第一章再生生物医学研究的科学意义与战略价值
追求健康与长寿是人类永恒的主题，而健康与寿命在很大程度上取决于医疗水平。由于人口老龄化加剧和现代化进程加速，我国正处于人口结构改变和生活方式改变的重要时期，各类重大疾病呈现高发态势。随着现代医疗技术的发展，虽然人类已经攻克了多种疾病，但是心血管疾病、癌症、神经退行性疾病等重大疾病仍缺乏有效的治疗手段，严重威胁着人类的健康甚至生命。而再生生物医学的出现，有望作为一种新兴的治疗手段，为这些疾病患者带来曙光。
再生生物医学是一门研究组织、器官生理性修复和组织、器官功能再生与重建的交叉性学科。近年来，一系列的重大突破，如胚胎干细胞的建立、各类成体干细胞的发现、诱导多能干细胞的建立和多种类器官的成功制备等，彻底改变了组织器官修复研究的面貌。并且随着基因编辑、生物材料、3D打印、人工智能等多个学科领域的突破与交叉融合，干细胞治疗、基因治疗、组织与器官再造等领域逐渐兴起，再生生物医学的内涵与外延不断扩大。
目前，再生生物医学以组织器官的生理性修复与功能重建为主要目标，利用生命科学、计算机科学、材料科学和工程学等多学科的理论与技术，研究和开发基因、细胞、组织、器官等不同层次对损伤组织和器官进行修复、改造、替代和再生的方案。该领域一跃成为目前生命科学和生物医学研究*为活跃的领域之一，正在引领现有的疾病治疗模式进行深刻变革，成为新医学革命的核心，孕育着重大科学技术革命性突破。
再生生物医学面向我国人口健康的重大需求，瞄准重大健康问题，瞄准国际生命健康领域*前沿，对于推动我国生命健康领域进入国际前列、实现生物科技和产业的全球领先具有重大的战略意义。
第一节再生生物医学概述
一、再生生物医学的基本概念
再生生物医学是一门利用生物学的理论方法，研究机体组织和器官的特征、功能、创伤修复与再生机制等的学科；是一门利用生命科学、材料科学、计算机科学和工程学等多种学科的理论与技术，通过原位修复与再生或体外重建等手段，以*终实现损伤组织和器官功能的恢复和改善的一门交叉学科。主要包括在基因、细胞、组织和器官等各层次上，对损伤组织和器官进行修复和改造，涉及干细胞、基因治疗、细胞治疗和组织与器官工程等方向。
（一）干细胞
干细胞是机体中具有自我更新能力和分化潜能的一类细胞，能够无限增殖，在特定的条件下能够分化成不同类型的细胞。干细胞在细胞分化和个体发育等关键生物学过程中起着决定性的作用。
根据个体发育过程中分化潜能的髙低，干细胞分为全能干细胞（totipotent stem cell，TSC)、多能干细胞（pluripotent stem cell，PSC)、专能干细胞（unipotent stem cell，USC)。依据来源不同，又可将干细胞戈！J分为胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC)、诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPSC)以及成体干细胞（adult stem cell，ASC)等。其中ESC和iPSC均属于PSC。ESC是从早期胚胎的原始内细胞团（inner cell mass，ICM)中分离出来的一类细胞，它具有自我更新和多向分化潜能，能够分化得到个体中所有类型的细胞。ASC是指存在于成体组织器官中的一类细胞，这类细胞能够自我更新并且能够分化形成该组织器官相关的细胞类型。ASC还可以根据干细胞的组织来源分为造血干细胞、间充质干细胞、神经干细胞以及肌肉干细胞等。iPSC是指通过导入特定的基因将体细胞重编程为PSC，iPSC具有和ESC类似的性质。2006年日本京都大学山中伸弥首次建立了iPSC，该类细胞与ESC在形态、基因表达、自我更新和多能性等方面相似。
（二）基因治疗
基因治疗是以改变人的遗传物质为翻的生物医学治疗手段，通过基因水平的操作干预疾病的发生和发展。基因治疗利用在分子水平上对疾病的病因、发病机制的新发现、新认识及分子生物学领域的新技术，针对性地修复、置换致病基因或纠正基因的异常表达等。
