器官幹細胞療法

  在20世紀60年代初期，人們從小鼠畸胎癌中成功分離獲得了具有幹細胞特性的胚胎癌細胞系。這些癌組織由生殖細胞構成，通常直接源於卵巢，或間接地源於胚胎發育過程中因發育障礙而導致的先天缺陷。由於存在基因突變與基因組不穩定等問題，胚胎癌細胞的使用受到了一定的制約。但值得慶幸的是，人們從正常胚胎中成功分離了胚胎幹細胞系（參見第6章內容），從而解決了胚胎癌細胞所帶來的種種缺陷。這一巨大突破開拓出了新的研究領域，使得人類胚胎細胞的分離與操縱，以及其在成人幹細胞治療中的應用成為可能。

  小鼠胚胎幹細胞已被廣泛應用於轉基因小鼠模型的製作中，並發揮著重要的作用。作為與人類較為接近的物種，小鼠在經過基因修飾後可以作為模型用於單個基因功能的研究。通過將某個基因（例如與人類癌症相關的基因）轉入至培養的胚胎幹細胞中，我們便可以獲得相應的轉基因小鼠。此外，我們還可以通過將一個外來基因（通常是一種可產生抗藥性的蛋白）轉入靶基因中，從而實現對某個基因的定點「敲除」。但遺憾的是，操縱基因的效率是十分低下的，因此，經過處理的細胞需要對其進行培養，從中選擇出那些基因發生了正確改變的細胞。然後，我們通過顯微注射的方法將這些目標細胞注入正常胚胎的內部細胞團中，並將胚胎進一步植入代孕小鼠的子宮中。這些後代的成對染色體中通常只含有一份導入基因（它們是雜合的），因此可以通過進一步繁殖的方式來獲得純合子個體。此時這些小鼠細胞內的成對染色體中都將含有新基因（或敲除基因），而基因編輯所產生的效應也將在其體內的每個細胞中得以體現。基因在特定組織或細胞中是否表達取決於其基因組環境的不同，這通常可以通過仔細的分子選擇以在胚胎幹細胞水平進行追蹤指引。目前已有成千上萬種轉基因小鼠品系，其中每一種小鼠都具有特定的基因修飾特徵，這些模型小鼠極大地幫助了我們對許多複雜生物過程的理解。對那些特定基因缺陷或過表達所引起的疾病，轉基因動物可以作為新藥開發或藥物干預措施的模型。即便某些基因編輯將導致胚胎死亡，我們也可以利用經基因編輯的細胞系來進行「替代」，通過體外培養實驗來進行有用的研究。

  人類胚胎幹細胞可能的來源包括以下多種途徑：（1）來自死胎的組織；（2）不育症治療後所剩餘的胚胎；（3）通過體外受精所獲得的僅用於研究的胚胎；（4）通過將細胞核移植至卵細胞後所獲得的胚胎（用於製作多莉羊的技術）。所有來源的人類胚胎幹細胞都會引發倫理與宗教問題。不同國家的相關法律法規往往反映了該國主流的倫理與宗教觀點。許多國家完全禁止任何與胚胎相關的工作，有些國家有著嚴格的法律法規進行約束，而有些國家則幾乎沒有任何限制。反對人類胚胎幹細胞研究的人們認為，一旦卵細胞受精，人類的生命便已開始，因此破壞胚胎在倫理上應被視為謀殺。此外，他們還認為胚胎幹細胞技術屬於生殖克隆的第一步，因此這將從根本上侵犯和貶低了生命的神聖性。而支持者則認為，在自然生殖的過程中，人類卵細胞在受精後通常無法植入子宮。因此，雖然受精卵具有發育成人類的能力，但只有成功植入一位女性的子宮後才能成為真正的人類。體外受精過程通常會產生遠超生育治療所需的大量人類胚胎，而這些遺留下來的多餘胚胎通常被簡單地丟棄。因此，使用此類胚胎來進行挽救生命的生物醫學研究從倫理上來講是允許的。在20世紀90年代初期，胚胎幹細胞系僅可應用於臨床治療過程。

