春城里的再生梦

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1、春城里的再生梦春城里的再生梦李天晴，昆明理工大学灵长类转化医学研究院教授，云南中科灵长类生物医学重 点实验室研究员，课题组长。长期从事干细胞与再生医学方面的研究和应用，科研工作成 绩突出。回国 4 年就做出了多项原创性工作，特别是在灵长类干细胞的多能性方面取得了 国际一流的成绩：首次在世界上分离到 Naive（原始态）灵长类胚胎干细胞，并证明这些 灵长类干细胞可以产生嵌合体动物。该技术的突破在干细胞研究领域具有里程碑的意义。 另外，在灵长类干细胞的规模化培养、定向分化以及应用方面也取得了重要的进展，建立 了利用灵长类动物开展干细胞治疗人类重大疾病的临床前研究的技术平台。目前作为课题 负责人主持

2、了国家重点基础研究发展计划项目、国家科技支撑项目、自然科学基金、云南 省发改委等基金 7 项。研究成果以第一作者和通讯作者分别发表在 Cell Stem Cell，Cell Research，Biomaterials，Stem Cells Reports，StemCells，Scientific Reports 等国际一流或著 名杂志。获云南省科学技术奖二等奖 1 项，授权专利 1 项，申请 2 项。 1990 年，诺贝尔生理学或医学奖授予给了美国医生 J.E 默里和 E.D 托马斯，因为他 们在医学史上的重大贡献发明一种治疗疾病的新方法，即细胞和器官移植。 毋庸置疑，器官和细胞移植是 2。世

3、纪生物医学工程领域中具有划时代意义的技术。 它是人类改变传统药物治疗方式，使衰竭器官恢复功能的一种新医疗模式，为医学领域带 来了革命性变化。2013 年，世界卫生组织调研显示，全球一年实施了近 12 万例器官移植 手术。尽管无数病患因此获得了新生，但令人忧心的是，这一数据仍只能满足不到 10%移 植等待者的需求。并且，对于器官移植和捐献领域起步较晚的我国而言，器官需求数量与 供给数量的比例更加触目惊心。 不过，科学家正在探寻新的方法，有可能在不久的将来，这一现状就将得到革命性 的变化。 除了公民自愿捐赠器官外，需要器官移植的病患或许又多了一种新选择选取自 身的一点皮肤细胞，通过干细胞再造器官技

4、术挽救自己的生命。为了这一梦想，昆明理工 大学灵长类转化医学研究院教授李天晴，多年来不断开拓创新、勇攀高峰，带领团队开展 的灵长类多功能干细胞全能性研究取得了重大进展，为无数重病患者带来了生的希望。 梦之源起瞄准多功能干细胞研究 干细胞即为起源细胞，是一类具有增殖和分化潜能的细胞，具有自我更新复制的能 力，在一定条件下能够产生高度分化的功能细胞，医学界称之为“万用细胞”。人类对干细 胞的研究被认为开始于 20 世纪 60 年代。在几个近亲种系的小鼠睾丸畸胎瘤的研究中，表 明其来源于胚胎生殖细胞。此工作确立了胚胎癌细胞是一种干细胞。 1998 年，美国威斯康星大学教授詹姆斯，汤姆森利用人的胚胎建

5、立了世界第一株人 类胚胎干细胞系。而正是由于人胚胎干细胞系的建立才产生了再生医学的概念，使干细胞 研究显示其巨大的应用价值，受到人们的广泛关注。 21 世纪初，当新千年的钟声敲响，还在中国科学院昆明动物研究所读博士的李天晴， 开始跟随导师展开了灵长类干细胞的研究之旅。在意识到干细胞研究领域的无限发展前景 后，2005 年，博士毕业的李天晴就顺理成章地留在了所里当了助理研究员。然而，随着研 究的日益深入，他也渐渐感觉到知识和研究手段的缺乏。为此，在 2006 年 10 月，李天晴 毅然前往美国进行干细胞的博士后研究。并于 2017 年年底归国，投入了干细胞与再生医学 的海洋。 一直以来，将人类胚

6、胎干细胞投入医学应用的障碍之一，正是在于它们极其具有前 景的一个特征天生能够快速分化为各种类型的细胞。直到现在，科学家们仍然无法回 答的一个重大科学问题是：灵长类（包括人）干细胞是否具有原始态的特性，即能嵌合到 早期胚胎并产生嵌合体。这已经成为制约干细胞临床应用的关键性科学问题之一。 然而，人多能干细胞（PSCs）与大、小鼠相比，表现出不同的特性以及调控机制。 实验表明，小鼠的胚胎干细胞容易在体外保持它们的原始态、未触发状态，而人类胚胎干 细胞则很难在体外保持这种状态。根据发育阶段、克隆形态、信号依赖、线粒体代谢、嵌 合能力、基因表达以及表观遗传等差异，哺乳动物干细胞多能性被分为原始态（Nai

