Nature：利用实验室培养的干细胞再生猴子心脏

Nature：利用实验室培养的干细胞再生猴子心脏

2016年10月11日讯 在一项新的研究中，日本研究人员在实现器官再生中取得重要进展：利用猴子皮肤细胞产生的干细胞让5只患病的猕猴受损的心脏再生。相关研究结果于2016年10月10日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Allogeneic transplantation of iPS cell-derived cardiomyocytes regenerates primate hearts”。

这一实验有助实现提供一种巨大的无争议的再生细胞来源以便将这些细胞移植到心脏病患者体内来治疗这些患者的目标。

这将会缓解从胚胎中或者从移植受者本身收集干细胞的需求。

日本研究人员在这项研究中所使用的干细胞是所谓的诱导性多能干细胞（iPSCs）。iPSCs经诱导后产生被称作心肌细胞的心脏细胞。

iPSCs是通过促进成熟的已特化的人细胞（如皮肤细胞）返回到一种中性的幼年状态，在此状态下，它们能够产生任何其他类型的人细胞。

在iPSCs技术出现之前，多能性干细胞是从人胚胎中收集的，在收集时，胚胎被破坏，因而也引起争议。

还有第三种类型的能够直接从人体内收集的干细胞。“成体”干细胞存在某些器官（包括心脏）的深处来补充受损的细胞。

成体心脏干细胞已在心脏病患者体内实验性地使用过。胚胎干细胞疗法已在治疗严重性心力衰竭中表现出成功的希望。

但是日本研究人员说，他们的研究是首次利用iPSCs修复心脏损伤。

人iPSCs长期以来被吹捧为一种大有希望的用于心脏修复的细胞来源。

但是日本研究人员写道，利用患者自己的细胞产生iPSCs是“耗时费力的，成本高昂的”，同时利用其他人的细胞培养出的心脏细胞可能被受者的免疫系统作为外来物加以排斥。

在猕猴临床试验中，日本研究人员选择免疫系统细胞中的一种在供者和受者之间相匹配的分子来阻止受者体内的免疫防御系统识别这些植入的细胞，从而不会对它们作出反应。

他们也让这些猕猴服用作用较为温和的免疫抑制剂药物，并且监控它们12周。

日本研究人员观察到尽管存在心律不齐的问题，但是这些细胞改善这些猕猴的心脏功能。重要的是，这些植入的新细胞未遭受免疫排斥。

论文通信作者、日本信州大学科学家Yuji Shiba说，“我们仍然有一些障碍，包括肿瘤形成的风险、心律不齐和成本等。”

但是他对iPSCs产生的心脏细胞将在几年内用于人类临床试验的测试当中充满自信。

未参与这项研究的专家们说，它是一项巨大的进步，但是提醒道，前面仍然好长的路要走。

英国谢菲尔德大学心脏学家Tim Chico（未参与这项研究）说，“我认为利用干细胞治疗心力衰竭不会在多年后成为现实。”

干细胞这么发达，治疗涉及最广的是哪些领域？

　　科技部《关于对国家重点研发计划“干细胞及转化研究”等7个重点专项2020年度申报指南征求意见的通知》表示，2020年，国家拨总经费2.3亿元支持干细胞及转化研究重点专项。

　　至今，中央财政连续4年拨款总计超过22亿元支持“干细胞及转化研究”重点专项。干细胞科技早已经被列为我国战略性、前瞻性的重大科学问题。干细胞的研究和发展对健康和生命将会是一个革命性的变革，以下是目前干细胞治疗领域涉及最广的八大疾病领域。

　　01.骨关节炎

　　骨关节炎是一种影响关节的退行性疾病。随着时间的推移，保护关节、防止骨头相互摩擦的软骨会断裂。这也会导致骨骼的退化，引起疼痛、僵硬和最终的不能动弹。这种情况通常会影响臀部、膝盖和拇指，有些案例也会影响肘部、手腕、脚踝和手指。

　　软骨无法进行自我更新，人出生时体内只有这么多细胞，这意味着当这些细胞死亡之后，没有新的细胞取代它们。因此，关节和骨骼会退化。干细胞可分泌的细胞因子是骨髓细胞的百倍以上，具有增殖成软骨的能力。

