作者：金岩
出版社：人民卫生出版社
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组织工程与再生医学试读：
版权页图书在版编目（CIP）数据
组织工程与再生医学/金岩主编.—北京：人民卫生出版社，2014
ISBN 978-7-117-19523-2
Ⅰ.①组… Ⅱ.①金… Ⅲ.①人体组织学②细胞-再生-生物工程-医学工程 Ⅳ.①R329②R318
中国版本图书馆CIP数据核字（2014）第188655号人卫社官网 www.pmph.com 出版物查询，在线购书人卫医学网 www.ipmph.com 医学考试辅导，医学数据库服务，医学教育资源，大众健康资讯
版权所有，侵权必究！组织工程与再生医学
主 编：金 岩
出版发行：人民卫生出版社有限公司
人民卫生电子音像出版社有限公司
地 址：北京市朝阳区潘家园南里19号
邮 编：100021
E - mail：ipmph@pmph.com
制作单位：人民卫生电子音像出版社有限公司
排 版：人民卫生电子音像出版社有限公司
制作时间：2018年1月
版 本 号：V1.0
格 式：mobi
标准书号：ISBN 978-7-117-19523-2/R•19524
策划编辑：兰南
责任编辑：刘艳平打击盗版举报电话：010-59787491 E-mail：WQ@pmph.com注：本电子书不包含增值服务内容，如需阅览，可购买正版纸质图书。前 言
自医学诞生之日起，人类便梦想能够完全修复或再生出因疾病或创伤而受损的组织和器官，使其形态和功能都与机体本身如出一辙。在20世纪80年代，随着工程学、材料学和生命科学各自的发展以及相互之间的渗透和融合，衍生出一门综合性边缘学科———组织工程学，其最初是用来描述体外构建组织或器官的有关理论和技术。随着21世纪以来科学知识的爆炸式迅猛发展，它的内涵和外延也在不断扩大，凡是能引导组织再生的各种方法和技术均被列入到组织工程范畴内。组织工程学的主要任务是实现受损组织或器官的修复和重建，延长寿命和提高健康水平，它的科学意义不仅在于提出了一个新的治疗手段，更主要的是提出了复制组织、器官的新理念，为再生医学的形成和发展孕育了肥沃的土壤。“再生医学”概念的提出比“组织工程学”晚了10年，是一门古老而新兴的学科。20世纪90年代如火如荼的干细胞研究，使得“再生医学”成为国际医学界的焦点并掀起一股研究热潮。“再生医学”是研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生的机制及干细胞分化的机制，寻找有效的生物治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能，其技术和产品可用于因疾病、创伤、衰老或遗传因素所造成的组织器官缺损或功能障碍的再生治疗。
组织工程与再生医学之间有着内在的、渗透的、密不可分的联系。组织工程是再生医学的外延，是再生医学中重要的研究内容。尽管目前已经明确将组织工程列为再生医学的分支学科，但是由于组织工程的重要地位，目前仍然经常把组织工程与再生医学并列以体现其重要性，一些重要的学术机构依然命名为组织工程再生医学相关机构，如国际组织工程与再生医学协会（TERMlS）、中国组织工程与再生医学分会等。
为了研究生教学和科研工作的需要，作者曾于2004年5月出版了《组织工程学原理与技术》。10年来，组织工程学不仅在基础研究方面取得许多创新成果，新理论、新技术层出不穷，部分组织工程产品也已经开发成熟并进入临床应用。组织工程学的腾飞，无疑大大推动了再生医学的发展，更加深化了二者之间不可分割的紧密联系。单纯的组织工程学论著已经难以满足本领域研究工作者以及教学的实际需要。因此，本书基于“组织工程”，以“再生医学”为主线，增加了“再生生物学”的内容，介绍了正常生命体中的再生过程及其相关机制。
本书共68章，第一篇包括13章，重点介绍了“再生生物学”的相关概念、起源和研究内容，包括形态发生、发育、基因调控通路、干细胞与衰老、干细胞与再生、干细胞与免疫、炎症等方面。第二篇包括26章，阐述了组织与器官的再生与工程化研究，详细阐述了支架材料、基因修饰、小分子化合物、脱细胞ECM技术、细胞膜片技术在细胞分化、器官再生中的作用和影响，并逐一介绍了机体重要组织器官的组织工程与再生研究进展。第三篇包括12章，主要介绍组织工程与再生医学的临床应用与产业化相关内容，重点介绍了皮肤、角膜、软骨组织工程产品和干细胞在临床再生修复中的应用，及相关测试模型的设计与安全性评价。同时，再生医学在美容领域的延伸也有介绍。第四篇包括17章，详细介绍了组织工程与再生医学研究中频繁使用的多种重要细胞的分离、培养和鉴定技术。本书广泛适用于生物学、生物工程学、医学系的研究生和高年级本科生，也适用于学术或临床型医学研究人员和相关行业的研发人员。
本书撰写过程中参阅了国内外已出版的相关文献和学术专著，尤其是Anthony Atala等《Principles of Regenerative Medicine》（2nd edition，2011）、Robert Lanza等《Principles of Tissue Engineering》（3rd edition，2007）和付小兵等《再生医学原理与技术》（2008）。在此表示衷心感谢。《组织工程与再生医学》一书的编辑和出版，离不开百忙之中积极参与本版图书编写的各位同仁们，在此一并表示衷心的感谢。
由于组织工程与再生医学是综合性很强的学科，发展迅速且知识更新较快，加之受到时间和编著者水平的限制，因此，难免有疏漏和不足之处，恳请读者提出批评不吝指正，以利下次再版时能够不断改进。编者2014年8月6日第一篇 再生生物学第一章 再生生物学概论第一节 引 言