7、ve）和 始发态（Primed）两种状态。Naive 多能干细胞具有更好的体内分化发育能力，相似于囊胚 前的早期胚胎卵裂球。当其注射到早期胚胎后，能够参与胚胎的发育和分化，产生嵌合体 动物，再生功能的组织器官，而 Primed 多能干细胞这样的功能相当有限。 同大小鼠相比，人的胚胎干细胞研究存在的最大问题就是没有一个统一的标准来衡 量干细胞的多能性。传统的体外分化和畸胎瘤等方法，只能对干细胞的分化能力进行定性 分析，不能回答所有与人类多能性相关的问题，诸如人类多能性细胞是否具有正常的体内 发育能力、这些已分化的细胞被移植后是否仍保持原来的细胞命运、这些细胞是不是会无 控地增殖和迁移等。 由于缺

8、乏统一的评价标准，导致不同实验室建立的人 ESC（胚胎干细胞） 、 iPSC（诱导多功能干细胞）差异很大，在基因表达以及分化倾向性方面存在较大差异，阻 碍了干细胞的临床应用。而由于小鼠 ESCs 具有 Naive（原始态）特性，因此不同 ESCs 系 之间的基因与分化能力差异较少，预示了获得 NaivePSCs 是干细胞实现临床转化的关键条 件之一。 然而，目前仅小鼠和大鼠上具有这种 Naive PSCs。如何建立人的 NaivePSCs 以及干 细胞的鉴定标准，仍是干细胞基础研究和临床应用需要解决的一个重大科学问题。这也是 李天晴一直以来奋斗的目标。 由于理和条件的限制，无法直接在人类干细胞

9、检测其多能性。猕猴或食蟹猴作为与人类亲缘关系很近的非人灵长类，在解剖、生理、遗传，特别是在神经系统结构与功 能上如认知、情绪、和社会行为等方面，表现出与人类的高度相似性。因此，猴被认为是 多种人类神经系统类疾病唯一或最合适的实验动物模型。更为重要的是，猕猴或食蟹猴与 人类的 PSCs 极为类似，而与啮齿类动物的 PSCs 差异巨大。利用灵长类疾病动物模型，建 立干细胞治疗疾病的技术标准和规范，促进干细胞在体内的安全性和有效性，将实现干细 胞的临床转化。 同时，作为人类起源与发展的关键和核心地区之一，素有“动物王 国”“植物王国”和“有色金属王国”之美誉的云南，拥有丰富的灵长类资源。1965 年

10、，距今约 170 万年的元谋人被发现于云南元谋县上那蚌村西北小山岗上。这是迄今为止发现的亚洲 最早人类。 2014 年，在多年的灵长类研究基础上，昆明理工大学灵长类转化医学研究院成立。 成立之初，便以建成国际一流的灵长类转化医学研究院为目标，通过产学研结合，促进以 非人灵长类动物作为技术平台的生物医学技术研究及其产业化应用。通过多学科交流与融 合，结合中心自身的优势条件，目前，研究院已开辟了干细胞与再生医学等多个不同的研 究发展方向，拥有干细胞培养、分离、分化以及鉴定等所需的各种大型仪器和实验条件。 其依托下的云南中科灵长类生物医学重点实验室，下设灵长类生殖与发育生物学实验室、 灵长类干细胞与

11、再生医学实验室、灵长类神经生物学实验室、病理实验室、灵长类动物实 验和质量控制实验室以及中心实验室等，拥有丰富的灵长类资源的得天独厚的地域和技术 储备优势，依托灵长类等实验动物养殖和动物实验研究体系，开展灵长类生物医学和人类重大疾病的灵长类动物模型相关的基础和应用基础研究。 正是得益于云南省丰富的灵长类资源及世界一流的人类重大疾病灵长类动物模型研 究技术和平台，从 2002 年起，李天晴就在灵长类干细胞的科研之路上不断攀登，并取得了 多项重大突破：首先在国际上建立了猴子胚胎干细胞的同源饲养层培养以及猕猴胚胎干细 胞定向分化为功能神经干细胞的体系；同时，通过长期的探索研究，他们还创造了干细胞 领