　　2019年5月，人脐带间充质干细胞注射液获得国家药监局临床试验默示许可(批件号 CXSL1900016），用于治疗膝骨关节炎。

　　国外已上市细胞产品：

　　比利时TiGenix公司开发的产品ChondroCelect(自体软骨细胞)，用于膝盖软骨修复。

　　韩国Medipost公司的可特立(Cartistem，含有脐带血间充质干细胞和透明质酸钠)是首个采用异基因干细胞修复关节软骨的细胞治疗产品。

　　02.中风

　　2017年，异体骨髓来源的间充质干细胞产品MultiStem治疗中重度缺血性脑卒中的II期临床取得积极成果，证明了可行性和安全性 ，相关成果发表在顶级期刊The Lancet Neurology上。

　　试验结果表明，脑卒中患者对MultiStem的耐受性良好，无严重副作用事件。患者接受治疗后炎症细胞因子显着减少，加速免疫系统恢复。目前该疗法已经获得了美国FDA批准进入III期临床试验，预计将在美国及欧洲的50多家顶级脑卒中中心招募约300名患者。

　　2019年9月17日，发表在STEM CELLS上的一项I期扩展试验结果首次证明了早期使用自体骨髓单个核细胞(MNCs)治疗急性缺血性脑卒中患者的安全性和可行性。

　　03.心脏病

　　心脏病仍然是全球的头号杀手。据《中国心血管病报告2018》报告，我国冠心病患者有1100万，肺原性心脏病患者500万，心力衰竭患者450万，风湿性心脏病患者250万，先天性心脏病患者200万，且发病人数和死亡人数逐年上升。

　　干细胞治疗心脏病的最大好处是它能够取代受损或死亡的细胞，而不需要侵入性手术或移植。

　　2018年5月16日，Nature News报道称，日本卫生部允许大坂大学的医生提取干细胞衍生的组织薄片，并将其用于治疗心脏病患者。在临床前研究中，研究小组确定由iPS细胞生成的细胞移植薄片可以改善心脏功能。

　　澳大利亚Mesoblast公司的Revascor由1.5亿个间充质前体细胞(MPCs)组成，通过直接注射到患者的心肌中治疗疾病。一项III期试验(NCT02032004)正在评估Revascor用于治疗晚期心力衰竭患者。该试验已经完成了北美55个中心的患者登记，其中566名患者随机接受Revascor或安慰剂治疗。

　　04.糖尿病

　　I型糖尿病是遗传性的，是由于胰腺不能产生胰岛素，或者产生的胰岛素太少。这很可能是由于免疫系统紊乱，身体攻击自己的胰岛——即负责制造胰岛素的胰腺细胞。在这种情况下，干细胞可以提供与其他自身免疫疾病相同的免疫系统调节作用。

　　II型糖尿病是指身体对胰岛素产生抵抗力。胰腺可能仍然正常运作，但是患者的身体感觉不到，这意味着血液中胰岛素的释放仍然不会促使细胞吸收葡萄糖。它仍然留在血液中，引起危险的高血糖症，就像它在I型糖尿病中一样。

　　第二种情况也可能对干细胞治疗有反应，干细胞治疗可以帮助胰腺适度分泌胰岛素，并帮助身体更有效地对胰岛素做出反应。

　　目前，评估干细胞对这两种疾病有效性的多项临床试验正在进行中，许多人急切地等待着结果。

　　2017年发表在Science Translational Medicine的一项研究中，波士顿儿童医院的研究人员通过注入预先处理过的能够产生更多PD-L1的造血干细胞，成功地逆转了小鼠模型的I型糖尿病。

　　Science同日发布两则重磅新闻

　　05.脱发

　　干细胞为全天然的头发再生铺平了道路——从头皮上移除毛囊，分离出干细胞，并将这些毛囊连同干细胞一起注入头皮。这种疗法的精髓在于，通过提供头发再生所需的营养物质和最初产生头发所需的毛囊，促使原先没有头发或秃顶的头皮部

　　温哥华一家致力于治疗脱发的公司正在开发利用真皮鞘杯(DSC)细胞治疗雄激素性脱发(男性型脱发)的自体细胞疗法。该公司正在开发的候选产品叫做RCH-01。它准备开始II期试验，将招募160名男性受试者。在试验中，真皮鞘杯细胞将从取自患者头部后部的活检组织中分离出来。之后，细胞将在实验室中扩增，并注射到患者头皮的秃顶区域。

　　06.白血病

　　白血病是影响淋巴系统和骨髓的另一种癌症。白血病细胞癌变，影响免疫系统，引起一系列的症状，最终导致未经治疗的死亡。这是最常见的儿童癌症，但也影响不同年龄的成年人。

　　然而，干细胞疗法带来了巨大的希望。治疗方法包括首先用高剂量化疗杀死白血病细胞，有时还需要放疗。在大部分癌细胞被击败后，患者接受干细胞输注来帮助身体重新恢复，这样就可以再次制造正常的血细胞。