再生( regeneration)是一种令人惊奇和着迷，同时又是非常复杂的生物学现象。事实上，所有的生物物种，从原生动物到人，都有再生的能力，但物种之间再生能力的大小存在很大的差异。涡虫、海星和一些蠕虫能再生其身体的大部分组织器官，但很多其他物种就只能再生一些特定组织的一部分结构。脊椎动物中，两栖类也有较好的再生能力，它们能再生四肢、尾、眼和一些内脏结构。人类实际上也有再生的能力，虽然人不能再生出新的四肢，但身体一直在细胞水平上不断重建，并拥有修复损伤和愈合伤口的能力。儿童有时候能够在手指意外截断之后，重新长出指尖;而成人在肝脏受损的时候，也可以重新长出部分肝脏组织。这些表明人类并未完全丧失再生能力，只是特定的发育信号没有被开启。有学者认为在人体中肯定存在某种东西，阻止了再生过程走得更远;甚至有些科学家认为身体里所具有的某种抑制癌细胞分化的机制，可能同时也抑制了细胞团发育成再生器官。不过，这些或许都可以改变，特别是2007年研究者发现了如何将已分化细胞重新变成诱导多能干细胞，这也消除了许多人曾经认为的不可逾越的再生障碍。因此，人类仍然具有重新长出肢体和器官的潜能，而且我们应坚信科学家有朝一日终可以获得重新开启或关闭再生功能的方法。第二节 再生生物学的发展历史
再生是一门古老的生物学研究领域。早在18世纪初，就有文献描述了龙虾四肢再生的详细过程，此后一直有博物学家描述许多动物的再生现象。直到19世纪，德国的动植物学家施莱登( Matthias Jakob Schleiden，1804—1881)和施旺( Theodor Schwann，1810—1882)建立了细胞学说并且开展了组织学相关技术的研究，关于再生的研究才开始慢慢脱离大体的现象描述。英国的达尔文( Charles Robert Darwin，1809—1882)是最早开始涡虫再生研究的生物学家，他还在进化理论中讨论了再生的生物学现象。在孟德尔的遗传学时代到来之前，魏斯曼( Friedrich Leopold August Weismann，1834—1914)是第一个仔细研究四肢再生形态发生理论的科学家。19世纪末期，著名的遗传学家摩尔根( Thomas Hunt Morgan，1866—1945)在离开他著名的果蝇遗传学领域之前还曾经领导了一个进行再生研究的活跃团队。20世纪初，许多物种的再生过程都被进行了细致的组织学描述，但几十年后，生物学家们意识到人类许多组织似乎都缺乏再生的能力，因此人们对再生生物学领域哺乳动物再生的兴趣开始逐渐消退。而关于无脊椎动物再生的研究，代谢梯度理论的创始人Child ( Charles Manning Child，1869—1959)首次将两栖动物的四肢再生研究从简单的描述转向特异组织在再生中作用的实验研究，譬如去分化的作用和形态发生。第二次世界大战期间，可能出于战争医疗的需要，关于蛙类四肢再生的研究异常火热，但好景不长。尽管此时关于胚胎的研究已经开始被用于再生系统，但人们对再生的兴趣逐渐消退了。到20世纪末期，由于分子生物学的飞速发展，人们看到了再生生物学中形态发生研究新的希望。加上21世纪初，人们突然意识到干细胞在再生中应用很可能彻底改变人类再生能力的低下，再生生物学正式诞生了。再生生物学的发展为解决人类组织器官的再生提供了研究基础。第三节 再生生物学的基本概念与原理
再生是生物体的整体或器官受外力作用发生创伤而部分丢失，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态与功能上相同的结构，这一修复过程称为再生。再分化是再生的基础，也就是说，在再生过程中，有些细胞首先要发生去分化，然后发生再分化，形成失去的器官或组织。
再生可分为生理性再生( physiological regeneration)及修复性再生( reparative regeneration)。生理性再生是指在生理过程中，有些细胞、组织不断老化、消耗，由新生的同种细胞不断补充，始终保持着原有的结构和功能，维持着机体的完整与稳定。例如，表皮的表层角化细胞经常脱落，而表皮的基底细胞不断地增生、分化，予以补充;红细胞平均寿命为120天，白细胞的寿命长短不一，短的如中性粒细胞，只存活1～3天，因此不断地从淋巴造血器官输出大量新生的细胞进行补充。尽管不同生理性再生现象的再生机制和细胞更新过程不一样，但从本质上来说，所有的生理性再生都是出于机体自身的需要。红细胞生成主要是由促红细胞生成素途径调控，这是目前生理性再生过程研究最清楚的途径之一。
修复再生是指组织器官缺损后发生的再生，如伤口愈合或骨折后重新接合的再生。从单个细胞到组织器官都有修复再生的现象(图1-1)。图1-1 再生的主要类型一、组织再生
组织再生( tissue regeneration)是修复再生的一种，其再生过程主要分成十个阶段，特征如下:①损伤(包括机械、化学和烫伤) ;②创伤后局部缺血和水肿;③局部炎症和坏死组织的去除;④再生动员细胞前体活化;⑤创伤区域的血管再生;⑥细胞外基质提供再生所需的底物;⑦再生所需细胞的大量增殖;⑧再生组织的分化;⑨再生组织的形态发生;⑩再生组织的功能恢复。
尽管各个组织的再生过程比较类似，但具体到各个组织，其再生的原理和能力又有所不同:上皮组织的再生
1.被覆上皮再生
鳞状上皮缺损时，由创缘或底部的基底层细胞分裂增生，向缺损中心迁移，先形成单层上皮，后增生分化为鳞状上皮。
2.腺上皮再生
其再生情况以损伤状态而异。腺上皮缺损腺体基底膜未破坏，可由残存细胞分裂补充，可完全恢复原来腺体结构;腺体构造(包括基底膜)完全破坏时则难以再生。
3.纤维组织的再生
受损处的成纤维细胞在刺激作用下分裂、增生。
4.软骨组织和骨组织的再生
软骨起始于软骨膜增生，骨组织再生能力强，可完全修复。
5.血管的再生
(1)毛细血管的再生:
出芽方式。
(2)大血管修复:
