返老还童、器官再生一直是人类共同的梦想。人体的一些器官，如肝脏、皮肤，在成年之后仍然具有再生能力，受到损伤之后能够自我更新并修复。然而，另外一些重要的器官，如大脑和心脏，在成年之后就基本不具有再生的能力了。

随着近代医学的不断发展，人类的寿命得以延长，随之而来的老龄化疾病成为严峻的社会问题。各种神经退行性疾病，如阿尔茨海默病和多发性硬化症，目前尚无有效治疗手段，不但给患者带来痛苦，也给社会造成巨大的经济压力。

缺血性心脏病患者的心肌细胞在疾病发生后大量死亡，导致患者心功能逐渐恶化，并最终发展成为心力衰竭。心力衰竭病情最终的治疗手段只能依赖心脏移植，然而器官供体远远不能满足需求。

目前存在的种种矛盾和巨大挑战依赖再生医学来提供解决方案。干细胞是再生医学的希望，是人体的种子细胞，这颗希望的“种子”在近几十年来的研究中逐渐萌芽，壮大，开枝散叶。目前干细胞治疗相关的研究如火如荼，在临床应用上展现出了一定的潜力。本文就详细为大家介绍干细胞治疗的前世今生。

什么是干细胞

干细胞(stem cell)是一类具有自我更新能力和分化潜能的细胞。干细胞的“干”字由其英文名“stem”翻译而来，有茎干和起源的意思。干细胞就像“种子”一样，具有强大的增殖能力，可以源源不断地分化出子代细胞，维持细胞和组织的再生。干细胞治疗就是利用干细胞的分化潜能，将健康的干细胞或者干细胞分化出来的组织特异性细胞移植到患者体内，从而达到促进组织再生和修复的功能。干细胞依照其来源可以分为胚胎干细胞和成体干细胞，按照其分化潜能可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。

胚胎干细胞的发现

受精卵在胚胎发育过程中产生众多形态以及功能特化的子代细胞，这一过程称为细胞分化。受精卵具有的向成年个体所有细胞分化的潜能，则称为细胞的全能性(totipotency)。全能性保证了受精卵能够通过细胞分裂和分化，逐渐形成具有不同细胞类型的复杂多样的个体。小鼠的受精卵发育至胚胎期3.5天(E3.5)时可以形成中空的囊胚(blastocyst)，其中的内细胞团(innercell mass)具有发育成为包括生殖细胞在内多种体细胞的潜能。

1981年，英国科学家马丁•伊万(Martin Evans)发现，从小鼠的内细胞团分离出的细胞可以在体外培养并建立成为胚胎干细胞(embryonic stem cell, ESC)_[1]。体外培养的胚胎干细胞可在移植后成功分化为生殖细胞和除了胎盘以外的多种体细胞，并将它们的遗传信息传递到下一代。这一特性称为干细胞的多能性(pluripotency)，与受精卵的全能性相对应。这一划时代的发现开启了胚胎干细胞研究的大门，也为后来的转基因小鼠的研究奠定了基础。

1998年，詹姆斯•汤姆森(James Thomson)建立了世界上第一株人类胚胎干细胞(human ESC)_[2]，并证实人类胚胎干细胞具有高度的分化潜能，可以向外胚层(神经、表皮等器官)、中胚层(心脏、肌肉、血液等器官)和内胚层(肠道、肝脏、肺等器官)进行分化。这一发现引发了社会的广泛关注，为人类发育和器官再造研究提供了细胞模型。

2007年的诺贝尔生理学或医学奖授予了马丁•伊万、马里奥•卡佩奇(Mario R. Capecchi)和奥利弗•史密斯(Oliver Smithies)，以表彰他们对胚胎干细胞概念的提出和小鼠基因编辑研究的贡献。

诱导多能干细胞的发现

胚胎干细胞具有高度的分化潜能，其分化过程和体内的发育过程相对应，是一个多能性逐渐丢失、细胞命运和基因表达模式逐渐特化的过程，这个过程称为细胞编程(programming)。那么，已分化的成熟细胞是否可以逆转命运，重新变回类似于受精卵或胚胎干细胞的状态呢？英国科学家约翰•戈登(John Gurdon)在非洲爪蟾中完成了一个经典的实验，把完全分化的肠道表皮细胞的细胞核转移到去核卵细胞的细胞质中，发现移植后的卵细胞获得了像受精卵那样的发育潜能，可以发育成为健康的成年爪蟾_[3]。

这一实验首次成功地将完全分化的细胞的命运逆转成为全能性细胞，这种细胞命运的逆转被称为去分化(de-differentiation)或重编程(reprogramming)，获得的后代具有和细胞核供体完全一致的遗传信息，这种技术称为体细胞克隆技术。其后，科学家通过不懈努力，在40年后实现了对哺乳动物的核移植，而第一个成功克隆的哺乳动物，就是著名的克隆羊——多莉_[4]。然而，灵长类动物的体细胞克隆依然是一个世界级的难题。