  利用胚胎幹細胞治療人類傷病的實例來自2009年獲批的一項一期臨床試驗，在該試驗中，研究者將源自人類胚胎幹細胞的大腦與脊髓幹細胞（少突膠質祖細胞）移植至脊髓受損的患者體內。其中首例患者於2010年10月接受了治療，其治療團隊由加利福尼亞大學歐文分校的漢斯·基斯特斯特德（Hans Keirstead）領銜，贊助商為傑龍（Geron）生物技術公司。既往研究表明，將源自人類胚胎幹細胞的少突膠質細胞移植到脊髓損傷的大鼠體內7天後，大鼠的運動恢復能力將出現明顯的改善。目前正在進行的截癱治療研究將至少持續5年的時間。雖然這種治療手段未必能將脊髓損傷徹底治癒，但通過這一過程我們可以看出對神經元進行深度修復具有十分重要的意義。可以說，這是一項極具開創性的研究工作，其順利開展將為胚胎幹細胞應用於脊柱損傷的治療開創出一片新的天地。

  將胚胎細胞應用於疾病治療所涉及的倫理、宗教與政治限制推動了一個新的研究領域的發展——將成體細胞通過誘導或去分化的方式形成胚胎樣多能細胞，以用於細胞治療。這在過去曾是一個夢想，然而現在已成為現實。2006年，山中伸彌（Shinya Yamanaka）通過導入幾個基因並誘導其表達的方式，成功利用小鼠成纖維細胞獲得了誘導型多能細胞。在這一過程中，導入的幾個基因在對將成體成纖維細胞轉化為胚胎幹細胞的過程中發揮了至關重要的作用，而逆轉錄病毒（可將其DNA序列插入宿主中的一類DNA病毒家族）則被用來導入並促使這些基因的表達。關於基因導入的早期嘗試未能完全成功，這是因為某些病毒基因在導入小鼠胚胎後會引發癌症。這個問題在2008年通過使用腺病毒引入基因的方式得到了解決。與逆轉錄病毒不同，腺病毒不會將自身基因整合至宿主細胞的基因組中。一些研究團隊在成體人類細胞中成功重複了以上的小鼠實驗。而在次年，丁勝團隊發現在不導入致癌基因的情況下，僅僅使用兩種化學合成的小蛋白重複處理也可以將體細胞轉化為多能細胞。因此，通過對個體的成體細胞進行操縱，從而產生具有修復其器官與組織能力的類胚胎細胞，已被認為是未來臨床上主要的治療方法。

  使用幹細胞對患病或受損的器官進行修復，由於其可以規避器官排異或其他副作用所帶來的風險，因此具有極大的潛力，並推動了相關研究的發展。現在確實已經出現了幹細胞療法，但到目前為止，這些療法僅可作為實驗性的醫學療法，其主要發展領域包括了心源性疾病、肌肉損傷、糖尿病、肝臟與帕金森病，以及亨廷頓舞蹈症的治療。

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  心血管疾病，包括高血壓、冠心病、中風以及充血性心力衰竭，是全世界眾多國家人口死亡的主要原因。當缺氧發生時，心肌細胞將發生死亡，這會促使疤痕組織的形成，而一旦血流量與壓力超負荷，以及尚存活的心肌細胞過度伸展，將導致心力衰竭與死亡。已有眾多研究發現，多種類型的幹細胞，包括胚胎幹細胞、間充質幹細胞、內皮幹細胞以及天然存在的心臟幹細胞，可以在小鼠、大鼠以及豬的動物模型中成功令受損的心臟組織得以再生。而幾項人體研究（通常為經過心臟手術的個體）表明，通過直接向心臟中導入幹細胞，或將幹細胞輸送至循環系統中，可以改善心臟功能以及誘導新生毛細血管形成。