大血管离断需手术吻合，吻合处两侧内皮细胞分裂增生，互相连接，恢复原来内膜结构。离断的肌层不易完全再生。
6.肌肉组织的再生
肌组织再生能力很弱。横纹肌肌膜存在、肌纤维未完全断裂时，可恢复其结构;平滑肌有一定的分裂再生能力，主要是通过纤维瘢痕连接;心肌再生能力极弱，一般是瘢痕修复。
7.神经组织的再生
脑及脊髓内的神经细胞破坏后不能再生。外周神经受损时，若与其相连的神经细胞仍然存活，可完全再生;若断离两端相隔太远、两端之间有瘢痕等阻隔等原因时，则形成创伤性神经瘤。
修复再生中还有一种特殊的再生现象，譬如蜥蜴或蝾螈的断尾、断肢的再生。这种从创伤处再生处发育再生出新的组织结构的再生现象又被称为割处再生( epimorphic regeneration)。在这种再生现象中，机体切面没有增殖再生，而是依靠剩余的一部分直接发育成一个新的组织器官。一般来说，割处再生的特征是:①通过表皮间充质的相互作用形成再生芽基;②内源表达形态发生的关键基因。二、割处再生
两栖类四肢的再生是割处再生的经典模型，该再生过程主要由六个关键环节构成。(一)伤口愈合
已有研究表明再生组织的伤口愈合与非再生组织的愈合过程几乎没有任何差异。断肢出现的时候，伤处的肌肉等软组织立刻会收缩，有利于血管收缩;之后血管壁也迅速收缩，致使创面的大出血被制止;几小时内，创口边缘的表皮细胞会在血清和细胞外因子的作用下被动员发生迁移，覆盖住创伤表面，阻止创伤被感染恶化。(二)吞噬作用
目前研究对吞噬拆建( phagocytosis and demolition)这一时期的理解远不如对其他时期的清楚，只知道这一时期的主要作用在于区分残肢是否在以后会发生再生。一旦伤口愈合，创伤面表皮化以后，虽然残肢的组织学表现似乎是恢复正常了，但断肢处的肌肉、神经、骨骼以及皮肤仍然表现为一种近期急性创伤的应激反应。特别是软组织会被炎性细胞浸润，但两栖动物的炎症反应要比哺乳动物的类似损伤轻得多。除了伤口处的表皮会慢慢变厚外，早期的再生变化并不是特别显著。研究表明在该时期，在金属基质蛋白酶的作用下，细胞外基质会重建;随后一些丝氨酸蛋白酶刺激静止的细胞重新进入细胞周期，启动修复再生过程。(三)去分化
人们对去分化( dedifferentiation)时期的认识是再生领域最具有争议的研究之一，比较清楚的是残肢的成熟组织会慢慢变成一种具有胚胎类似性质的组织结构，争议的地方在于残肢组织重建过程中，是由剩余的成熟细胞去分化形成一种具有多能性的前体细胞还是在残肢组织中本身就存有类似的多能细胞被动员了。不管争论如何，从组织结构上来说，去分化时期主要发生了以下事件:一是残余骨组织在破骨细胞的作用下，形成一种具有类似成骨作用的软骨基质;二是表皮变得异常的厚，并伴随有神经纤维的生长;三是肌肉组织失去原有的纹理状结构，变成一种类似肉团的结构，最后演变成芽基组织。(四)芽基形成
芽基再生( blastema formation)是指去分化后期，一群非成熟的细胞积聚在残肢表皮帽的远端，这群大量积聚在一起的细胞形成的一种处于生长状态的芽泡状结构的过程。无论是结构上还是特性上，芽基都类似于胚胎肢芽。与肢芽的间充质细胞类似，尽管已有研究发现芽基细胞存在许多的亚群，但芽基细胞之间并无明显的区分。最初阶段，芽基组织中并没有血管，但到了后期发育成熟后，又会出现新的网状血管。芽基形成时期最关键的肢体发育的模式，虽然现在人们并不知道该时期的具体调控方式，但已有科学家开始用肢体的胚胎发生过程来模拟诠释芽基再生的过程，相信不久的将来，芽基再生的研究对人类的肢体再生具有十分重要的作用。(五)形态发生
形态发生( morphogenesis)是芽基再生的一种肢体再生模式，反映了芽基的快速增长，积聚的一部分芽基细胞通过软骨成骨的方式重建残肢的原有骨骼结构。在这一时期，会形成明显的靠近远端的分化前后级梯度。形态发生后期，从结构上来说，再生的肢体与原有的肢体是一样的。(六)生长
对于较大个体的四肢再生来说，一旦形态发生完成，再生的四肢就已经形成了，但相对于个体大小来说，再生的四肢是非常小的，还需要几个星期的不断生长，再生四肢才能长成和正常四肢一样的大小。
割处再生并不仅限于两栖类动物的四肢，哺乳动物中也有类似的再生现象，如鹿茸每年都重新生长一次。割处再生作为修复再生的一种特殊再生现象，尽管在再生细节上不同于其他修复再生，但一些关键点是再生普遍需要的。譬如创伤的表皮化和再生细胞的动员等，这些对于组织器官的再生有十分重要的意义。第四节 再生生物学的研究内容
一直以来，再生生物学研究的主要内容均是围绕探讨再生过程的类型。当某一种再生过程被诠释得比较清楚的时候，这种研究对理解再生生物学是非常有帮助的，但许多再生过程并不被人们所熟识，因此，本文将探讨各种各样的主要再生过程的重要关键因素，以期能为理解近年来出现的再生医学研究打下理论基础。一、细胞在再生中的作用
研究再生中细胞的作用的首要问题是参与再生的细胞来自于哪里?随着研究手段和技术的进步，研究人员逐渐给出了清晰的答案。早期的科学家对此问题的回答主要集中在试图阐明参与再生的细胞是本来就存在于损伤部位还是从其他地方响应损伤信号迁移过来的?并通过对两栖类动物的四肢和涡虫的割处再生研究，应用局部解剖的方法阐明了该问题。参与再生的细胞主要有以下四类:①损伤组织中残留的去分化的成熟细胞;②损伤组织中残留的没有去分化的增殖祖细胞;③损伤组织中的局部被活化的多能干细胞;④收到信号后从其他部位迁移过来的多能干细胞。
早期的研究在功能上确认了损伤组织中残留组织的重要功能。近年来，越来越多的研究集中于损伤组织处来源细胞的研究。研究者期望通过给予一个适当的微环境信号，能够使外源的细胞分化成为需要的特定细胞。这个环境可以是组织本身，也可以是异位表达的某种物质。随着研究的深入，研究人员发现还有个问题需要解决，迁移的细胞存在两种作用方式:①外源的细胞在组织损伤前就能迁移到该组织，一旦该组织受到损伤，这些迁移的细胞就能参与该组织的再生修复过程;②外源的细胞只有在组织损伤后才能接到指令，然后迁移到靶向组织参与再生。不论是何种作用方式，这些外源来的细胞到底有多少参与到组织再生过程中，仍然是个不乐观的问题。二、细胞外基质在再生中的功能