2018年，中国科学家通过核移植技术实现了猕猴的体细胞克隆，标志着中国在非人灵长类动物模型研究中已经处于领先地位_[5]。核移植技术虽然非常强大，但是对操作技能要求很高，需要对供体和受体细胞进行破坏性的精细操作，在哺乳类动物中实现成功的核移植十分困难，那么，是否存在更为简便的方式诱导细胞重编程呢？

日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)对该问题进行开创性的研究，鉴定了一系列在胚胎干细胞中具有重要功能的转录因子，并对体外培养的完全分化的小鼠成纤维细胞进行转染，过表达这些转录因子。在功能筛选之后发现，在小鼠成纤维细胞中表达其中的4个转录因子，即可将已分化的小鼠成纤维细胞转变为多能干细胞_[6]。这种从体细胞诱导得到的多能干细胞被命名为诱导多能性干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)。

2007年，人体的iPSCs细胞系也被成功地从成纤维细胞诱导出来_[7]。iPSCs因为操作简单，取材方便，并且避免了免疫排斥和伦理问题，很快成为再生医学研究领域广泛使用的新的干细胞来源。因为在核移植和诱导多能干细胞方面的杰出贡献，2012年的诺贝尔生理学或医学奖授予了约翰•戈登和山中伸弥。核移植/iPSCs技术的出现，大大推动了再生医学领域的发展。

造血干细胞的基因疗法

造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSCs)位于骨髓中，是血液系统中的成体干细胞，具有自我更新的能力和分化成各类成熟血细胞的潜能，是研究历史最长的一类成体干细胞。目前科学家对其分化谱系的研究已经成熟，认识已经非常明确_[8]。

异体造血干细胞移植技术是发展最早的一种干细胞疗法，主要应用于白血病等疾病患者血液系统的重塑。异体造血干细胞移植技术经过60多年的发展，已经成为一种成熟的治疗手段，可以有效治疗白血病以及造血系统遗传缺陷疾病_[9]。然而，异体造血干细胞移植方案仍然存在着一些棘手的问题，如免疫排斥和配型困难等。因此，基于自体造血干细胞的基因疗法应运而生，对于单基因遗传缺陷疾病的治疗来说，可以很好地避免上述问题。

基因疗法通过病毒载体，在病人自体造血干细胞的基因组中插入目标基因，从而修复基因缺陷，得到健康的造血干细胞，最终回输到患者体内，重塑患者的血液系统_[10]。随着CRISPRCas9介导的基因编辑技术的问世和发展，造血干细胞的基因疗法变得更加精准有效。

通过CRISPR-Cas9 核糖核蛋白(RNP)技术编辑的β-地中海贫血和镰刀状贫血症患者的造血干细胞能够在移植小鼠的骨髓中成功重塑血液系统_[11]。这种方法通过电转向导RNA(sgRNA)和Cas9蛋白的RNP复合体，实现对靶基因的定点敲除，不使用病毒载体，提高了基因编辑的精确度和安全性。

CRISPR-Cas9基因编辑技术的进步极大地推动了造血干细胞基因疗法的发展，为血液系统遗传疾病提供了更加安全有效的治疗手段。

神经系统的干细胞治疗

眼科学领域在细胞替代疗法上因为介入相对容易，具有独特优势，并且由iPSCs向视网膜色素上皮细胞分化的技术已经非常成熟_[12-13]。目前，由人体胚胎干细胞(hESCs)和病人自体的iPSCs分化得到的视网膜色素上皮细胞补片已经用于治疗老年性黄斑变性的临床实验，其安全性和有效性分别在两位患者和一位患者(图1)的随访数据中得到了证实_[14-15]。

但是，hESCs分化得到的视网膜色素上皮细胞补片技术仍然存在免疫排斥的问题，而病人自体的iPSCs则具有潜在的遗传突变风险，目前的实验数据量较为有限，其安全性有待于进一步的技术发展和更大的数据量来给予评估。尽管如此，这些成功的尝试依然为神经退行性疾病的临床治疗提供了重要的经验。

图1 神经系统的干细胞治疗

由于大脑结构复杂，介入手段难度高，中枢神经系统退行性疾病的细胞替代疗法，具有更大的挑战性。老年人脑内的神经细胞和胶质细胞退化严重，受损的细胞无法自然再生，最终导致各种神经退行性疾病，如阿尔茨海默病和脱髓鞘疾病，严重影响患者的健康和生活质量，并且对社会造成巨大的压力_[16]。