　　这种治疗，通常只适用于复发的患者，即他们的癌症从标准治疗中得到缓解，几个月或几年后又复发了。然而，好消息是：在第一次缓解期进行干细胞治疗，5年存活率为30-50%。如果患者在干细胞移植后2年内没有复发，他们很有可能存活多年。

　　05.嵴椎损伤

　　嵴髓损伤或切断是人体最严重的创伤之一。取决于受伤发生的部位，患者可能再也不能走路，甚至不能移动手臂。长期以来，这种创伤是完全无法弥补的。虽然近年来的一些神经外科手术让患者恢复了部分功能，但结果仍然常常令人失望。

　　干细胞为这部分患者的未来带来了巨大的希望。在这其中，干细胞提供了替代受损神经的能力，而不是试图修复受损神经。通过将干细胞注射到损伤部位，嵴柱可以自我修复，获取正常运作所需的所有成分。

　　结合生长因子和激素，干细胞能够前往受伤部位“重建”功能，然后干细胞分化为特定的细胞，与受损组织整合并修复。

　　08.自身免疫疾病

　　自身免疫疾病如类风湿性关节炎、糖尿病、多发性硬化、狼疮、爱迪生氏病、格雷夫斯病等。干细胞疗法在自身免疫疾病中有两个潜在的益处。它可以帮助修复和再生在自身免疫攻击中受损的组织。干细胞可以帮助他们修复神经、皮肤、血液、器官等。这有助于患者恢复健康，对抗这类疾病的退化。

　　干细胞可以调节免疫系统，使其不再凶勐地攻击、或者根本不攻击身体。研究表明，干细胞可以最大限度地减少免疫系统的病理影响，从而避免自身免疫，同时保持机体攻击外来物质和真正病原体的能力。

　　未来展望：

　　根据国家药品监督管理局药品审评中心的信息显示，2018年6月至今，国内相继有8款干细胞新药的临床试验申请获受理，其中4款已获临床默示许可，涉及疾病包括膝骨关节炎和糖尿病足溃疡。

　　虽然我国干细胞技术还在临床试验阶段，但我国现已有50余个干细胞临床研究项目完成备案，涉及的疾病包括：急性心梗、膝骨关节炎、帕金森病、卵巢早衰、银屑病、视网膜色素变性、年龄相关性黄斑变性、骨修复、不孕症、失代偿性乙型肝炎肝硬化等。随着临床研究的进一步开展，干细胞疗法会让更多的病人真正受益！