再生过程中细胞与细胞之间的相互作用具有十分重要的作用，特别是发挥功能的底物。有意思的是，组织再生和割处再生对于这种细胞相互作用发挥效应的底物存在很大的区别。组织再生过程中往往某种特殊的底物是必需的，而相反的是，割处再生则需要去除细胞之间发挥作用的底物联系，以便细胞发生去分化和形成芽基。因此，细胞与底物之间的识别反应在再生过程中就显得尤为重要，这可能是导致组织不能完全再生、发生纤维化、形成瘢痕的重要原因。
虽然现在对于这种发挥作用的底物到底是什么，仍然还有争论，但不能否认的是，细胞外基质对于底物的作用发挥很关键，因为细胞外基质不仅能结合一些譬如生长因子之类的生物活性大分子，也有可能细胞外基质本身就能充当底物的角色。基于细胞外基质如此重要的功能，现在围绕再生医学的组织工程学有相当大一部分是在研究细胞外基质作为一种天然的生物材料，为组织器官的再生发挥支架作用。总的来说，细胞外基质的功能主要在于为细胞提供一个可再生的微环境，是再生研究领域不可或缺的部分。三、再生过程中组织之间的相互作用
再生的发生并不是完全独立的一个局部反应，抛开再生的结构特性不谈，从功能特征来讲，再生实质上是一个机体在受到损伤以后，全身动员的过程。这种联系在割处再生中表现尤为突出，譬如一旦两栖类动物的四肢断肢以后，它必须保持好几个月的时间不动来让断肢再生。组织再生的反应可能没有那么大，但也确实依赖周围组织的支持，特别是血供。现有研究普遍认为，无论是机体再生的组织器官，还是外源的组织工程器官，如果不能很好的解决血供的问题，再生的组织器官是无法行使功能的。毕竟组织器官的存活需要血液循环来提供氧气和营养物质。
神经对组织再生的支持作用也是十分重要的，但却比血供来的更为复杂。有些再生并不需要神经的支持，有些组织再生却离不开神经的支持;有些再生只需要神经有足够的数量，与神经的类型无关，而有些再生却只依赖于交感神经元。四、再生结构的形态发生研究
形态发生理论( morphogen theory)认为调控性状的蛋白是呈梯度排列的，不同数量的蛋白激活基因能形成各式各样的自然特征。形态发生理论首创于20世纪50年代，由著名的数学家和逻辑学家Alan Turing等人创造，20世纪60年代Lewis Wolpert又从中进行了精炼。不论是在胚胎发育还是再生领域，形态发生作为一种发育形式，到目前为止，仍然是一个知之甚少的领域。尽管已经有大量的文献提供了可能机制的研究线索，但关于形态发生的细胞与分子生物学机制却未见比较可信的研究。
最近来自美国纽约大学的研究人员发现了胚胎不同区域，蛋白表达调控的新机制，也揭示了机体如何计划组织生理特性的机制，这一成果对已存在几十年理论提出了质疑。研究人员分析了果蝇，聚焦于一种蛋白: Bicoid( Bcd)，这种蛋白在将形成成熟果蝇头部的胚胎尾部中以最高量梯度表达，他们检测了大量Bcd蛋白直接激活的靶基因，每个靶基因都能在胚胎某个区域中进行表达，对应于某个特殊的结构。还分析了这些靶基因的DNA序列，结果发现了三个另外的蛋白: Runt、Capicua和Kruppel的结合位点。这三种蛋白都是在胚胎中部以最高表达量梯度表达，因此正好对应于Bcd活性梯度的相关方向。研究人员通过操控这些蛋白的结合位点，修改其空间分布，结果证明了这些抑制成分可以对抗依赖于Bcd的活性，而且在构建正常胚胎过程中的正确边界顺序具有关键性的作用。这些研究提出了对于形态发生理论的质疑，研究人员解释道，他们的发现并没有否定之前的观点，而是认为这一理论需要更进一步的修改。第五节 再生生物学在医学中的研究一、干细胞
干细胞是一类特殊的细胞。它们可以自我更新，并且可以分化成特定类型的功能细胞。根据来源的不同，干细胞一般分为胚胎干细胞( embryonic stem cells，ES)和成体干细胞( adult stem cells)。胚胎干细胞可以分化成体内所有类型的细胞，而成体干细胞可以分化成相应器官的所有类型的细胞，如造血干细胞( hematopoietic stem cells，HSC)可以分化成造血系统所有类型的细胞。因此，可以先将干细胞分化成特定类型的功能细胞(如心肌细胞、胰岛细胞、神经细胞等)，再将这些细胞移植到患者体内，替代损伤的组织，这就是再生医学的基本原理。与传统的药物治疗相比，细胞治疗具有以下优势:药物治疗往往通过干预某些信号通路来发挥作用，而细胞治疗则是用健康的细胞替代损伤的组织，更能从根本上治愈疾病;某些疾病尤其是退行性疾病，传统的药物治疗很难发挥作用，只能依赖于细胞治疗。干细胞研究和再生医学给治疗退行性疾病带来全新的手段和希望，引起各国政府的重视和大众的关注，在全球掀起干细胞研究及应用的热潮。随着全球老龄化的问题日益严重，细胞治疗必将成为未来医学的主流。
干细胞这一概念通常作为祖细胞的同义词应用于胚胎学。随后由于成体组织的更新动力学研究，干细胞这一概念才局限于细胞生物学。人们相信:弥补组织细胞的损失基本上依赖相对未分化细胞的有丝分裂活动，而这些干细胞包含有和它们一样特性的后代以及那些增殖能力减弱而分化能力增强的细胞。
干细胞是能增殖、自我更新、产生大量分化的后代及组织再生的未分化细胞，但人们对干细胞的认识也是长期以来逐渐成熟的。最开始由于胚胎具有可塑性，因而通常认为仅ES细胞具有多向分化能力，当然，有大量的资料支持这种假设和ES细胞分化为许多类型的细胞。后来，研究者又发现成体组织中也存在具有多能性的干细胞群体，它们能局限地分化和再生为它们所栖息的组织细胞。如肝切除后肝细胞的增殖; HSC重建致死剂量照射的血液系统;卫星细胞修复损伤的骨骼肌;角化细胞祖细胞参与损伤的修复。除了修复损伤外，干细胞在维持如血液、皮肤的动态平衡中也发挥着关键的作用。
