第一部分再生醫(yī)學發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
第一章再生醫(yī)學概述
20世紀是生命科學和醫(yī)學飛速發(fā)展的100年——DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、聚合酶鏈反應等分子生物學技術(shù)的日新月異以及人類基因組測序工作完成等一大批成果，使人類開始從分子水平上重新認識生命現(xiàn)象的本質(zhì)。在眾多新醫(yī)療技術(shù)的保護下，人類的平均壽命逐年延長，人類認識和保護自身健康的能力有了長足的進步。但進人21世紀后，新的健康問題接踵而至，心腦血管疾病、癌癥、代謝性疾�。ㄈ缣悄虿。┖投喾N退行性疾�。ㄈ缗两鹕�病)的發(fā)病率逐年上升。由于缺乏有效的治療手段，這些疾病已成為人類生命的主要威脅，由此引發(fā)的一系列問題給社會帶來沉重的負擔。再生醫(yī)學的發(fā)展以上問題的了新的。
近年來，隨著干細胞培養(yǎng)技術(shù)和生物材料科學的發(fā)展，再生醫(yī)學成為國際生物學和醫(yī)學界備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，成為繼藥物治療、手術(shù)治療之后的第三種疾病治療途徑。1999年以來，干細胞與再生醫(yī)學相關(guān)研究九次人選《科學》(Science)雜志十大世界科技進展。目前，干細胞與再生醫(yī)學正處于重大科學技術(shù)革命性突破的前夜。《科學》雜志高級主編Davenport先生曾說，21世紀的再生醫(yī)學研究與20世紀抗生素的發(fā)明具有同等重要的意義。再生醫(yī)學已成為現(xiàn)代臨床醫(yī)學的一種嶄新的治療模式，其前沿性與現(xiàn)代醫(yī)學研究手段和理念的結(jié)合將推動醫(yī)學學科迅速跨上一個前所未有的高度。
第一節(jié)再生醫(yī)學概述
一、再生醫(yī)學的概念
再生醫(yī)學是一個涉及干細胞、組織工程、細胞與分子生物學、發(fā)育生物學、生物化學、材料學、工程學、生物力學、計算機科學等多個學科領(lǐng)域的新興學科。再生醫(yī)學是通過研究機體的正常組織特征與功能、創(chuàng)傷修復與再生機制及干細胞分化機制，尋找有效的生物治療方法，促進機體自我修復與再生，或構(gòu)建新的組織與器官，以改善或恢復損傷組織和器官的功能的科學。廣義上講，再生醫(yī)學是一門研究如何促進創(chuàng)傷與組織器官缺損生理性修復及如何進行組織器官再生與功能重建的學科，主要通過研究干細胞分化及機體的正常組織創(chuàng)傷修復與再生等機制，促進機體自我修復與再生，并最終達到構(gòu)建新的組織與器官以維持、修復、再生或改善損傷組織和器官功能的目的。狹義上講，再生醫(yī)學是指利用生命科學、材料科學、計算機科學和工程學等學科的原理與方法，研究和開發(fā)用于替代、修復、改善或再生人體各種組織器官，其技術(shù)和產(chǎn)品可用于因疾病、創(chuàng)傷、衰老或遺傳因素所造成的組織器官缺損或功能障礙的再生治療。隨著基因工程、組織工程、材料科學的發(fā)展，以及干細胞研究的不斷深入，再生醫(yī)學的內(nèi)涵也不斷擴大，它包括基因治療、組織工程治療、組織器官移植、組織器官缺損的再生與生理性修復以及活體組織器官的再造與功能重建等幾個方面。國際再生醫(yī)學基金會（IFRM)已明確將組織工程定為再生醫(yī)學的分支學科。
二、再生醫(yī)學的研究領(lǐng)域
再生醫(yī)學主要包括干細胞、組織工程、細胞治療、器官移植等多個研究領(lǐng)域。其中，干細胞與組織工程研究是再生醫(yī)學的核心內(nèi)容。
干細胞是具有自我更新能力，在特定的條件下可以分化成不同類型功能細胞的一類原始細胞。干細胞技術(shù)及應用能夠突破傳統(tǒng)醫(yī)學發(fā)展的限制，有望解決人類面臨的重大醫(yī)學難題。目前，干細胞研究主要集中在多能干細胞和能。多能包括、成體和重程
