干细胞再生生物学的研究社会效应和当前的困境

干细胞再生生物学的研究社会效应和当前的困境

李忠光1*杨荣华1*蔡振陆1冯瑞1Hir

李忠光1*杨荣华1*蔡振陆1冯瑞1HiroshiTakeshima2牟玉莲3JianjieMa4徐学红通讯作者

1.陕西师范大学生命科学学院细胞遗传及发育生物学实验室陕西西安710119；

2.GraduateSchoolofPharmaceuticalSciences,KyotoUniversity,Kyoto606-8501,Japan；

3.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所北京100193；

4.SchoolofMedicine,OhioStateUniversity,Columbia,OH43210,USA

【摘要】自从美国科学家JamesA.Thomson及其研究团队首次获得人类胚胎干细胞以来，干细胞的每个研究进展都会引起公众社会的积极关注。干细胞可以分化成人体250多种细胞的任何一种，该生物学特性赋予我们一个希望，那就是，人类的一切细胞可以被干细胞分化的细胞所替代，使人类可以从任何疾病包括癌症、心脏病、老化等中解脱出来。2012年诱导多能iPS干细胞获得了诺贝尔生理学或医学奖，以及小分子诱导干细胞的发现将干细胞再生生物学带入了医学应用阶段。然而iPS细胞本身及干细胞基础研究的不完善，加之干细胞研究材料来源、兼容性的局限、临床应用的预实验阻力和法学伦理学等均存在尚不明确的诸多问题，我们必须清楚的看到干细胞再生生物学从基础研究走向实际临床应用仍然需要社会的耐心等待。

【关键词】干细胞；干细胞再生生物学；科学研究社会效应

【中图分类号】R741.02【文献标识码】B【文章编号】1764-8999（2015）7-0783-02

前言

凭借在干细胞研究中的重大贡献，日本科学家ShinyaYamanaka与英国科学家JohnGurdon获得了2012年诺贝尔生理学或医学奖，ShinyaYamanaka发现向分化成熟的细胞导入四个转录因子就可以使其分化逆转，形成一种类似胚胎干细胞类型的细胞，被称为诱导多能干细胞（inducedpluripotentstemcells,iPS）[1-2]。诺贝尔奖的公布引起整个公众社会对干细胞研究及人类健康的极大关注。2014年9月12日，日本外科医生将1.3×3.0毫米来源于iPS干细胞的视网膜色素上皮细胞移植到一位患有老年黄斑变性妇女眼中，从而完成世界上首例应用iPS移植治疗手术，显示干细胞从基础研究到临床应用的飞速发展[3]。2013年，北京大学干细胞研究团队等发现只要分化因子处在一个平衡状态，则细胞可以处在一个多潜能状态且不需要干性因子（Klf4，c-MYC，Oct4，Sox2）来维持，这一发现改变了向目标细胞状态的转变需要由在目标细胞中高表达的因子诱导的这一传统观点[4]。为未来细胞治疗及人造器官提供了理想的细胞来源和理论基础[5]。然而，最近的研究发现，iPS存在很多缺陷，比如分化发育能力低于胚胎干细胞，重编程过程中不稳定，有发育成癌细胞的风险，存在表观遗传缺陷等[6-7]。世界范围内科学界以及社会学界近期的争论仍在不断地进行，甚至有升级之势。本文中，我们归纳了干细胞的基本特征，就此特征概括并预测了其在再生医学生物学中的现状与发展前景，并对干细胞如此重大意义的科学进展对现实生活的影响进行了讨论。

1干细胞的基本特征

自1963年加拿大科学家JamesTill和ErnestMcCulloch证明干细胞存在以来，到1998年美国科学家JamesA.Thomson和JohnD.Gearhart得到人类胚胎干细胞株，干细胞研究领域给科技界及社会带来极大的关注。干细胞是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的原始的未充分分化细胞，被称为“万能细胞”，它们不但可以永久保持这种干细胞特性（stemness），同时又具有分化成构成人类组织二百五十多种细胞中的任何一种的全能性（pluripotency）。