成体干细胞的发现为再生生物学在医学中的应用提供了很好的线索，但起初研究发现它们的分化总是沿着一明确的路线行进。然而，这种成体干细胞的观念现在已受到挑战。骨髓源干细胞不仅能分化为血细胞，而且还能分化为心肌、骨骼肌、神经细胞、肝组织、及血管内皮细胞。一些研究证明，干细胞可沿着相反的方向分化，如肌源、神经源干细胞能产生血细胞。骨髓基质细胞也显示出多向分化能力。尽管在组织损伤中已经观察到这些细胞命运的转变，但是在没有明显损伤的一些研究中也发现截然不同的组织间的转变。这些最近的研究结果表明，干细胞远比人类所认识的更为复杂。
细胞命运的变化是干细胞的本性，这可能涉及整个生命跨度中组织损伤的生理性修复。因此，成体干细胞不仅在它们所栖息的组织表现出作用，而且支持不同组织的再生。然而，根据新的观点，如果在合适微环境中，至少一些成体干细胞是高度可塑的并遵从其变化。我们假设干细胞最准确地涉及在许多截然不同的细胞，甚至分化的细胞能被诱导的生物学功能，而不是离散细胞的统一体。本文将在干细胞概念演变的历史进程上简单介绍干细胞研究与再生医学的现状、干细胞临床应用需要克服的问题及该领域的发展趋势。(一)多能干细胞与再生医学
人类的发育始于受精卵，在早期发育的胚胎中存在一类多能性细胞，这些细胞将发育成组成人体的各种细胞。1981年，Martin Evans和Gail Martin分别建立了小鼠胚胎干细胞系，而该项成果也让Martin Evans和另外两位科学家获得了2007年的诺贝尔奖。1998年，来自美国威斯康星大学的Thomson JA等人在science杂志上报道首次成功建立了人胚胎干细胞系。由于人胚胎干细胞系可以分化成人体任何一种细胞并应用于移植，为多种困扰人类的疾病提供了全新疗法，因此该研究立即引起科学界巨大轰动，开创了干细胞研究的全球浪潮。2006年，日本京都大学教授山中伸弥( Shinya Yamanaka)等人在Cell杂志上报道通过转染四种转录因子( Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc)将小鼠成纤维细胞重编程为诱导多能干细胞( induced pluripotent stem cells，iPS)。该方法解决了传统方法建立患者特异多能干细胞的致命缺点(效率低，需要大量卵细胞;建立胚胎干细胞系需要破坏胚胎，引起道德伦理争议;目前尚无人的核移植多能干细胞建系成功的报道)，立即在全球掀起iPS研究的浪潮，而山中伸弥也成为诺贝尔奖得主的热门人选。从人胚胎干细胞建系成功之初，科学家们就尝试将这类细胞分化成有功能的细胞。通过模拟体内发育过程，目前科学家们已经可以将人胚胎干细胞分化成多种细胞(如神经元，心肌细胞，胰岛细胞，血细胞等)，甚至可以得到类似体内组织的结构，并在多种动物模型上验证这些分化得到的细胞是有功能的。通过组织工程的手段，即将这些细胞种在生物材料上，可以进一步获得组织甚至器官。目前已经能够成功获得人造皮肤、人造膀胱等。
2009年，美国食品和药物管理局( FDA)批准加州的生物技术公司杰隆( Geron)开展世界上首例基于人胚胎干细胞的临床试验。该公司首先把人胚胎干细胞分化成运动神经元，再将这些细胞移植到10个左右的瘫痪患者体内，并观察这些细胞能否恢复损伤的脊髓的功能。目前，该研究仍在进行中，估计不久的将来该公司会宣布这项试验的结果。最近，FDA又批准另一家公司( Advanced Cell Technology)开展另一项人胚胎干细胞的临床试验。在这项研究中，科研人员将把人胚胎干细胞分化成的视网膜细胞注射到10个患有视力障碍的患者的眼球内。近期，法国批准了该国第一例人胚胎干细胞的临床试验。George Pompidou医院将尝试用人胚胎干细胞分化成的心肌细胞治疗心脏病。未来几年世界范围内将会有更多的基于人胚胎干细胞的临床试验。
然而，要实现多能干细胞的普遍应用，需要解决一系列问题。首先，基于人胚胎干细胞的治疗会引起免疫排斥，虽然iPS技术可以有效解决这一问题，但个体化治疗有成本太高、周期较长等缺点，折中的方案是建立覆盖整个人群的iPS细胞库。其次，现有的人胚胎干细胞的分化方法效率不高，残留的未分化人胚胎干细胞移植到患者体内后有形成畸胎瘤的风险，因此需要进一步优化现有的分化方法。再次，大规模的治疗需要大量细胞，而现有的人胚胎干细胞的培养方法费时费力，需要开发基于生物反应器的批量培养体系。最后，理想的细胞治疗是移植体外培养得到的组织甚至是器官，而目前这方面的报道很少，将来需要将干细胞技术和组织工程结合起来，通过将人胚胎干细胞分化成的细胞种在生物支架上，得到人造组织和器官。(二)成体干细胞与再生医学
20世纪初就有科学家提出“干细胞”这个概念，然而直到1963年，才由加拿大研究员Ernest A. McCulloch和James E. Till首次通过实验证实干细胞的存在。他们发现小鼠的骨髓细胞中存在可以重建整个造血系统的细胞，即造血干细胞。经过近50年的研究，造血干细胞是目前研究得最清楚的干细胞，为其他干细胞的研究领域提供许多指导性意见。迄今为止，人类陆续在其他器官中发现成体干细胞，如大脑、小肠、皮肤等。最早形式的器官移植从本质上来说其实是干细胞治疗。早在1957年，Edward Donnall Thomas等就通过骨髓移植治疗白血病。经过几十年的发展，造血干细胞移植已经成为治疗白血病的有效手段。
