国自然专题:国自然届的“永生花” ——干细胞

前言

随着生命科学的发展,人类的寿命虽然在延长,但也未能突破寿命极限。我们利用各种科学手段来延长人类的寿命,直到干细胞技术的出现,这才开启了我们对于“永生”的遐想。

近年来,干细胞技术作为再生医学的明星疗法获得了广泛的关注,全球干细胞产业也进入高速发展时期,预计到2024年,干细胞市场规模将达3614亿美元,中国干细胞市场规模将达1372亿美元。

图1  2010-2024全球干细胞市场规模

另外,关于干细胞研究的政策方面,我国也给予了充分的发挥空间。两会委员们就干细胞的上中下游全产业链均提出了议案;上游:干细胞全国政协委员陈海佳表示,“干细胞是人类最重要的生命资源,谁拥有资源谁就拥有未来。”中游:干细胞产品钟南山院士政协委员提案:建立干细胞新药申报绿色通道审批模式。下游:干细胞临床应用王福生院士提案:利用干细胞治疗新技术力争高危重肝病患者生存率。可见,我国对于干细胞研究的重视程度是空前的。

小伙伴们,今儿,小编就为你打开国自然的这扇神秘的“永生之门”——干细胞。

 

01

解密干细胞研究的

1981年,Evans等首次从小鼠胚泡内层细胞团中成功分离出胚胎干细胞。1998年,Thomson等首次培养出人的胚胎干细胞,并建立人的胚胎干细胞系。随后,干细胞研究连续两年被评为年度十大科学进展之一。2002年,干细胞的研究走向了实验鼠阶段。同时,细胞因子 Oct4、Sox2、C-Myc和Klf4可以重组体细胞、诱导其成为多能干细胞的研究发现,掀起了研究的新亮点。

干细胞是一类具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体,是机体的起源细胞。干细胞的分类方法有两种:一种是根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞,ESCs具有发育的全能性,在一定条件下,可以向内、中、外三个胚层的细胞和组织分化,已可成功分离并建系;在成体组织中,干细胞作为身体的修复系统,补充成体组织。第二种根据分化程度与分化潜能分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。胚胎干细胞的发育等级较高,是全能干细胞,而成体干细胞的发育等级较低,是多能或单能干细胞。