干细胞培养的几个概念

金仁桃 章孝荣（ 安徽农业大学畜牧水产学院 合肥230036 ） ?? 自Evans和Kaufman(1981)从延迟着床的胚胎中分离出小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cells, ES细胞）以来，ES细胞一直备受人们的关注??〔1〕?。1998年，由基隆公司资助的汤姆森研究小组在《科学》杂志上发表了关于人的ES细胞建立等一系列工作之后，基隆公司的股票更是狂升了6倍；1999年、2000年，干细胞研究两度被美国《科学》杂志推举为21世纪最重要的研究领域；1999年，美国《科学》杂志还将干细胞研究评为当年世界十大科学成就之首。由此足以显示干细胞的魅力，而干细胞之所以如此吸引人们的注意，主要是因为干细胞是一种全能性的细胞，可以自发分化形成多细胞结构，即胚胎小体（embryonic body，EB）。EB含外胚层、内胚层、中胚层三个胚层，胚胎小体继续分化可以形成多种细胞类型，包括血细胞、内皮细胞、肌细胞及神经元等。另外ES细胞在动物克隆生产、转基因动物生产、疾病研究模型及药物生产等诸多方面有着诱人的前景。本文主要就ES细胞在克隆动物生产的应用加以阐述。 ?1 ES细胞克隆的理论依据 ? ES细胞是从早期胚胎内细胞团（inner cell mass, ICM）和附植后原始生殖细胞（Primordial germ cells, PGCs）分离出来的一种细胞，它具有全能性(totipotenty)或多能性(pluripotency)，可以发育为任何一种组织或器官的前体细胞，再由该前体细胞发育成功能细胞。正常的ES细胞可分化为两个子代干细胞，也可以分化一个子代干细胞和一个功能细胞。 这种分化是由干细胞内源性调控（主要是受干细胞内结构蛋白和多肽因子调控）和外源性调控（主要是由周围组织细胞及细胞外基质等调控）所影响。而最近Amato Giaccia 发现氧含量操纵干细胞的分化，为人们进一步利用干细胞提供了有益的提示。另一个重要发现就是Andrew E. Wurmser等发现成熟组织的干细胞仅仅是通过与现存细胞融合而形成其他组织，而非制造新细胞，那么对成熟组织的干细胞利用，将趋于更加谨慎??〔2〕?。这也更加提升了ES细胞的作用。 ?ES细胞另外一个特点是它像正常的体细胞一样可以在体外进行增殖、克隆、冷冻、保存而保持不分化。这样就可以为人们提供大量的可利用的ES细胞。如每只实验动物一次可提供5000～6500个PGCs，然后在体外可培养成类ES细胞。现在人们可将ES细胞体外培养传至40～60代而不分化，而这样大量的细胞就为我们利用它奠定了基础。 ?ES细胞具有可操作性。在体外人们可以对其进行遗传操作选择，如转基因、基因打靶、配合基因诱捕等一系列技术，再结合核移植技术，生产出人们所希望的动物。 ?2 ES细胞克隆的可行性 ? 克隆技术的原理是将供体细胞核移入去核的卵母细胞中，通过激活使其重新编程发育，从而产生新个体。目前体细胞克隆相对于ES细胞来说，存在有两个问题：一是体细胞在体外培养易变异。为避免这一缺点，目前较多使用新分离或传代较少的细胞。二是关于选用何部位的细胞。目前人们已使用了乳腺细胞、卵丘细胞、输卵管细胞、皮肤成纤维细胞、子宫上皮细胞、肌肉细胞、支持细胞、肝脏细胞、耳成纤维细胞、初乳中乳腺上皮细胞等。但到目前为止，还没有发现何种体细胞是最适合于核移植的，所用作核移植的细胞有的来自于胎儿，一般是成纤维细胞，也有来源于成体动物的。这主要是因为虽然从理论上讲，机体中的每一个细胞都是从受精卵分裂分化而来，而在机体内通过半保留复制方式，DNA信息被完整的传递下来，但从一个受精卵到机体的亿万个细胞，有些细胞的个别基因可能发生不可逆的丢失或重排，使用这样的细胞作核供体，就无法保证信息的完整性，这也可能是目前细胞克隆中普遍存在的克隆效率低，出生后的死亡或异常的原因之一。ES细胞的核移植虽然也同样需要在去核的卵细胞内重新编程，但是相对于体细胞克隆效率低、妊娠期间易流产来说，ES细胞的克隆效率要高得多，而且ES细胞的重新编程要容易得多。这也正如人们所假设的目前存活的克隆个体所用的供体核大多是源于动物组织的成体干细胞的核而非最终分化的细胞的核〔3〕?。 ?随着对ES细胞研究的深入，人们已经在多种动物得到了ES细胞核移植的后代。Teruhiko Wakayama等采用长期传代（30代以上）的小鼠ES细胞克隆出了31只小鼠，其中14只存活〔4〕?； Campbell （1996、1995）分别将绵羊、山羊的类ES注射入去核卵母细胞，获重构胚，经核移植有活羊出生??〔5〕?。Michelle Sims和N．L First（1993）将培养6～101d牛的ICM细胞核移植到去核卵母细胞，卵裂率为70%，囊胚率为24%，经胚胎移植有13头妊娠，出生了4头牛犊??〔6〕?； Stice（1996）将牛的类ES细胞进行核移植，得到重构胚并移入受体牛子宫，发育至45天??〔7〕?；Cibelli利用转基因技术得到生殖系嵌合的牛；Shim（1997）和Piedrahita（1998），利用猪的PGCs建立多能干细胞系，并得到嵌合体猪。 ?3 ES细胞克隆的意义 ? ES细胞的核移植最基本的意义就在于，如果通过核移植能够产生完整的后代，而且具有和亲代一样的遗传特性，那么它就恰恰证实了ES细胞是具有全能性的一种细胞。