干细胞根据发育潜能分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞；根据其干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。其中胚胎干细胞是一种高度未分化细胞，具有发育的全能性，能分化成成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。成体干细胞则是在不同组织中的未分化细胞，保持自我更新能力和分化成该组织各种类型细胞的能力，如造血干细胞，肌肉干细胞，神经干细胞等。人类疾病的发生就是这两百五十多种细胞的一种或几种发生了病变，或者说由两百五十多种细胞的病变导致了构成组织结构的病理变化。无论是心脏病，还是癌症，都可以用这种细胞机理来描述。因此利用干细胞的特性，再生替换掉病态细胞，就能使疾病得到彻底治愈。所以我们认为理论上干细胞可以治疗人类的任何疾病。

2干细胞在再生医学生物学中的研究及即时社会效应

1997年，当IanWilmut研究小组在《自然》杂志上宣布“克隆羊”成功这个震惊全世界的消息后，克隆，这个只在生命科学研究领域出现的术语变得广为人知[8]。克隆技术的关键性基础是让体细胞基因组产生表观遗传学可塑性，该技术也可能作为一种可行的方法为单个病人产生胚胎干细胞，克隆可以作为器官、组织或移植细胞的材料来源。2001年11月，美国ACT公司宣称成功开发了生产原始人类胚胎干细胞的技术。但是克隆引起了激烈的争论，反对克隆的人认为克隆人成为可能，违背道德伦理；克隆的拥护者大多认为，应该禁止生殖性克隆，支持用于干细胞研究的治疗性克隆[9]。随后美国国会迅速起草了一份关于各种类型克隆研究的刑事犯罪禁令，明令禁止类似的干细胞研究，但是也明确表明干细胞相关克隆研究在各方面条件成熟后可能逐渐恢复[10]。2009年，美国食品和药物管理局(FDA)批准开展世界上首例基于人胚胎干细胞治疗瘫痪和有视力障碍病人的临床试验。法国批准了第一例人胚胎干细胞临床试验，尝试用人胚胎干细胞分化成的心肌细胞治疗心脏病。2012年，世界首个干细胞治疗药物Prochymal获加拿大卫生部批准上市，2014年，用于治疗角膜缘干细胞缺损的药物Holoclar获得欧盟批准。

尽管一系列干细胞相关的治疗获得批准，但是很多问题尚未解决。意大利Stamina基金会用人类骨髓中提取的干细胞暴露在视黄酸中能够分化神经细胞，再利用这些细胞治疗包括帕金森氏症、肌肉萎缩症和脊髓肌肉萎缩症等在内的一系列疾病。研究人员则认为，干细胞临床研究需有非常严格的要求和规范的程序，细胞必须来自质量控制过关的实验室，即使耗费大量经费研究也不能贸然直接用于患者[11]。

2013年两篇发表在《科学》上的论文开创了CRISPR基因组编辑技术的新时代。现在有许多研究团队正在尝试用CRISPR来对人类胚胎干细胞DNA进行修饰来改变遗传缺陷[12]。然而，美国再生医学联盟的主席EdwardLanphier在《自然》杂志上发表评论文章，号召研究者们暂时不要对人类生殖细胞进行基因编辑，因为用现有技术对人类胚胎进行基因编辑，可能对后代产生无法预测的后果，人类或将无法控制局面。目前除美国以外，大多数国家已明确禁止胚胎DNA编辑技术，欧洲人权和生物医学委员会认为改变人类基因库是一种犯罪行为，这是对人类尊严和人权的不敬[13]。

3干细胞再生生物医学面临的困境

虽然干细胞的基础研究成果不断，距离医疗应用的距离越来越近，但据现在的科技和社会现状，干细胞再生生物学处在关键时期，仍面临诸多急需解决的问题，一方面社会对此抱有极大期望；另一方面，基础研究未受足够重视，这种窘境急需找到解决方案。