图2  干细胞是一类具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体,是机体的起源细胞。

02

全能型选手:胚胎干细胞

胚胎干细胞 (Embryonic stem cells ,ESCs) 是胚胎源性多能干细胞。是从早期胚胎内细胞团(inner cell mass,ICM) 或着床后胚原始生殖细胞 (Primor-dial germ ceils,PGCs) 分离和克隆出来的一种具有无限增殖能力和全向分化能力的干细胞;这两类细胞均可分化为包括神经细胞、造血干细胞、心肌细胞等在内的各种细胞。所以,ESCs的发育全能性备受科学界的关注,而它所具有的广泛应用价值,已经成为当今国内外生命科学研究的热点。
ESCs建系的原理是将早期胚胎或是用外科手术法得到的内细胞团或者PGCs,与分化抑制物共同培养,使之增殖而又保持未分化状态,这样代代相传,从而使数量有限的胚胎或者PGCs能够成千上万倍的克隆。
现已成功分离出胚胎干细胞的动物种类有人、小鼠、大鼠、猪、牛、羊、兔等,较常用的为小鼠胚胎干细胞 (mouse embryonic stem cell, mESC)。与mESC相比,人胚胎干细胞 (human embryonic stem cell, hESC) 在培养技术上更加困难,并有生长缓慢、细胞分离后易凋亡及克隆效率低等劣势,故在hESC进行分离培养时,通常采用转基因或使用生长因子诱导的方式。mESC因培养周期短和成活率高等优势被广泛使用,而且可作为进行 hESC 培养前的预实验,但若要进入临床试验阶段,在体外利用hESC成功诱导分化为所需的组织则是必须的。
ESCs的全能性是指其在解除分化抑制的条件下,能发育为构成机体不同细胞类型中包括生殖腺在内的任何一种细胞的潜力。ESCs具有很强的分化能力,可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型,进一步形成机体的所有组织和器官。细胞全能性的实质是细胞基因组中决定蛋白质编码的所有基因按一定的时空顺序依次表达。
ESCs的可操作性,是指ESCs可进行遗传操作选择(如导入异源基因、基因重组)等生物学特性。在体外抑制分化培养时,ESCs不但可以增殖,而且可以被用来进行各种操作,而这一点是以ESCs的以下两方面特性为前提的:①在对ESCs进行各种操作的过程中,其仍能保持其扩增和发育的全能性和多能性。②用于移植时,不易产生免疫排斥反应。由于来源于着床前胚胎的ESCs的某些细胞表面免疫相关蛋白(如MHC)还未来得及表达,用于移植时不易产生免疫排斥反应,因此使其成为移植治疗和细胞治疗的潜在资源。
ESC在发育学、转基因动物生产、克隆动物、药物开发和筛选、基因治疗、组织和器官修复以及移植治疗等方面具有广泛的应用前景。对于胚胎干细胞的研究,我们最终要落实到人体相关的应用与医疗;虽然在临床上器官移植技术已经成熟,但是可供移植的组织和器官数量极少,今后的趋势还会越来越少。像美国,l997年约有7.4万人等待器官移植,估计只有2.1万人可能得到器官,大多数人只能等待。但干细胞技术无疑是一道曙光,全面来说,是克隆技术和人胚胎干细胞建系成功。有了克隆技术,就可以制备胚胎,有了胚胎就可以分离出干细胞。但在胚胎干细胞研究方向中,一个难题是,许多种类的细胞仍然难以生产。哈佛干细胞研究所的道格拉斯·梅尔顿(Douglas Melton)估计,迄今为止仅有约10种经胚胎干细胞产生的细胞,其功能真正等同于人类正常细胞的功能。当然,我们仍面临诸多的挑战,例如:人胚胎干细胞极易分化成其他细胞,如何维持体外扩增时不细胞异化?如何定向诱导干细胞分化?要使胚胎干细胞在体外发育成一套完整的器官,尤其是像心、肝、肾、肺等大型精细复杂的器官,这一目标如何突破?因为器官的形成是一个非常复杂的三维过程;很多器官是两个不同胚层的组织相互作用的结果。一些最具广泛应用价值的细胞,如卵子和精子,在可预见的未来仍然是一个挑战。尽管胚胎干细胞的研究历史布满荆棘,但许多研究人员表示,胚胎干细胞已经不止一次,以意外的方式证明了它们的价值。它可以帮助我们更好地理解多功能性的机制和改善多功能细胞的医学应用。
03

争议型选手:间充质干细胞

间充质干细胞 (MSC) 是 一种来源于组织和器官的多项分化潜能的成体干细胞,具有免疫调节、炎症趋化、修复功能及低免疫原性等生物学特性,在组织修复与免疫调节中发挥重要作用。

目前,人们已成功地将MSC从骨髓、胎盘、脂肪组织、脐带血、肝脏等组织器官中培养出来。在正常动物中,MSC经静脉输注入体内首先移至骨髓;当发生炎症时,炎症部位组织细胞释放大量趋化因子,介导 MSC趋化至炎症部位而发挥作用。MSC具有很好的重塑性,可以诱导出外胚层和内胚层的组织细胞,发挥组织修复作用。有研究表明,MSC应用时既不需要进行主要组织相容性复合体(majorhistocompatibility IHC)匹配,也不需要应用免疫抑制剂。MSC可以来自不同的捐赠者,且能够冻存,可以方便、及时地应用于患者。综合而言,MSC具有来源丰富、免疫原性低、可在体外实现大量扩增等优点,是细胞疗法的重要一环。