  肌營養不良症是一種發生於男性的遺傳性疾病，患者肌肉隨時間推移而逐漸喪失功能，最終導致早夭。該疾病的發病原因在於維持肌肉完整性的抗肌萎縮蛋白發生突變。利用小鼠與犬類模型，目前已成功將基因編輯後的抗肌萎縮蛋白基因導入中央血管細胞（可進一步分化為肌肉細胞），並將其移植至模型動物體內。結果顯示，經治療後三分之二的動物其抗肌萎縮蛋白與肌肉力量恢復至正常水平，這表明細胞療法可能是治療這類遺傳疾病的先進方法。

  2008年，胚胎幹細胞已被成功誘導分化形成未成熟的β細胞，產生的胰島素逆轉了小鼠的糖尿病症狀。同年，成體皮膚細胞在通過誘導形成多能細胞後，可以進一步經過重編程過程產生胰島素。更令人興奮的是，這些細胞還可以響應葡萄糖信號並分泌胰島素（就像胰腺內的細胞一般）。對於患有Ⅰ型糖尿病的人群而言，移植胰島素生成細胞的治療策略終有一天將取代終生注射胰島素的方式。此外，人們也成功誘導了小鼠成體幹細胞形成肝細胞，從而使肝臟再生成為可能。

  大腦某些區域中可生成多巴胺的神經細胞逐漸死亡將導致帕金森病的發生。早期帕金森病的細胞治療策略主要涉及胎兒腦組織的移植。其中一部分人群表現出明顯的改善效果，為試驗提供了一定的實踐依據。然而，除了組織來源存在爭議之外，這些臨床試驗還凸顯了幾個問題，包括對純化細胞的大量需求，以及隨著帕金森病的發展，胎兒組織也將會受到影響等。2008年，利用小鼠皮膚成纖維細胞可成功獲得誘導性幹細胞，並可進一步分化形成神經前體細胞，這些神經前體細胞（在移植後）可整合到移植位點周圍的大腦組織中。這一方法已在帕金森病動物模型中得到了進一步驗證。在該模型中，通過施加毒素殺死正常的多巴胺生成細胞，便可模擬帕金森病的發生。與未治療的動物相比，誘導性幹細胞的移植可顯著改善模型動物的發病情況。目前我們所面臨的主要挑戰是進一步了解帕金森病的發病機制，以及如何利用幹細胞模型來研發新的藥物治療方法。

  亨廷頓舞蹈症是一種神經退行性疾病，其特徵是大腦中可產生神經遞質γ-氨基丁酸的神經元大量死亡。因此臨床上利用幹細胞來治療亨廷頓舞蹈症在一定程度上可以類比帕金森病的治療過程。將胎兒組織與誘導性成體幹細胞移植至成人大腦中可以增加包括運動與認知功能在內的大腦活動。雖然幹細胞可能並不能成為治療這類疾病的「靈丹妙藥」，但仍可作為疾病治療中的重要一環。

  骨髓中的間充質幹細胞可誘導形成軟骨、骨骼、肌腱韌帶、肌肉、皮膚、脂肪以及神經細胞。目前，從少量的骨髓中便可輕鬆分離出間充質幹細胞，通過簡單培養便可獲得移植所需要的細胞量。經過凍存的幹細胞仍具有正常的功能，可應用於「復活」治療中。此外，幹細胞也存在於牙髓（牙齒內部的軟組織）中。例如智齒中便含有豐富的幹細胞群。因此，或許有一天我們可以通過尋求牙醫的幫助來完成幹細胞移植。有研究表明，將胚胎間充質幹細胞移植到成年小鼠的頜骨中，一些「牙齒萌芽」可以生長成為具有完整功能的堅硬牙齒，並且可對疼痛做出反應。然而，能否利用成體牙齒幹細胞產生再生牙齒仍未可知。儘管如此，一家來自印度的生物技術公司仍已建立了世界上首個牙齒幹細胞庫。