攻克医疗难题的新希望

我们每个人的生命，都始于精子和卵子的融合。这个融合后的细胞被称为受精卵，即原始干细胞，是一切最终将组成我们身体的各个组织的起源。

图1.2　细胞分裂

一个细胞的正常生命周期会经历50~70次细胞分裂，直到达到“老年”或衰老，停止分裂，最终死亡。科学家正在研究减缓、停止甚至逆转这一过程的方法，以保持细胞在自然寿命之外的存活和健康。

受精后不久，受精卵便会进行细胞分裂，形成2个、4个、8个、16个细胞。细胞分裂7次后，会形成128个细胞的结构，这个结构被称为囊胚。在这个时间节点，会有一个“开关”启动，细胞开始分化，而不是继续复制。这些细胞向特化迈进了一步，成为外胚层、中胚层和内胚层的细胞。这三种细胞类型构成了胚层（germ layers），它们将继续分化成200多种类型、总数量达到数万亿的细胞。外胚层形成神经系统相关细胞；中胚层形成肌肉、骨骼和器官；内胚层形成的细胞排列在人体内许多管状系统的内部。

细胞会逐渐分化，一些细胞分化为皮肤、一些细胞让心肌有节奏地跳动，还有一些细胞会成为关节细胞来缓冲骨骼。每个完全分化的细胞都有特定的工作。这些细胞只能复制产生与其自身相同的细胞，只有少数例外，我们将在后面提到。当一个人出生时，他体内的绝大多数细胞都已高度分化，但仍存在早期未分化的细胞。我们每个人体内都存在着有分化能力的细胞，它们能够分化出几种甚至多种组织，这些就是干细胞。

虽然干细胞存在于一系列分化程度不同的细胞中，但在科学领域的学说里，通常将干细胞分为两类：胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞是原始干细胞。在实验室中，原始干细胞通常来源于体外受精产生的128个未分化细胞组成的囊胚。虽然干细胞拥有能够产生多种类型组织的能力，但这种能力在实践中有一个很大的缺点，当这些多能胚胎干细胞被放置在原始发育环境之外的区域时，它们不受人体原始发育的制约和平衡，易导致癌症的发生。当研究人员将胚胎干细胞引入动物模型（animal model，指各种医学科学研究中建立的具有人类疾病模拟表现的动物。——译者注）体内时，它们的体内往往会产生肿瘤。

我们可以把使用困难看作是胚胎干细胞应用的一个挑战。南达科他州苏福尔斯的桑福德健康中心（Sanford Health）主任，托德与琳达·布林杰出教授（Todd and Linda Broin Distinguished Professor）埃克哈德·阿尔特博士（Eckhard Alt，MD，PhD）说：“由于伦理原因，胚胎干细胞不可能成为治疗药物。”阿尔特博士领导了桑福德项目（Sanford Project），一个20人的1型糖尿病研究小组。这个研究小组专注于利用胰腺干细胞，在胰岛中聚集可产生胰岛素的β胰岛细胞。

诺贝尔生理学或医学奖对于胚胎干细胞的伦理和道德问题，其中一个解决方案是创造所谓的iPSCs，也就是诱导性多功能干细胞。通过从分化的成体干细胞中剥离诱导性多功能干细胞，研究人员能够使它们恢复到类似胚胎干细胞的状态。实验证实，通过对成体干细胞施加压力，然后将它们暴露在特定的化学物质中，可以诱导它们回到类似干细胞的状态。

这些被诱导产生的多能干细胞，不仅可以克隆与自己相同类型的组织，还可以形成一系列其他组织。这项技术的发现者约翰·戈登先生（Sir John Gurdon，DPhil，DSc，FRS）和山中伸弥博士（Shinya Yamanaka，MD，PhD）获得了2012年诺贝尔生理学或医学奖（图1.3）。

图1.3　约翰·戈登的发言

诺贝尔奖得主约翰·戈登（John Gurdon）爵士在第二届再生医学国际会议上的发言——科学与文化的根本性转变（梵蒂冈，2013年4月）。

然而，阿尔特博士指出，在许多治疗过程中，不需要干细胞分化成其他细胞类型的能力，我们可能根本不需要真正的多功能细胞。相反，更特化的、分化更成熟的成体干细胞更可能被直接用于再生或修复它们原本所在的组织。这些细胞在成人脂肪、骨髓和其他组织中含量充足，许多疾病可以通过使用患者自身细胞进行治疗，从而避免患者服用强力抗排斥药物。

实际上，这些成体干细胞已经开始分化，但尚未形成最终的细胞类型。成体干细胞将产生组成人体组织和器官的细胞，重要的是，它们可以无限分裂和繁殖。成体干细胞通常将用于补充它们原来所在组织的细胞数量。例如，医生能够从成人脂肪组织中分离间充质干细胞（mesenchymal stem cells）（图1.4）。这些干细胞可以发育成脂肪细胞、软骨、骨骼、肌腱、韧带、肌肉、皮肤，甚至神经细胞。

图1.4　间充质干细胞的来源

如果间充质干细胞在分化的道路上再走一步，它可以成为类似心肌细胞（产生心脏的肌肉细胞）这样的细胞。另一种成体干细胞，造血干细胞产生了血液系统的细胞——红细胞、白细胞和血小板（图1.5）。

图1.5　干细胞发育

干细胞可以分化成多种类型的细胞，如血细胞、神经细胞、肌肉细胞、心肌细胞、肝细胞和肠细胞。

正是这些血液干细胞为人类使用干细胞治疗疾病提供了原理论证。四十多年来，医生们一直在通过骨髓移植的方法将血液干细胞从捐赠者体内移植到患者体内。

造血干细胞最常被用来取代已经被化疗破坏的骨髓，如治疗白血病和淋巴瘤等。现在成体干细胞亦被用来修复自身免疫性疾病，也就是人体免疫系统错误地攻击自身所造成的组织损伤，如类风湿性关节炎、多发性硬化症、红斑狼疮和1型糖尿病等。

除了来自成人捐赠者的干细胞外，脐带血也被用作造血干细胞的移植来源。脐带血采集自婴儿出生后丢弃的脐带。20世纪中叶，儿童白血病的治愈率几乎为0，而现在，因为造血干细胞的使用，治愈率已经提高到了90%以上。

现在有证据表明，成体干细胞可以被分离出来，并真正用于治疗人类疾病。现在的关键是要分离出新类型的干细胞，并与它们能够治疗的情况进行匹配。不管你叫它再生医学、干细胞治疗或细胞疗法，目的都是为以前无法治愈的疾病提供治疗的新希望。

让我们来看看一些疾病和病症，它们已经或者很快就可以用干细胞来治疗。