脱髓鞘疾病的一个主要发病原因是由于少突胶质细胞前体在衰老个体中的增殖能力下降，导致成熟的少突胶质细胞大量减少和神经元髓鞘的脱失_[17]。人体胚胎干细胞的培养成功及人体iPSCs的出现为神经退行性疾病的干细胞疗法提供了可靠的细胞来源(图1)。

已有实验证实，由人体iPSCs分化而来的少突胶质前体细胞能够在脱髓鞘模型小鼠体内形成髓鞘，恢复神经元的正常功能_[18]。人体胚胎干细胞能够在体外诱导分化成为乙酰胆碱能的神经元，并且由这些干细胞分化得到的乙酰胆碱能神经元在动物移植实验中具有一定生理功能_[19-20]。

最近的一项研究显示，由人体外周血单核细胞体外诱导得到的神经前体细胞(iNPCs)，能够在阿尔茨海默病小鼠模型中改善小鼠的认知能力(图1)_[21]。这些基础研究为多能性干细胞，以及神经干/前体细胞在神经退行性疾病的临床治疗应用提供了更加充分的理论依据。

心脏的干细胞治疗与再生

心血管疾病是人类健康的第一杀手，中国目前心血管患病人数达2.9亿，死亡率位居首位，占居民疾病死亡构成的40%以上，高于肿瘤等其他疾病_[22]。

心脏的射血活动由心肌细胞的收缩来完成，缺血性心脏病患的心肌细胞发生大量死亡，而心肌细胞与神经细胞类似，已经基本退出细胞周期，不可大量自然再生，导致患者心功能逐渐恶化，最终发展为心力衰竭。迄今为止，尚未发现具有增殖能力的心肌干细胞_[23]。

目前认为增殖的心肌细胞来源于心肌细胞本身，但是这种增殖能力非常弱，这为心脏的细胞替代治疗带来了困难。虽然心脏中可能不存在心肌干细胞，利用iPSCs或者胚胎干细胞诱导分化得到的心肌前体细胞能够在体外进一步分化成心肌细胞[24]，并且这种诱导得到的心肌细胞在非人灵长类动物体内实验有一定效果(图2)_[25]。

但是这种技术手段也面临体外细胞扩增困难、分化得到的心肌细胞成熟度低及免疫排斥等问题。直接促进内源性的心肌细胞再生则可以避免细胞移植存在的种种问题。

内源性心肌细胞再生的研究，一方面聚焦于细胞命运的转化，利用转录因子诱导心脏成纤维细胞转分化为心肌细胞_[26-27]，另一方面则着眼于促进已有的心肌细胞的增殖。研究发现，微小RNA(microRNA, miRNA)可能通过对下游的细胞周期相关基因调控，参与心肌细胞的增殖与再生。对心肌细胞再生相关的miRNA的干预，可以显著促进小鼠心肌细胞的增殖_[28-30]。

最近的一项研究通过小分子化合物组合实现小鼠体内的心脏成纤维细胞向心肌细胞的重编程，并且研究证实这种化合物组合在小鼠体内能够改善心脏功能，避免通过病毒载体引入转录因子或进行基因敲除的风险性，为心肌细胞替代的治疗方案提供了更加安全的新思路(图2)_[31]。

图2 心肌细胞的诱导分化/转分化与再生

心脏的干细胞治疗与心肌细胞再生的研究任重而道远，需要结合多种手段，研发更加成熟的多能性干细胞向心肌细胞的诱导条件，筛选促进心肌细胞再生的关键分子和通路，通过小分子化合物作用于目标靶点，以得到更加安全和高效的心肌细胞命运转化和再生的治疗方案。

展望

近年来，干细胞领域的研究发展促进了大量的临床研究案例的实施，干细胞治疗在再生医学的临床应用上展现出一定的潜力，尤其是针对血液系统遗传疾病和视网膜退行性疾病具有明显优势。其成功案例均建立在深入的基础研究的背景之下，对干细胞本身的特性和分化谱系，以及治疗的有效性和安全性进行了详细的研究和论证。

因此，对于目前干细胞治疗尚未完全攻克的疾病，如神经退行性疾病和心脏疾病的细胞治疗，依然需要大量的基础研究提供理论和技术支持。尽管近些年来与干细胞治疗相关的临床试验数量呈现飞速增长，很多临床试验背后的科学依据和分子机制却并不清楚，其安全性和有效性需要更多基础研究予以证明。

总体来说，干细胞治疗领域属于新兴的治疗和研究领域，尚处于发展阶段，目前仍然存在着一些监管不力、机制不明等问题，需要相关的管理机构建立起更加严格有效的监管和评估体系，对治疗机构实施更加规范的管理。虽然存在种种问题等待解决，不可否认的是，干细胞治疗在医学研究领域的发展前景依然迷人。

随着细胞重编程技术、小分子化合物组合和CRISPR-Cas9基因编辑技术的发展，多领域的协同助力将促进干细胞疗法不断进步和完善。