目前另一种很有应用前景的干细胞是间充质干细胞( Mesenchymal stem cells，MSC)，它最早从骨髓中分离出来，后来又被报道可以从其他组织获得。与胚胎干细胞相比，间充质干细胞具有以下优势:可以从患者自身分离，没有免疫排斥的问题;培养比较简单，容易获得大量细胞。间充质干细胞可以分化成脂肪细胞、骨细胞、软骨细胞等，将间充质干细胞分化成的骨细胞和软骨细胞种在生物材料上可以获得人造骨和软骨，并在动物模型上显示良好的治疗效果，估计不久的将来就可以应用到临床。间充质干细胞另一项重要应用是通过调节免疫反应治疗自身免疫性疾病(多发性硬化症、系统性红斑狼疮等)或用于骨髓移植引起的移植物抗宿主反应的治疗，迄今为止已开展几十项这方面的临床研究。从目前得到的结果来看，其临床疗效显著，但仍需要进一步阐明其作用机制。
成体干细胞的研究还处在起步阶段，目前主要集中在发现成体组织内的干细胞及其调控机制。从长远来看，将来有可能做到通过小分子动员组织内静息的干细胞，以治愈损伤的组织。由于某些组织内缺乏干细胞，成体干细胞的应用有一定局限性。今后的趋势是将多能干细胞和成体干细胞的研究结合起来，为临床服务。
总的来说，与很多成熟的领域相比，干细胞研究还处在初期阶段，离常规应用还有很长的一段路要走。鉴于再生医学的诱人前景和干细胞技术的飞速发展，相信干细胞治疗在不久的将来一定可以实现。二、微环境
干细胞与其周围组织细胞及细胞外基质等相互作用、相互影响。其中基质是由基质细胞成分和非细胞成分组成，后者包括由基质细胞产生分泌的细胞因子和被称为细胞外基质的生物大分子等成分组成的支持和调节干细胞定居、增殖分化发育和成熟的微环境。
虽然目前的研究已经提示不同干细胞的微环境在结构、功能上是不同的，但仍有一些共同的组织原则:①基质为干细胞的生存提供不可缺少的物质支柱。②通过基质的黏附结构固定干细胞，如造血干、祖细胞表达的有关细胞黏附分子与细胞外基质中和基质细胞上相应的配体形成“配体-整合蛋白-细胞骨架跨膜系统”，从而影响造血主质细胞的形态，调控基因表达、控制细胞的分化、决定细胞的运动。③基质细胞通过产生和分泌多种细胞因子(如干细胞因子、GM-CSF、G-CSF、M-CSF、酸性和碱性成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、β型转化生长因子和其他活性物质)对造血干、祖细胞的增殖、分化和发育起重要的调控作用。这些细胞因子不但直接作用于造血细胞，而且作用于基质细胞，能改变基质细胞的增殖和分泌状态，诱导其他细胞因子生成。同时，基质细胞表面有许多细胞因子受体，能结合和聚集游离的细胞因子于局部。当基质细胞表面的各种黏附结构通过特异和非特异的结合把造血干细胞固定于局部时，干细胞的分化方向就受局部高浓度因子的作用而增殖与分化。④基质细胞直接与干细胞相互接触调控干细胞增殖分化:基质细胞除通过分泌造血生长因子及细胞外基质调节造血外，还通过与造血细胞的相互接触调节造血的增殖、分化以及淋巴细胞的发育成熟。如Fukushima等建立了基质细胞与造血细胞的长期共培养体系。另外，基质细胞产生的负调控因子对于维持机体造血的动态平衡起着重要的作用。⑤干细胞的增殖分化还涉及干细胞之间的互相影响，如造血细胞间的相互影响，其中特别是淋巴细胞对造血的调节，乃至于干细胞间的转化。⑥干细胞表面有许多特异的标志，以造血系统为例，干细胞的表面标志有Sca-1、c-kit和CD34等，最近发现CD34( -)细胞同样具有造血干细胞的特性。因此CD34可能并非造血干细胞的标志，它可能与造血干细胞的功能状态有关，其他各种成体干细胞还有各自独特的标记物，这些特异的标记物可能与其分化调控有关。如上皮细胞有β1整合素的高表达，而β1整合素可介导细胞外基质与黏附，从而抑制其分化。
可见，为实现对干细胞的调控，除了细胞外基质、基质细胞及其产生分泌的因子、干细胞调控基因及其反式作用因子、干细胞之间的交互作用外，各种因子的产生、生物学作用、受体表达、相互调节等均具有网络特性。在微环境中，干细胞所接受的主要信号经常控制着干细胞的活动，这些信号可能来自于特化的细胞。然而，微环境实际的信号环境比我们已认识的更为复杂。
尽管不同干细胞间有细微的差别，但微环境对调控胚胎干细胞和成体干细胞的表达谱却是相似的。因此当在微环境中引入干细胞，它们在对新的微环境里的促进信号做出反应时必经历重排和分化的过程。目前虽然对这些信号的特性仍不清楚，但有研究提示来自于如骨髓、肌肉等不同组织的干细胞如果处于既定的培养环境则能产生具有相似特性的细胞。有研究表明肌肉的再生部位显示有来自于其他来源的祖细胞的迁入，以及在免疫缺陷小鼠移植的骨髓来源的细胞能迁移到这些部位，分化并产生肌纤维。人们还观察到骨髓干细胞能导致实验性诱导损伤的小鼠心肌再生。基于以上的认识，最近不同的实验室报道骨髓源干细胞不仅能分化为血细胞而且还能分化为心肌、骨骼肌、神经细胞、肝组织、及血管内皮细胞;神经干细胞也能产生神经细胞、肝组织、血细胞、骨骼肌或心肌;间质干细胞( MSC)能分化为软骨细胞、成骨细胞、脂肪细胞、心肌细胞及骨骼肌细胞和神经细胞。这充分说明干细胞与其周围微环境组成密不可分、相互作用的系统，从而大大拓宽了我们以往对干细胞的认识。第六节 小结与展望一、再生生物学在医学中的应用
再生医学是研究机体在正常情况下的发育、组织结构特征与功能、受创后修复与再生发生机制、寻找有效的方法，以促进机体自我修复和再生，或构建出新的组织和器官，最终改善或恢复受损组织和器官结构与功能的科学。由于组织再生这一重大科学问题理论上的突破和临床治疗创新技术与方法的建立，对截瘫、创烧伤修复、器官移植、肿瘤切除、老年性痴呆和先天缺陷等所造成的组织器官损伤以及缺失等带来的巨大治疗作用，近年来受到各国科学家们的高度重视并竞相开展研究。
从人类诞生开始，在从事生产与生活过程中组织受伤后就存在自发的修复与再生过程。20世纪80年代以来，科学技术的发展和现代高新技术在生物医学领域的应用，不仅给再生医学注入了新的活力，同时也对再生医学的发展提出了更新更高的要求，即人类要真正实现高等动物受创后组织结构和功能的完全修复和再生。Science和Nature等许多知名杂志多次出专辑介绍再生医学的需求和发展。Science杂志高级编辑Davenport RJ认为，21世纪的再生医学研究与20世纪抗生素的发明具有同等重要的意义。