12、域里程碑式的成果首次在世界上分离了原始态的灵长类干细胞，并证明这些细胞能 够产生嵌合体猴。这是第一次在世界上证明，高等动物的干细胞可以产生嵌合体动物。梦 之基石一一“嵌合体猴”的诞生 在古希腊神话中，有一只脾气十分暴虐的怪兽奇美拉（Chimera） 。它长着狮子的头， 蛇的尾巴，背上还有一个会喷火的羊脑袋这便是世界上最早出现的嵌合体动物。 简单来讲，所谓嵌合体就是指由不同基因型的细胞所构成的生物体。而嵌合体动物， 就是将一个动物的胚胎干细胞注射到另一个动物的囊胚当中，随后通过辅助生殖技术而获 得的产物。1907 年，德国植物学家和遗传学家温克勒把嵌合体比喻为希腊神话中狮首、 羊身、蛇尾的奇美拉

13、神兽，这也是嵌合体外文名 Chimera 的由来。 随着技术的发展，目前，科研人员已经通过胚胎干细胞嵌合成功的嵌合体动物只有 小鼠和大鼠。嵌合体的形成是评价干细胞 Naive 特性的金标准。然而，灵长类多能干细胞 是否能够产生灵长类嵌合体，一直是个世界性难题。2012 年，美国 Oregon 国家灵长类中 心的 Shoukhrat 等人在 Cell 杂志上发表文章表明，培养的猴 PSCs 不具有嵌合体产生的能力。那么，灵长类多能干细胞究竟能否产生嵌合体动物呢？ 尽管一次次试验、一次次失败，李天晴团队依旧坚持不懈。面对外界不断传出的否 定理论，他和研究队伍不为所动，一心沉浸在自己的实验世界中。最

14、后通过改良的培养条 件，他们改变了食蟹猴胚胎干细胞（cESCs）的生长特性、基因表达谱和维持自我更新的 信号通路，将 cESCs 转化为 Naive-like cESCs（由于不清楚这些细胞能否在四倍体补偿的 条件下产生干细胞猴，因此李天晴团队把他们称为 Naive-like 细胞） 。当这些细胞注入桑椹 胚后，形成嵌合体囊胚。之后，李天晴团队又将 15 个嵌合体囊胚移植到 5 只母猴体内，有 2 只成功怀孕。3 个多月后，为了检测各种组织器官的嵌合情况，他们对两只胎儿终止了怀 孕过程，检测到两只胎儿成功实现了嵌合，而这两只采用的是同一种干细胞处理技术。 随后，研究人员检测了 3 月龄猴子的心

15、脏、肾脏、胰脏、大脑、脾脏、肺、肝脏、 睾丸、皮肤等 18 个器官，都检测到了经过标记后的干细胞。这样，就证明了嵌合进去的干 细胞整合到了胚胎中，参与了机体各种器官的发育并分化成各种组织细胞。 2015 年 7 月 2 曰，李天晴团队的这一成果成功发表在国际一流期刊 Cell StemCell 杂 志上。论文一经发表后便引起了巨大关注。李天晴团队的研究，首次在世界上证明了利用 灵长类 ESCs 获得嵌合体猴是可行的，同时也证明了灵长类动物胚胎干细胞的全能型，具 有重大的科学和应用价值：1、为建立灵长类（包括人）PSCs 的鉴定标准提供了重要参考； 2、实现对体内组织器官的再生，为最终体内再生功

16、能器官用于病人器官移植提供重要的研 究基础；3、结合基因定向修饰技术，建立人类特定疾病的非人灵长类动物模型。 在器官移植领域，早在一百多年前，国内外一些科研人员就开始研究异种器官移植。 1905 年，法国进行了世界第一例异种器官移植手术，把兔肾脏植入肾功能衰竭儿童体内， 手术很成功，但 16 天后由于排异反应，这名儿童死于肺部感染。 为了减少异种移植中的排异反应，科研人员尝试敲除供体的某些基因，取得了一些 研究进展，但还没有完全突破。 而嵌合体猴的研究，则希望用另一种方式解决排异反应。将灵长类动物中的食蟹猴 作为研究对象，利用它的胚胎干细胞成功获得嵌合体猴。理论上，通过此胚胎干细胞生长出来的各项组织器官与原来的食蟹猴应当是一致的，将嵌合体猴的器官移植到原来的食蟹 猴中，就很好地解决了异种移植带来的排斥反应。 如果研究不断获得进展，在大量再生器官的安全性和功能性评价基础上，未来还可以用病人自身的皮肤细胞，经过重新程后成为全能干细胞，然后将全能干细胞注射到猪或其他动物的胚胎中去再生出病人自身的器官，最终为挽救病人的生命做出贡献。 一分耕耘一分收获。