其实,间充质干细胞一直以来都是一个具有争议性的话题。1991年,美国生物学家Arnold I.Caplan在前期研究的基础上,描述了一种在骨髓中分离到的干细胞类型,并以MSC命名。1999年,发表在《科学》(Science)的一篇文章显示,这种存在于骨髓基质中的细胞可以分化成软骨细胞、成骨细胞和脂肪细胞。接下来的10年里,美国医学文献数据库中有超过32000篇和“间充质干细胞”相关的论文发表。大量研究指出其他各种多种组织类型中也同样存在MSC,MSC也因来源广泛在干细胞领域内成为炙手可热的研究对象。国际顶级学术期刊《自然》(Nature)在线发表评论文章,日本理化学研究所(RIKEN)研究员和庆应义塾大学项目教授Douglas Sipp、美国国立卫生研究院(NIH)高级研究员Pamela G.Robey、明尼苏达大学生物伦理学中心副教授Leigh Turner三人警告,MSC的概念混淆使得那些未经证明的疗法更易于推销给患者。实际上,进入21世纪之后,所谓的 “间充质干细胞”研究即充斥着诸多矛盾,包括它们的来源、分化潜能、生物功能和可能具有的治疗用途。这一现象已经促使生物学家、临床医生和科学学会建议修改或放弃使用这一命名。就在2017年,被业界称之为 “间充质干细胞之父”的美国医学与生物工院院士,MSC的命名者阿诺得 ·卡普兰(Arnold I.Caplan)教授也不再相信MSC是干细胞,并撰写专家论述:间充质干细胞更改名称的时侯到了 (Mesenchymal Stem Cells:Time to Change the Name)。2017年10月28日武汉全国器官移植大会报告期间,Arnold教授和我国业界学者讨论,形成 Medicinal Signaling Cell(中文译文为“医用信号细胞”)的共识。但单纯将MSC换个命名、重新将其归类为“基质”或“信号”细胞是没有用的。这场“命名之战”最终我们应该怎么称呼它?我们拭目以待!

以MSC为基础的细胞疗法,仍然有许多问题需要在将来得到解决,如对 MSC免疫调节能力、体内外行为和应答机制的进一步认识;MSC致瘤性和特异标志物的缺乏;MSC低存活率和如何提高移植率等。这些问题都提示我们该疗法在用于临床治疗前,必须要投入完成大量的基础研究或动物实验。MSC仍未能作为适于临床的,安全性、可行性、易行性、可控性、有效性高的商品流行起来,这里面的伦理问题、监管问题仍然存在争议。不可否认 MSC治疗仍有着广阔的应用前景,但这种争议短期内仍然难以消除,这也是广大科研工作者和临床医师在使用MSC的时候需要考虑的。至于如何开创性的解决并应用,就靠在读的这篇文章的你了!

04

国自然基金申请:干细胞的未来

2020年,新冠疫情对许多行业都产生了影响,然而这种影响是多种多样的,虽然导致一些行业的需求下降,但也会刺激一些行业稳定甚至更加快速的发展,比如疫情使医疗行业出现较高的增长率。干细胞疗法,在疫情期间表现出了更加广阔的应用前景,多个国家相继启动临床项目。根据全球知名调研机构Technavio发布的报告,全球干细胞治疗市场有望在2020年至2024年间增长5.8亿美元左右,预计将以7%的复合年增长率增长。当然,我国的干细胞研究水平不输世界发达国家,2018年2月,《Human Gene Therapy》杂志刊发的《中国干细胞治疗进展》显示,2006年,我国科研人员发表的干细胞科技论文数量未及全球干细胞研究出版物总数的3%;2017年,我国干细胞科技论文数量占到了全球干细胞出版物总数的20%,仅次于美国,位居全球第二。

图3  干细胞疗法,在疫情期间表现出了更加广阔的应用前景。全球干细胞治疗市场有望在2020年至2024年间增长5.8亿美元左右,预计将以7%的复合年增长率增长。

2019年国家自然科学基金共为1437个单位的所属科研机构提供了资金支持,立项总数超42000项,总金额高达213亿元。本年度受自然科学基金资助最多的单位依然是上海交通大学,立项数高达1192项,项目总资助金额达6.44亿元。中山大学立项数高达984项,位居第二位,项目总金额达到4.60亿元,浙江大学立项数达到835项,项目总全额达到4.89亿元。华中科技大学今年立项数达到731项,总金额达到3.77亿元,复旦大学今年立项数达到722项,总金额达到4.04亿元,这五所大学立项数均超过700项。立项数前十的高校还有北京大学,山东大学,清华大学、中南大学,四川大学。

图4  2009-2018年干细胞论文发表数量统计图

我们来分析一下干细胞在国自然基金申请中,是一个怎样的存在。从2000年开始,以干细胞为主题的申请书的数量和资助额度,都有逐年提高趋势。尤其是2012年,总资助额度翻了一番。其中,2015年,总资助数量达540个,资助总额达28,166万元。相比近年来很火的lncRNA,2015年干细胞主题的申请书的数量是lncRNA的2倍多。

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