再生医学与生物学、基础医学、临床医学等许多领域密切相关，再生医学的发展将有可能整体推动生物医药产业发展和带动相关学科进步。美国、日本和欧洲已经把再生医学作为优先发展领域。美国奥巴马政府解禁胚胎干细胞研究以及英国布朗政府对干细胞研究的重视和支持表明，国际上新一轮干细胞与组织再生的研究竞争正在兴起。同样，再生医学也将为进一步提高我国医疗水平，改善人民生活，为我国工程科技在未来30～50年的发展提供重要契机。总体来说，我国再生医学的基础研究和临床治疗与国际领先水平的差距不大，在某些方面有我国自己的特色和学术优势，体现在以下几个方面。
1.国家对干细胞和再生医学相关领域给予高度的重视。2003年科技部和卫生部联合制定了《人胚胎干细胞研究伦理指导原则》，明确规定我国支持治疗性克隆研究。在相关政策的指导下，国家“973”计划等对干细胞、治疗性克隆、组织工程技术与产品、再生医学相关评价体系等进行了资助，“十五”期间资助约1. 5亿元。
2.我国再生医学基础研究有较好的基础。我国已经建立了国家干细胞工程中心，可承担胚胎干细胞建系、iPS全能性的确证等，某些方面已形成独有特色并获得国际同行的高度评价。
3.组织再生的临床应用独具中国特色。如组织工程人工皮肤获得CFDA批准用于临床，细胞用于下肢缺血性疾病循环的重建，利用自体成体干细胞再生受创皮肤汗腺的初步临床研究，以及采用干细胞治疗脊髓损伤等难治性疾病等，都得到了国际同行的高度关注。
4.已经有一批从事该领域相关基础研究和临床治疗的专门人才。据统计，全国与再生学科相关的两院院士约有10人，国家杰出青年基金获得者和长江学者约20人。
5.初步建成了若干个重要研究基地。如位于上海的组织工程国家工程研究中心，西安的组织工程产业化基地，天津的国家干细胞工程研究中心，以及多家大学和研究机构成立的组织工程或者再生医学的基础、临床以及产业化研究基地等。二、再生医学研究目前面临的重要问题
与再生医学基础研究的累累硕果相比，再生医学的临床转化进程可谓喜忧参半。存在的问题主要是:①投入仍显不足。尽管国家“973”和“863”前期有一些基础性的投入，但与发达国家相比，投入研究资金所占的比例仍然较小。②跟踪研究比较多，创新发现比较少，许多研究主要是跟踪国外的理念和技术，缺乏自主创新的思路和方向。③基础研究向临床应用的转化成果较少，由此延缓了再生医学研究成果的临床应用。④个案报告比较多，多中心对照比较少。⑤研究比较分散，缺乏有规模的研究基地。⑥临床观察现象比较多，深入的机制研究比较少。⑦缺乏有一定规模和特色的转化医学中心等。
除了上述罗列的共性问题，我们目前还面临着一系列值得深思和探索的问题。
1.需要进一步明确再生医学要解决的科学问题是什么?只有明确再生医学需要解决的科学问题，才有可能在基础理论方面获得突破和为将来的发展打下基础。专家们认为，再生医学的科学问题实际上是发育生物学所面临的问题，其核心是细胞的诱导分化与调控。将基础研究、产业化和企业生产这三阶段相衔接，才可能将目前个体化治疗进入到有统一标准的临床治疗。目前我国基础理论研究水平有限，一定程度上阻碍了临床的发展。虽然临床前景很好，然而一旦考虑到可能会癌变就不敢做了，这不是临床的问题，说明很多理论需要研究。
2.再生医学的发展必须坚持基础理论创新与解决临床的实际问题相结合，多学科结合，走出一条以创新为基础，以服务患者为目的的科研之路。从研究总体上来说，再生医学上的问题更多的是应用研究，应多考虑临床的需求，研究的结果服务于临床。目前再生医学的一些领域中，如组织工程与干细胞治疗方面与临床的结合比较紧密，一些治疗方法和治疗产品已在临床应用并初步观察到一些成功的苗头，这是一个好的开端。但目前在再生医学基础理论尚没有完全突破的情况下需不需要开展相关的临床治疗值得考虑。鉴于目前国内外的发展，可以选择一些治疗目的明确、易于观察，治疗手段方便的适应证开展研究。
3.在临床观察中要特别注意长期效应和可能的不良反应，主要是干细胞安全性和定向分化的问题。多位专家强调，与传统医药几千年历史和化学制药几百年历史相比，再生医学中的某些治疗方法，如干细胞治疗、生物产品治疗、基因技术以及组织工程技术等的发展历史仍是很短，只有几十年或十余年，因此在这么短的时间内要确切评价一种治疗方法需要持更加慎重的态度，一方面使这种治疗方法更具科学性，同时在另一方面也切实保障患者的生命安全。
4.注意伦理和道德问题。在讨论会中，大家比较关心在开展再生医学研究中可能涉及的伦理学问题。要重视立法，伦理法规要与国际接轨，在这个问题上我们的意识是落后的，做得还不够。有人想捐赠遗体，但找不到地方接受，而且器官移植不规范、很浪费，每次只拿一个器官。在此作者也呼吁管理部门应出台相应的伦理政策、法规，呼吁对遗体的捐赠立法。同时，还要注意安全性和风险性。这些伦理学的问题有待我们在前进中逐步解决。
5.目前我国的团队跨度比较大，需要做大量的基础研究工作，在某些领域虽然建设发展很快，已很超前，但弱势需要加强，更需要有创新性，同时要有科学的认识过程，对发展有合理的预测。所以如何组建再生医学的优势团队，如何和各个领域的专家整合起来进行合作，以集中力量进行科学攻关和组织重大科技项目。
6.应用研究和产品概念的问题。国内对产品的概念没有很清楚的理解，如果企业能早些介入基础研究会有很好的效果，我国的科研人员也应加强对企业和产品的了解，使科研成果转化成生产力。
近年来，我国在再生医学特别是干细胞研究中相继取得一系列重要成果，并获得了一批重要临床数据;但和发达国家相比，我国再生医学研究与应用不仅在投入和产业上有较大的差距，同时在临床应用标准、伦理规范等方面也存在比较明显的滞后现象，这在很大程度上制约了我国干细胞研究和再生医学临床应用的快速健康发展。
