干细胞研究——培育组织器官用于临床的梦想
“白驹过隙”，2013年，在科研人员的辛勤耕耘中飞逝而去。这一年，在干细胞、艾滋病、肿瘤等生命科学前沿的热点领域，振奋人心的进展频传。回顾成绩有助于深入认识这些前沿学科的全貌，使前行的脚步更扎实。为此，本版特推出“回眸2013”系列文章，和大家一起重温、回味其中的亮点。
美国《时代》杂志近日评选的2013年世界10大医学突破中，人体胚胎干细胞（ESC）榜上有名。然而，2013年的干细胞研究不只是涉及ESC，也涉及诱导多能干细胞（iPSC），科研人员已用它们培育出多种组织、器官，离将其用于临床治疗人体疾病的梦想越来越近。
培育心肌细胞
干细胞是再生医学的基础，因为它们能分化成各种组织和器官，以治疗多种疾病。由于ESC受到伦理限制，研究人员的研究转向了iPSC。而2013年，ESC研究重新获得关注并出现了重要成果。
2013年5月，美国俄勒冈卫生科学大学的舒赫拉特·米塔利波夫研究团队在《细胞》杂志发表研究结果称，他们使用人体皮肤细胞，采用1996年科学家制造多利羊的核转移技术，成功地制造出了人体ESC。
米塔利波夫研究小组经校内伦理委员会审批后，在美国国内总共接受了9名23~31岁的女性提供的126个卵子。研究小组将其中122个卵子去除细胞核，然后植入他人皮肤细胞的细胞核，采用化学和电击方法刺激卵子开始分裂产生ESC，结果有21个卵子发育到了囊胚的阶段。研究人员接着取该组织的一部分进行培养，其中有6个成为了ESC，这6个中又有4个是由同一名女子提供的卵细胞制成的，它们似乎具有某种容易成为ESC的特质。此外，研究人员也培养了部分ESC，使其分化成心肌，并确认了有脉动。
由于ESC全能分化性强，基因变异小，再加上可以利用患者自己体细胞的细胞核来制作，因而排异性小，未来可用于治疗心脏病、阿尔茨海默病、糖尿病等多种疾病。
其实，在米塔利波夫之外，还有研究小组使用ESC生成心脏肌肉获得新突破。过去，在培养基中培养的心肌细胞并不像人体心肌细胞那样具有生理功能，例如可以传导生物电信号和可以收缩。为了解决这些问题，美国杜克大学生物医学工程系的尼纳德·伯萨克等人采用ESC来培养心肌，达到了与体内心肌细胞类似的功能指标。通过注入不同的药物可以检测心肌电传导性能的变化和药物对心肌收缩能力的影响。由此证明，这种由ESC培养的心肌组织不仅可以传导生物电流，而且可以自主搏动。
这种心肌细胞也是迄今为止和人体组织最接近的人造心肌薄片。未来还可以通过提取心脏病患者的皮肤细胞以获取iPSC，再将后者培养成特异的心肌组织或心脏，以修补患者的坏死心肌，或者直接为患者移植用其皮肤细胞诱导产生的心脏。
培育微型肝脏
英国《自然》杂志2013年7月3日报道，日本横滨市立大学谷口英树研究小组与美国西奈山医学院研究人员合作，利用人类iPSC培育出微小肝芽，然后移植到小鼠体内，结果这些肝芽成功生长成微型人类肝脏或称为“迷你肝脏”，并具有正常的肝功能。这是世界上首例用iPSC培养的立体肝脏。而在此之前，已经有研究小组能够用iPSC培养出肝细胞。
研究的过程是，将人类皮肤细胞重编程为iPSC，并且让其分化成表达肝脏基因的早期肝细胞。然后在培养基中加入从脐带血中提取的内皮细胞，以及制造骨骼、软骨和脂肪的间充质干细胞，其中内皮细胞的作用是指挥血管排列和生成。此后，这些细胞在培养基中自行成长为球状的细胞团，如同人类胚胎中肝脏最初的发育一样。两个月后，这些细胞团快速生长成直径为4~5毫米大小的微小肝脏。研究人员把这种微小肝脏移植到小鼠的皮肤下，此后其与小鼠的血管慢慢连接，最终发育成类似成体肝脏的器官。