胞，單能干細胞來源主要為成體干細胞。胚胎干細胞來源于胚胎囊胚期的內(nèi)細胞團，能夠在體外大量增殖，具有很強的自我更新能力和多胚層分化潛能。胚胎干細胞的定向誘導分化為細胞替代性治療提供了可能的細胞來源，但免疫排斥和倫理學問題限制了其應用。腦、骨髓、外周血、血管、骨骼肌、皮膚和肝等成體組織都有組織特異的成體干細胞。其中，造血干細胞是應用最的成體，廣應用免疫系統(tǒng)等的治療。但大部分組織成體干細胞分離和體外培養(yǎng)擴增仍然較為困難，從而限制了其大規(guī)模臨床應用。誘導多能干細胞（iPS細胞）是近期全球研究熱點。2006年，日本京都大學教授山中伸彌等通過表達4個轉(zhuǎn)錄因子將小鼠成纖維細胞重編程為iPS細胞，隨后通過同樣的轉(zhuǎn)錄因子獲得了人iPS細胞。iPS細胞具有胚胎干細胞的生物學特性，包括自我更新的能力和三胚層分化的潛能，為細胞替代治療開辟了全新的領(lǐng)域。目前，在糖尿病、肝病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、眼部疾病等領(lǐng)域已開展了iPS細胞臨床前研究。
造血干細胞移植是發(fā)展最早且最成熟的干細胞移植技術(shù)。隨著干細胞分離、動員、擴增和保存等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，造血干細胞移植已經(jīng)從最初的骨髓造血干細胞移植發(fā)展為動員后外周血干細胞移植。利用造血生長因子或動員劑，可把造血干細胞從骨髓動員（mobilization)到外周血液。新型技術(shù)使外周血造血干細胞治療方案應用逐漸提高，目前至少有6種疾病可以通過造血干細胞移植來治療，包括癌癥（如白血病、淋巴癌、骨髓癌、神經(jīng)母細胞癌）、各種遺傳性血液病（如鐮狀細胞貧血癥、地中海貧血癥），還有其他自體免疫疾病、輻射損傷等。除造血干細胞外，胚胎干細胞與其他成體干細胞、多潛能干細胞在再生醫(yī)學領(lǐng)域的應用也不斷擴大，盡管大部分干細胞的研究還處于臨床前階段，但部分成體干細胞已經(jīng)從臨床前研究階段進入臨床試驗)部分成體干細胞的產(chǎn)品已經(jīng)上市，但要真正實現(xiàn)臨床應用推廣還需要進一步的臨床數(shù)據(jù)積累。干細胞的種類及其在再生醫(yī)學中的應用方向見表1-1。以胚胎干細胞的研究為開端，各種類型干細胞的重要性開始受到矚目。隨著各種干細胞及其調(diào)控生長因子陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，干細胞技術(shù)及產(chǎn)品已經(jīng)成為再生醫(yī)學研究領(lǐng)域的主流和基礎(chǔ)。
組織工程學是應用細胞生物學、生物材料和工程學的原理，研究開發(fā)用于修復或改善人體病損組織或器官的結(jié)構(gòu)、功能的生物活性替代物的一門科學。組織工程學能以少量種子細胞經(jīng)體外擴增后與生物材料結(jié)合，構(gòu)建出新的組織或器官，用于替代和修復病變、缺損的組織器官，重建生理功能。與傳統(tǒng)的自體或異體組織、器官移植相比，它克服了“以創(chuàng)傷修復創(chuàng)傷”、供體來源不足等缺陷，從根本上解決組織、器官缺損的修復和功能重建等問題。世界各國對組織工程基礎(chǔ)研究、心肌修復、骨組織修復等重要器官修復及產(chǎn)品等方面給予了充分的重視，部分國家成立了規(guī)模較大的組織工程研究中心和尖端醫(yī)療中心，為組織工程應用研究、醫(yī)藥產(chǎn)品的臨床試驗以及醫(yī)療設(shè)備研制奠定了基礎(chǔ)。
三、學科交叉