3.1材料来源技术上的局限。胚胎干细胞是最理想的干细胞来源，但获得胚胎干细胞需要破坏胚胎，存在伦理问题。另外是成体干细胞，但它数量极少，分离纯化困难。鉴于以上原因，科技工作者在不断开发新的来源，如从流产胎儿的生殖细胞，胚胎供血的脐带，骨髓、乃至例假血等成体组织中获得干细胞[8]。iPS的出现虽然可以规避这些问题，但iPS重编程效率低，有产生突变危险，不一定会产生出目的细胞系[14]。新的干细胞资源仍然在发掘之中。

3.2免疫排斥兼容性问题。来自不同来源的人类干细胞，当移植到其他病人身上时，有可能产生免疫排斥性，虽然现在没有非常确切的证据证明这将会发生，但仍是一个潜在的危险。同种异体的正常细胞对于异常细胞移植时不兼容的作用仍然很不清晰[15]。斯坦福大学的研究人员发现，核移植生成的细胞和组织遭到了小鼠免疫系统的排斥。免疫排斥将成为核移植用于临床的一大障碍[16]。来自自身的iPSCs理论上来说不会存在免疫排斥问题，但是来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员发表文章称，在小鼠中将诱导多能干细胞（iPSCs）分化生成的多种组织移植至动物体内会产生快速的免疫排斥反应，即便iPSCs的起源细胞来自于移植小鼠本身[17]。

3.3干细胞的基础研究不足。在基础研究上，现在尚没有的干细胞定向分化并取代病理细胞、病变组织的特定方法。特别是在我们国家现有体制上,主要科研经费主要来源于国家自然科学基金委,而面上项目的资助强度仅为美国国家卫生科学研究院面上项目R01项目支助强度的1/6。而在美国等西方国家，联邦政府从布什政府的“不能使用联邦政府经费的一分钱”政策到奥巴马政府的“有限地使用人类干细胞”的政策，使得干细胞研究仅为东西海岸个州的地方行为，加之2009年来美国历史上最大的经济萎缩科研项目命中率又30%急剧下降到4-8%，而干细胞使用生物试剂的价格上调急速，使得干细胞基础研究到临床使用间形成了的难以置信的断层。

3.4临床应用的预实验问题百出。我们对干细胞的希望直接进入临床需要做前期预实验，包括临床的一期、二期实验。由于社会的需要，一期、二期的实验都在进行，但由于基础研究的滞后，使得许多临床应用都被在一期中出现的异常现象而终止。直至2015年4月，HeeKim关于肾移植临床应用的研究表明，虽然随着各项技术的成熟，运用细胞化和去细胞化技术已经能为功能性肾脏的构建提供保障，但是，临床成功治疗终末期肾病患者仍然需要克服很多挑战[18]。因此在西方以及大多数发达国家中，干细胞的临床应用在未能保证其安全性的时期受到极大限制。因而我们预测，干细胞对疾病的治疗，仍处于初级阶段，将有较长一段时期的研发过程。

4结论与展望

从干细胞研究的历史来看，从未有任何科学研究在它发展的每一个阶段都这样直接关系到人类本身，直接引起社会的巨大反响，使得人们感觉到“科学”与“幻想”居然能如此靠近。然而值得密切关注的是社会对其的期望值过高而且过早，也就是说社会对干细胞再生医学的临床应用的“需求”远远大于目前基础研究乃至前期临床实验的研究进展，不少所谓的应用都缺少甚至没有严格的动物实验作为支撑。干细胞研究材料来源、兼容性等基础研究不足和局限、以及临床应用的预实验阻力，都使得干细胞再生生物学无论在基础研究和临床实验应用上仍然有很长的路要走。

参考文献：

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[18]KimIH,KoIK,etal.Wholekidneyengineeringforclinicaltranslation[J].CurrentOpinionOrganTransplantation[J].201520(2):165-70.

基金项目：

国家重大科学研究计划项目(批准号:2015CB943100)、国家自然科学基金面上项目（No:31371256）、教育部中央高校团队项目（No:GK201301001）和秦巴山区持续发展中心项目（No:CIC-QBRSD）资助

*共同第一作者

**通讯作者：

徐学红博士、特聘教授、博士生导师。Email：xhx0708@snnu.edu.cn