为了验证这种微小肝脏是否有生理功能，研究人员给小鼠注射了两种药物——抗炎药酮洛芬和治疗高血压的药物异哇胍，以检查肝脏是否有代谢药物的能力。结果发现，小鼠的血液中产生了通常来自人类肝脏的代谢产物而非小鼠肝脏的代谢产物，这说明移植进小鼠体内的微小肝脏发挥了作用。同时，研究人员还做了一个对照研究，以检测微小肝脏是否有解毒功能，以便帮助肝功能衰竭的小鼠存活。研究人员给两组小鼠都注射白喉毒素，结果移植微小肝脏组小鼠有近1/3存活超过40天，而未植入微小肝脏的对照组小鼠10天内全部死亡。此外，研究还发现，iPSC生成的微小肝脏能够分泌肝脏的特异性蛋白，清除血液中的毒素，并且产生人类特异性代谢物。
iPSC生成的微小肝脏最为重要的特点是，它很快就能与附近的血管融合，从而获得受体血液系统的支持。这是器官移植最重要的一步。因此，尽管其还比较微小，却是再生医学的一个重要里程碑。当然，未来如果能进一步表明iPSC培养的微小肝脏移植进人体后不受人的免疫系统排斥，那么微小肝脏就可以移植给人体，至少可以取代成人30%的正常肝脏功能。而如果iPSC培养肝脏的技术进一步成熟和有效，则有可能培养出如成人肝脏大小的肝脏，器官移植将会获得突破性进展，解决患者长时间等待供体器官的难题。
培育血管
除了培育具有较为复杂的多种生理功能的肝脏之外，研究人员在用干细胞培育较为简单的器官方面更有收获。现在，多个国家的研究人员已经能用iPSC培育多种简单的器官，如血管、肌肉、毛囊等。
用人类ESC培育的血管主要可以用于治疗心血管病和糖尿病导致的血管损害。比如，糖尿病晚期常导致患者的大血管并发症，如动脉粥样硬化、冠状动脉狭窄（导致冠心病甚至心肌梗死）、供应大脑的血管狭窄（导致脑缺血甚至脑梗塞）、供应下肢的血管狭窄（导致下肢的疼痛和坏疽）。
美国麻省总医院Steele肿瘤生物学实验室主任雷克思·杰恩等人利用来自健康成人以及1型糖尿病患者的ESC，在小鼠大脑外表面或皮肤下生成了血管。过去的一些研究显示，利用人类ESC能生成构建血管所需的内皮细胞，但是，将这些细胞导入到小鼠身上却无法形成持久的血管。于是，麻省总医院的研究小组采用了一种最初用于人类ESC衍生内皮细胞的方法，以此来扩大和培养人类ESC，然后让这些细胞群生成能够形成血管的内皮细胞。
随后，研究人员把这些内皮细胞与间充质前体细胞（可生成必要的结构细胞）一起移植到小鼠大脑的表面。在两周内，移植细胞形成了血液灌注的血管网络，它们与邻近的天然血管一样发挥功能，并持续长达9个月。此外，研究人员用同样的方法在小鼠皮肤下移植内皮细胞与间充质前体细胞，结果也生成了功能性的血管。但是，皮肤下需要的移植细胞量更多，约为大脑移植的5倍以上，并且生成的血管寿命更短。
这项研究还表明，来自健康人和1型糖尿病患者的人类ESC衍生的内皮细胞都可以生成能长期维持功能的血管。但是，不同的人类ESC和包括来自同一患者的不同细胞系在生成血管的潜力上有所差异，因此，还需要更深入地了解干细胞生成血管的更多机理，而且需要找到更好的方法来操控特定器官和功能所需的特异内皮细胞类型。
培育血细胞
iPSC还能培育更多的血细胞，用于输血、诊断和治疗疾病。
长期以来，治疗慢性贫血的效果并不如意。研究人员也在寻找新的方法，例如输血和单独输入红细胞，但这可能发生排异反应、输血反应，甚至染上其他传染性疾病。如果能用患者的皮肤细胞产生iPSC，再由后者生成红细胞，并输入患者体内，就可以治疗贫血。
2013年，美国波士顿大学医学院的乔治·墨菲与波士顿大学公共健康学院的戴维·希尔领导的研究团队采用一种新的方法，对iPSC进行分化，在试管内制造出了大量的人类红细胞和血小板。这些红细胞有望用于治疗贫血和诊断疟疾、镰状细胞贫血，而血小板则可用来检查心血管病和治疗凝血障碍。此外，采用通过人类iPSC培育的大量红细胞和血小板进行成分输血，由于是量身定做，患者不会产生输血反应和染上其他传染性疾病。