基因治疗的关键在于将基因治疗药物高效、特异地传递到靶细胞，在靶细胞内实现特定基因位点的高效编辑，完成特定基因的靶向表达或调控。其中，建立包括病毒、脂质纳米颗粒、胞外体在内的特异性和髙效率的基因递送系统，开发多种新型基因编辑工具并探索其在多种遗传疾病中的转化应用是目前研究的重要方向。结合合成生物学，设计、写入并组装特定的基因元件，也是基因治疗的新兴方向。
（三）细胞治疗
细胞治疗是指将特定的细胞（例如免疫细胞、干细胞等）通过体外扩增、体外分化、特殊培养等处理后，得到具有特定治疗功能的细胞，递送至患者体内，以治疗某种疾病为目的的一种新兴治疗方法。细胞治疗根据细胞来源可分为自体移植和异体移植两类。在细胞治疗中，细胞从供体中分离出来并移植到受体患者体内，供体和受体可能是同一个体（自体移植)，也可能是不同个体（异体移植)。
常见的细胞治疗形式包括造血干细胞移植、上皮干细胞移植、干细胞衍生的细胞移植和嵌合抗原受体T细胞免疫治疗（CAR-T)等。此外，使用工程哺乳动物细胞在患者体内按需生产治疗药物的细胞治疗方法正在从概念验证走向临床应用，此类治疗细胞具备三个特性：感知疾病相关标志物、处理信息和做出所需反应，*终达到诊断并治疗的效果。
（四)组织与器官工程
组织工程学的历史可追溯到20世纪80年代，美国的Joseph Vacanti和Robert Langer提出了组织工程研究的概念，随后将相关研究成果发表在美国《科学》杂志上。美籍华裔科学家Yuan-Cheng Fung提出了组织工程这一术语，被美国国家科学基金会确定，之后被广泛接受。传统的组织工程的基本原理是从体内获取少量的活体组织，从组织中分离细胞（又称种子细胞）并培养扩增，随后将扩增的种子细胞与特殊的生物材料（支架）混合，形成细胞-材料复合物，移植到机体的病损部位。随着生物材料在体内逐渐降解，植入的细胞嵌入相应的组织或器官，不断增殖并发挥功能，从而实现修复创伤和重建功能。
随着生物科学技术的发展，组织工程的概念已拓展为：应用生命科学、临床医学、材料学、化学和工程学等学科的原理与方法，研究开发生物替代物（或移植物），用于各种人体组织或器官损伤后的修复、替代或再生的工程。近年来新兴的组织工程方案包括利用体细胞或干细胞，结合微流控、器官芯片等新兴技术组装类器官;或结合生物材料和支持成分3D打印组织器官等。
二、再生生物医学的研究内容
目前再生生物医学学科主要包括干细胞、基因治疗、细胞治疗、组织与器官工程等。
（一）干细胞
干细胞是再生生物医学研究与应用的根基与核心。ESC与iPSC已成为当下干细胞的主要来源之一，二者因其无限增殖和具有多向分化潜能等特点，在再生生物医学方面具有独*的优势。干细胞的获得与维持是干细胞基础研究和临床应用的基础。多项研究对干细胞的获得与维持的分子机制进行了深入阐释，目前对PSC的自我更新和多能性的获得与维持已经有了较为全面而系统的了解。另外，干细胞的精确命运调控是现阶段干细胞研究的热点。在体外，通过添加生长因子、信号通路激动剂或抑制剂等模拟发育进程，或过表达、敲低核心转录因子以实现干细胞的定向分化，*终获得功能‘_胞乃至其组装的组织或器官。
患者来源的干细胞或者经过基因改造后的干细胞常用于模拟多种遗传性疾病，以进行发病机制研究和药物的筛选与开发。此外，通过组织器官工程，结合生物材料胚胎干细胞和3D打印等新兴材料技术，整合工程化解决方案，未来有可能实现组织和器官的体外再造，以填补器官来源匮乏的巨大缺口，救治器官严重损伤、衰竭的患者。
（二）基因治疗
人类的多种罕见性疾病都是由遗传突变造成，但是目前只有不到5%的单基因突变具有治疗方法，大多数遗传突变导致的疾病都不能进行有效的治疗。近年来，随着基因编辑技术的兴起与技术革新，基因治疗逐渐成为现实。目前针对血友病、地中海贫血、严重联合免疫缺陷病、脂肪代谢紊乱、眼部遗传疾病和肿瘤等一系列的疾病，开展了大量的基因治疗临床试验，现已有少数基因药物获批临床，基因治疗已展现出巨大的前景和市场。
基因治疗核心技术主要包括基因编辑和基因递送两大部分。其中，基因编辑主要依赖于CRISPR等新型基因编辑技术的开发和应用，通过定点敲除、定点敲入等手段，对生物个体进行精准、
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