再生醫(yī)學綜合了干細胞、組織工程、細胞與分子生物學、發(fā)育生物學、生物化學、材料學、工程學、生物力學、計算機科學等多個學科最新進展，橫跨基礎(chǔ)研究、轉(zhuǎn)化研究、產(chǎn)品開發(fā)、臨床應用多個領(lǐng)域。例如，干細胞作為再生醫(yī)學的重要手段與研究核心，涵蓋了基礎(chǔ)與臨床醫(yī)學多個方面。在基礎(chǔ)研究方面，干細胞成為生命科學研究的重要模型，有助于我們更進一步探索人體內(nèi)各種生理及病理反應的分子機制，認識細胞生長、分化和器官發(fā)育等基本生命現(xiàn)象的規(guī)律，闡明重大病癥（如癌癥、遺傳性疾病、組織退行性病變及自身免疫性疾病等）的發(fā)病機制。由干細胞衍生的相關(guān)模型，還可作為藥物和功能基因篩選的理想平臺。利用干細胞構(gòu)建各種組織、器官作為移植的來源將成為干細胞應用的主要方向。體內(nèi)干細胞變異所導致的各類疾病成為醫(yī)學領(lǐng)域的研究熱點之一。在臨床應用方面，干細胞可以應用到人類面臨的眾多醫(yī)學難題中，例如，各種損傷患者的植皮，肌肉、骨及軟骨缺損的修補，髖、膝關(guān)節(jié)的置換，血管疾病治療或損傷后的血管替代，糖尿病患者的膜島植入，癌癥患者手術(shù)后大劑量化療后的造血系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)重建，切除組織或器官的替代，以及部分遺傳缺陷疾病的治療等。
第二節(jié)再生醫(yī)學的發(fā)展歷程
20世紀初就有科學家提出“干細胞”這個概念，然而直到1963年，才由加拿大研究員McCulloch和Till首次通過實驗證實了干細胞的存在。他們發(fā)現(xiàn)小鼠的骨髓中存在可以重建整個造血系統(tǒng)的原始細胞，即造血干細胞。從造血干細胞發(fā)現(xiàn)開始，至今再生醫(yī)學的發(fā)展經(jīng)歷了三個重要的里程碑事件（圖1-1)。
第一個里程碑源于1981年小鼠胚胎干細胞（ES細胞）系和胚胎生殖細胞系建系的成功，這項成果直接導致了基因敲除技術(shù)的產(chǎn)生，也是再生醫(yī)學理論誕生的標志。1981年，MartinEvans和GailMartin分別建立了小鼠ES細胞系，而該項成果也讓MartinEvans和另外兩位科學家獲得了2007年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。小鼠ES細胞具有在體外無限增殖的能力，通過長期的體外培養(yǎng)和遺傳修飾，經(jīng)顯微注射引人受體囊胚的人ES細胞可以分化為成體的各種組織，并整合人生殖系。小鼠ES細胞的分離和應用是干細胞技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑，其與同源重組技術(shù)的結(jié)合使在哺乳動物整體水平上定向改變和修飾遺傳物質(zhì)成為可能。
圖1-1再生醫(yī)學發(fā)展歷程
第二個里程碑始于1998年美國科學家成功培養(yǎng)出世界上第一株人類胚胎干細胞系。Thomson和Gearhart兩個小組分別報道了他們用不同材料方法成功分離建立了具有多方向分化潛能和永久增殖能力的人ES細胞系和人胚胎生殖細胞（EG細胞）系，兩者統(tǒng)稱為人胚胎干細胞系。在此基礎(chǔ)上，科學家將胚胎干細胞定向分化以構(gòu)建組織和器官，用來替代和修復疾病損傷及老化的組織器官，以達到治療與康復的目的。
第三個里程碑是2006年年底日本京都大學山中伸彌通過轉(zhuǎn)染轉(zhuǎn)錄因子基因使小鼠皮膚細胞重編程轉(zhuǎn)化為類ES細胞的iPS細胞。2007年，美國威斯康星大學湯姆遜和山中伸彌實驗室又同時報道了該技術(shù)可以誘導人皮膚成纖維細胞轉(zhuǎn)變成為iPS細胞。這項成果意味著胚胎干細胞倫理瓶頸問題被攻克，并豐富了細胞逆分化和譜系轉(zhuǎn)化的理論。體細S包重編程技術(shù)使得在不使用胚胎或卵母細S包的前提下制備疾病胚胎干細胞成為可能。一系列新技術(shù)的突破再次向人們展示了干細胞的廣闊應用前景。