱导刺激下，它可以从 Go 静止期转入细胞周期而增生，并分化为某种组织定向细胞。组织干细胞分化的可塑性是很有限的，它只能沿着本组织各支系纵向分化(如造血干细胞的多向分化仅限于髓系和淋巴系的造血细胞各支系的纵向分化)，不能跨越本组织定向的限制，更不能突破胚层的界限。此外，在生物界或人类医学史上也从未出现过因横向分化所至的疾病或怪胎。如何解释文献中有关跨胚层的转分化现象呢?可能的原因是:骨髓中成体干细
9、胞不仅包括造血干细胞，间质干细胞，而目还有其他各胚层来源的干细胞及其分化的后代，即各类非造血组织的干细胞，如神经干细胞、肝脏干细胞等；也就是说，所谓成体干细胞多向分化的可塑性，其实是胚胎发育期存留于造血组织等部位的各胚层干细胞的自然属性，如肌肉匀浆中不仅含有肌细胞，脂肪组织中不仅含有脂肪细胞，其中还有各种成体干细胞，它们的分化过程并没有跨越组织定向的限制。对于转分化的不同看法，其根本原因是至今尚无可能用绝对纯化的正常组织干细胞克隆来证明组织定向干细胞可向非自身组织的方向分化。赵春华首次发现并证实，在人体胚胎发育过程中，多种组织还存留具有多系分化潜能的亚全能干细胞。它们在胚胎发育成熟后逐渐失去部
10、分原始干细胞表型，但在胚胎发育为成体后仍具有亚全能基因组，其中的组织特异性基因在适当的微环境下可以被激活，因各自所处的微环境不同而向不同的组织分化，能够全方位地选择分化为各种组织细胞。赵春华实验室在单克隆细胞水平上通过体内实验证实，亚全能干细胞能够向 3 个胚层多系统分化为各种组织细胞。学术资源这可能在一定程度上有助于澄清成体干细胞的可塑性问题。总之，有关可塑性问题还需不断进行深入研究，要用更先进的手段，获取更充分而精确的科学证据，只有这样，才能来提出或支持相应的论断。Bjklund 和 Svendsen 指出，我们现在所看到的意味着一门新的生物学已经出现，从长远看，这是新的再生医学的诞生。二
11、、干细胞治疗的现状和前景1999 年，Science 杂志编者 Bloom 在把“人类多能干细胞分离培养和维持不变的技术”定为该年科学的重大突破时说:“这给人类提供了极大的可能性：用干细胞修复病损的脏器和细胞缺损” ，他还说“最终可能用干细胞制成像肾、肝这样复杂的器官” ，此后，文献上发表了许多用干细胞治疗多种疾病的研究文章。源于胚胎干细胞的细胞已能或可能治疗许多疾病，如神经细胞治疗帕金森病;心肌细胞治疗心肌梗死；B 型胰岛细胞治疗糖尿病；软骨细胞治疗骨关节炎；白细胞治疗白血病；皮肤细胞治疗烧伤和创伤；肝细胞治疗肝炎；骨细胞治疗骨质疏松症；视细胞治疗视网膜退化；骨骼肌细胞治疗肌营养不良等。成体
12、干细胞中，造血干细胞(包括骨髓、脐血和外周血中的干细胞)已用于治疗重度白血病和某些遗传性血液病。骨髓间充质干细胞(m esenchym alstem cell MSC) 可经诱导向软骨细胞分化并能分泌特异性型胶原基质，因此可望成为工程化软骨的种子细胞；MSC 还可能分化为肌细胞，可能成为肌萎缩、肌营养不良时促进肌组织再生的靶细胞，MSC 与基因治疗结合，可强化治疗效果，对某些基因突变所致的遗传性疾病，可分离其自体的间充质干细胞，体外进行改造，敲除突变基因，导入正常基因，然后重新输入体内，既纠正了遗传缺陷，又避免发生移植反应。Olic 报告，梗死的心脏注入富含鼠的骨髓干细胞后，40%的心肌层得到
13、恢复。Kocher 等用人的骨髓来源的成骨干细胞使心肌梗死鼠 30%一 40%的心功能得到改善。Anversa 等证明，心脏有相当数量的干细胞，这些细胞可分化为心肌细胞，病理组织学观察显示，有 0.015%的心肌细胞处于有丝分裂期，心肌梗死时为 0.08%。在性别不匹配的心脏移植中可见受者循环中的干细胞能移居并定位于移植的心脏，生成新的心肌纤维。新近的研究表明，成体非心脏来源的干细胞，如骨髓、脑、骨骼肌、脂肪组织、肝脏和外周血干细胞，通过自然迁移或实验种植心脏均可分化为心肌学术资源细胞，提示成体干细胞可成为心肌梗死后再生的心肌细胞，目前已很快进入临床研究。成体干细胞及其子代细胞移植或动员脑组织
14、内的干细胞治疗神经退行性疾病已获初步成效。动物实验证实移植的神经元可替代修复已损坏的神经通路。临床试验也证实细胞替代治疗可使症状缓解。帕金森病的主要病变是黑质纹状体中多巴胺能神经元的退行性变，给病人纹状体内移植胎儿中脑组织的结果显示，移植的神经元可以存活并恢复对纹状体的神经支配达 10 年。由于伦理、来源等问题，大量临床应用有困难，多巴胺能神经元是否由内源性神经干细胞产生，至今尚无肯定结果。用干细胞和生长因子修复骨折，可加速愈合。动物实验显示，从骨髓提取干细胞能改善治疗效果。用干细胞治疗瘫痪病人，已有成功病例的报告。用干细胞取代受损的分泌胰岛素的胰岛 细胞，也取得初步疗效；分离出的毛囊干细胞与
15、“诱导”的真皮细胞结合可产生新的毛囊，培养诱导真皮细胞的技术加上足量的表皮干细胞可用组织工程方法制造毛囊以治疗毛发缺失。有人将干细胞当成“未来疾病治疗的新希望” 。但是，文献中也有另外一种声音，例如一篇题为“干细胞治疗:是新希望还是错误开端”中提到，许多来自骨髓、外周血或心脏组织中分离的干细胞和祖细胞，在被注入心脏后虽可获得心肌细胞的基因表型，但不同的实验结果无法证实骨髓来源的单核细胞可分化为心肌细胞。有些经冠脉注入自体骨髓细胞治疗心肌梗死的临床试验结果，初期显示功能改善，但以后与对照组无明显差别。实际上，经冠脉注入的骨髓源性单核细胞仅一小部分停留在心脏内，其疗效至今仍不能得出明确的结论。有文献报告，将人胚胎干细胞注入鼠大脑内，替代已死亡的脑细胞，促进多巴胺释放，帮助患鼠改善帕金森病症状。结果显示，症状确有减轻，但与此同时，一些干细胞并不释放多巴胺，而是继续分裂，其生长方式类似早期的肿瘤细胞，最终可能会形成一种脑内肿瘤。B j k luncl 和 Svendsen 以“ch in eric stun cell(空想的干细胞)”为题批判了把干细胞当成包治白病的万灵药的观点。从以上资料中可以看出，对成体干细胞可塑性的认识还有许多不清楚的地方，干细胞的治疗作用在有些病症(如重度白血病和某些遗传性疾病)中已得到充分的肯定，但多数还处于探索阶段。