ES细胞克隆和体细胞克隆一样，通过得到的大量具有亲代一样遗传特性的供体细胞，再利用核移植技术，可以提高优秀个体的繁殖效率，迅速扩充优秀个体的种群，为畜牧生产作出极大的贡献。 对于珍稀品种或濒临灭绝的物种来说，该项技术提供了一种可以挽救珍稀或濒危物种的机会。利用ES细胞水平上的基因操作相对于受精卵水平上的转基因更加容易，可以得出人们所需求的转基因动物，然后再运用核移植技术，即可得到大量的具有此基因表达的个体，同时这也是创造新物种的绝好机会。由于ES细胞具有自发融合的性质，由此可在细胞水平上操作， 完成新物种的创造，而这种新物种可能是自然交配无法得到的。人们曾将牛、绵羊及人的GH基因先后导入小鼠基因组，得到的转基因小鼠在快速生长期生长速度为对照组的4倍。另外，利用ES细胞核移植还可以一次得到大量同质的后代，为生物学研究提供了很好的模型。 4 目前存在的问题 ? 由于ES细胞的发现至今也只有20多年的历史，因此人们对它的了解有限，限制了对它的利用，目前就干细胞的核移植来说，主要存在以下问题： ?4.1 核移植技术本身还有许多理论有待完善，目前核移植的效率还很低，而对于像重构胚的发育与着床，核质互作与协调等理论还需要人们作进一步的深入研究。 ?4.2 ES细胞建系的技术还不成熟。目前广泛使用的饲养层是小鼠成纤维细胞无限系（STO）或小鼠胚胎成纤维细胞（Primary Mouse Embryo Firbroblasts, PMEF）制备而成，主要是利用其细胞分泌的生长因子FGF和抑制细胞分化的因子LIF共同作用，保持干细胞在体外克隆而不分化，然后加入一些其它的物质。即便如此，目前其建系的效率仍不是很高，特别在国内，能够得到大家畜的类ES的都不是很多，而且得到传代次数较少。人们目前尝试了使用其它的培养基，如大鼠成纤维细胞条件培养基、山羊输卵管上皮培养基、绵羊输卵管上皮培养基、绵羊子宫上皮培养基、山羊子宫上皮培养基、牛的颗粒细胞培养基、牛子宫成纤维细胞培养基、胎牛的睾丸、肾、肝成纤维细胞培养基。Meinecke Tillmann(1996)发现胎牛的成纤维细胞对绵羊的ICM和ES细胞增殖有利。而Piedrahitat等采用猪胎儿成纤维细胞和上皮细胞作为饲养层，结果失败。Strojek等（1990）认为，初步培养囊胚时，使用猪子宫成纤维细胞饲养层可以促进囊胚的贴壁和ICM克隆的形成。此时若用STO作饲养层，尽管猪囊胚可以附着在STO上，但ICM不增殖，但以后的传代只需要STO进行。可见对于饲养层的选择，目前仍有待人们的进一步发现。对于ES细胞的建系，人们还发现，ES细胞必须保持一定的浓度，这是因为ES细胞能够从培养基中摄取营养的同时，也要向培养基中排出自己的分泌和代谢产物和其它一些物质，这些分泌物中，有促进细胞生长的物质，有人就称之为促克隆生长物质。 ?ES细胞应用范围是很广的，对于核移植的应用仅是其一部分。例如，利用ES细胞的全能性，进行定向诱导分化，再在细胞水平上进行药物的测试，可以极大提高药物的检测进度；利用ES细胞可建立人类遗传病研究的动物模型等。可以说，对于干细胞的研究方兴未艾。 ? 参考文献 ?〔1〕Evans M J, Kaufman M H. Establishment in Culture of Pluripotential Cells from mouse embryos〔J〕. Nature, 1981, 292(9): 154～156 ?〔2〕Andrew E. Wurmser, Fred H.Gage. Cell fusion causes confusion〔J〕. Nature, 2002，416,485～491 ?〔3〕Konrad Hochedlinger, Rudolf Jaenisch. Monoclonal mice generated by nuclear transfer from mature B and T doner cells〔J〕. Nature, 2002,415,1035～1038 ?〔4〕Wakayama T, Rodriguez I, Perry AC, et al. Mice cloned from embryonic stem cells〔J〕. Proc Natl Acad Sci USA, 1990，96(26):14984～14989 ?〔5〕Campbell.K.H.S, Mc whiir,J, Riechie.W.A, et al. Sheep cloned by nuclear transfer from a cuctured cell line〔J〕. Natrue,1996,38(7):64～66 ?〔6〕Sims M.M, FirsA NI. Production of fetuses from totipotent cultured bovine inner cell mass cells〔J〕. Theriogenology, 1993,39:313 ?〔7〕Stice SL, strolchonko NS.Pluriopotent bovine embryonic cell lines directed embryonic development following nuclear transfer biology of Reproduction〔J〕. Theriogenology, 1996,54:100～110

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