建议从管理层面上，把再生医学研究纳入国家重大基础研究发展战略和国家创新体系，从政策上给予引导和扶持。同时要进一步明确我国再生医学需要解决的重大科学问题和技术难题，可以考虑把成体干细胞去分化、跨分化以及转分化的相关机制作为解决的重点;把皮肤完美修复与再生等关键科学问题与技术难题和骨与软骨组织工程、间充质干细胞的建库等作为攻克的难点。
建议尽快完成基础研究已经取得阶段性成果的再生医学技术向临床应用的转化，如新一代组织工程人工皮、组织工程骨和软骨以及皮肤附件再生技术等，使再生医学的成果能够尽快应用于临床，造福于患者。建立各具特色的再生医学研究中心，并依托这些中心获得真正有意义的大宗病例、多中心和基于循证医学的研究结果。尽快完善和规范有关再生医学临床应用的相关法规和报批程序，促进再生医学研究成果尽快走向临床。（胡成虎 金岩）主要参考文献
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模式生物在生命科学研究中有着非常重要的地位，因为以模式动物为基础的研究不仅能回答最基本的生物学问题，也对人类疾病预防和治疗也有借鉴意义。近年来随着分子生物学、发育生物学的发展及功能基因组计划的开展，模式生物的作用便显得越来越重要。
在生物学发展过程中，科学家们发现生命的基础问题可以在最简单和最容易获得的系统中得以回答。由于进化的保守性，许多生命活动的基本方式在地球上的各种生物物种中是相对保守的，以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育的共同规律是可能的。这是模式生物研究策略能够成功的重要基础。选择什么样的生物作为模式生物首先依赖于研究者要解决什么科学问题，然后寻找能最有利于解决这个问题的物种。除了在遗传学研究外，模式生物研究策略在发育生物学中获得了非常广泛的应用，一些物种被大家公认为优良的模式生物，如线虫、果蝇、非洲爪蟾、蝾螈、小鼠等。随着人类基因组计划的完成和后基因组研究时代的到来，得到了更多的重视。基因的结构和功能可以在其他合适的生物中去研究，同样人类的生理和病理过程也可以选择合适的生物来模拟。目前在人口与健康领域应用最广的模式生物包括，噬菌体、大肠埃希菌、酿酒酵母、秀丽隐杆线虫、海胆、果蝇、斑马鱼、爪蟾和小鼠。在植物学研究中比较常用的有拟南芥、水稻等。
模式生物学就是利用模式生物来研究生物学问题的学科。由于生物进化的保守性，从一种实验生物得到的有关基因性质或功能方面的信息往往也适用于其他生物。因此研究人员可以利用一些技术上更容易操作的生物来研究高等生物的生物学问题。严格意义上来说，这不是一门独立的学科，国外也没有专门设置这个学科，而是把它作为一种研究手段和方法而已。模式生物具有许多共同的特征，如形体相对较小，在实验室内易于培养和繁殖，世代周期短，形态结构相对比较简单，繁殖系数高等，而且通常情况下它的基因组会比较小。形体较小和易于培养繁殖是出于实验室空间考虑，而世代周期短是出于研究时间的考虑;形态结构的简单性能够减少特有生命现象的干扰，以便使人们更专注于生物遗传发育的基本规律。除此之外，模式生物有利于回答研究者关注的问题，能够代表生物界的某一大类群。对人体和环境无害，容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖，容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法。(一)海胆
海胆( Sea urchin)，是棘皮动物门下的一个纲，正式学名为“海胆纲”，是一种无脊椎动物，生活在海洋浅水区，是地球上最长寿的海洋生物之一。其分2亚纲，22目，现生种850多种，分隶于225个属。海胆是生物科学史上最早被使用的模式生物，它的卵子和胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。第一个被用作模式生物的是海胆，它的胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。1875年，德国生物学家OscerHertiwig( 1849—1922)开始以海胆为材料研究受精过程中细胞核的作用，1890年后，海胆开始在受精和早期胚胎发育的研究中担任重要角色。1891年，Hans Driesh( 1876—1941)在海胆中完成了胚胎分裂实验，为现代发育生物学奠定了第一块理念里程碑。他在显微镜下把刚刚完成第一次分裂的海胆一分为二，结果发现，分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫。他的实验证明，生物并非一架机械，因为机械不会在拆开之后复原成两个相同的机械。海胆以其易于得到大量受精卵，同步发育，胚体透明，孵化速度快的特点成为了生物学研究的模式生物。由于棘皮动物的胚胎形成方式和脊索动物一样，所以样子虽然看起来原始，但实际上是包括人在内的脊索动物的近亲。因此海胆引起基因组测序人员的重视。而测序的结果分析表明海胆与人类有许多相似基因，但是人类基因数量比较多，脊椎动物在进化过程中至少出现过两次全基因组复制。(二)果蝇
黑腹果蝇( drosophila)属于昆虫纲的双翅目。果蝇体形小，体长不到半厘米;饲养管理容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养基饲料;一个牛奶瓶里可以养上成百只。果蝇繁殖系数高，孵化快，只要1天时间其卵即可孵化成幼虫，2～3天后变成蛹，再过5天就羽化为成
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