《中国学科发展战略·再生医学》：
第一部分 再生医学发展现状与趋势
第一章 再生医学概述
20世纪是生命科学和医学飞速发展的100年——DNA双螺旋结构的发现、聚合酶链反应等分子生物学技术的日新月异以及人类基因组测序工作完成等一大批成果，使人类开始从分子水平上重新认识生命现象的本质。在众多新医疗技术的保护下，人类的平均寿命逐年延长，人类认识和保护自身健康的能力有了长足的进步。但进人21世纪后，新的健康问题接踵而至，心脑血管疾病、癌症、代谢性疾病（如糖尿病）和多种退行性疾病（如帕金森病）的发病率逐年上升。由于缺乏有效的治疗手段，这些疾病已成为人类生命的主要威胁，由此引发的一系列问题给社会带来沉重的负担。再生医学的发展以上问题的了新的。
近年来，随着干细胞培养技术和生物材料科学的发展，再生医学成为国际生物学和医学界备受关注的研究领域，成为继药物治疗、手术治疗之后的第三种疾病治疗途径。1999年以来，干细胞与再生医学相关研究九次人选《科学》（Science）杂志十大世界科技进展。目前，干细胞与再生医学正处于重大科学技术革命性突破的前夜。《科学》杂志高级主编Davenport先生曾说，21世纪的再生医学研究与20世纪抗生素的发明具有同等重要的意义。再生医学已成为现代临床医学的一种崭新的治疗模式，其前沿性与现代医学研究手段和理念的结合将推动医学学科迅速跨上一个前所未有的高度。
第一节再生医学概述
一、再生医学的概念
再生医学是一个涉及干细胞、组织工程、细胞与分子生物学、发育生物学、生物化学、材料学、工程学、生物力学、计算机科学等多个学科领域的新兴学科。再生医学是通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及干细胞分化机制，寻找有效的生物治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官，以改善或恢复损伤组织和器官的功能的科学。广义上讲，再生医学是一门研究如何促进创伤与组织器官缺损生理性修复及如何进行组织器官再生与功能重建的学科，主要通过研究干细胞分化及机体的正常组织创伤修复与再生等机制，促进机体自我修复与再生，并最终达到构建新的组织与器官以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能的目的。狭义上讲，再生医学是指利用生命科学、材料科学、计算机科学和工程学等学科的原理与方法，研究和开发用于替代、修复、改善或再生人体各种组织器官，其技术和产品可用于因疾病、创伤、衰老或遗传因素所造成的组织器官缺损或功能障碍的再生治疗。随着基因工程、组织工程、材料科学的发展，以及干细胞研究的不断深入，再生医学的内涵也不断扩大，它包括基因治疗、组织工程治疗、组织器官移植、组织器官缺损的再生与生理性修复以及活体组织器官的再造与功能重建等几个方面。国际再生医学基金会（IFRM）已明确将组织工程定为再生医学的分支学科。
二、再生医学的研究领域
再生医学主要包括干细胞、组织工程、细胞治疗、器官移植等多个研究领域。其中，干细胞与组织工程研究是再生医学的核心内容。
干细胞是具有自我更新能力，在特定的条件下可以分化成不同类型功能细胞的一类原始细胞。干细胞技术及应用能够突破传统医学发展的限制，有望解决人类面临的重大医学难题。目前，干细胞研究主要集中在多能干细胞和能。多能包括、成体和重程
胞，单能干细胞来源主要为成体干细胞。胚胎干细胞来源于胚胎囊胚期的内细胞团，能够在体外大量增殖，具有很强的自我更新能力和多胚层分化潜能。胚胎干细胞的定向诱导分化为细胞替代性治疗提供了可能的细胞来源，但免疫排斥和伦理学问题限制了其应用。脑、骨髓、外周血、血管、骨骼肌、皮肤和肝等成体组织都有组织特异的成体干细胞。其中，造血干细胞是应用最的成体，广应用免疫系统等的治疗。但大部分组织成体干细胞分离和体外培养扩增仍然较为困难，从而限制了其大规模临床应用。诱导多能干细胞（iPS细胞）是近期全球研究热点。2006年，日本京都大学教授山中伸弥等通过表达4个转录因子将小鼠成纤维细胞重编程为iPS细胞，随后通过同样的转录因子获得了人iPS细胞。iPS细胞具有胚胎干细胞的生物学特性，包括自我更新的能力和三胚层分化的潜能，为细胞替代治疗开辟了全新的领域。目前，在糖尿病、肝病、神经系统疾病、眼部疾病等领域已开展了iPS细胞临床前研究。
造血干细胞移植是发展最早且最成熟的干细胞移植技术。随着干细胞分离、动员、扩增和保存等相关技术的发展，造血干细胞移植已经从最初的骨髓造血干细胞移植发展为动员后外周血干细胞移植。利用造血生长因子或动员剂，可把造血干细胞从骨髓动员（mobilization）到外周血液。新型技术使外周血造血干细胞治疗方案应用逐渐提高，目前至少有6种疾病可以通过造血干细胞移植来治疗，包括癌症（如白血病、淋巴癌、骨髓癌、神经母细胞癌）、各种遗传性血液病（如镰状细胞贫血症、地中海贫血症），还有其他自体免疫疾病、辐射损伤等。除造血干细胞外，胚胎干细胞与其他成体干细胞、多潜能干细胞在再生医学领域的应用也不断扩大，尽管大部分干细胞的研究还处于临床前阶段，但部分成体干细胞已经从临床前研究阶段进入临床试验）部分成体干细胞的产品已经上市，但要真正实现临床应用推广还需要进一步的临床数据积累。干细胞的种类及其在再生医学中的应用方向见表1-1。以胚胎干细胞的研究为开端，各种类型干细胞的重要性开始受到瞩目。随着各种干细胞及其调控生长因子陆续被发现，干细胞技术及产品已经成为再生医学研究领域的主流和基础。
组织工程学是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理，研究开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物的一门科学。组织工程学能以少量种子细胞经体外扩增后与生物材料结合，构建出新的组织或器官，用于替代和修复病变、缺损的组织器官，重建生理功能。与传统的自体或异体组织、器官移植相比，它克服了“以创伤修复创伤”、供体来源不足等缺陷，从根本上解决组织、器官缺损的修复和功能重建等问题。世界各国对组织工程基础研究、心肌修复、骨组织修复等重要器官修复及产品等方面给予了充分的重视，部分国家成立了规模较大的组织工程研究中心和尖端医疗中心，为组织工程应用研究、医药产品的临床试验以及医疗设备研制奠定了基础。
三、学科交叉
再生医学综合了干细胞、组织工程、细胞与分子生物学、发育生物学、生物化学、材料学、工程学、生物力学、计算机科学等多个学科最新进展，横跨基础研究、转化研究、产品开发、临床应用多个领域。例如，干细胞作为再生医学的重要手段与研究核心，涵盖了基础与临床医学多个方面。在基础研究方面，干细胞成为生命科学研究的重要模型，有助于我们更进一步探索人体内各种生理及病理反应的分子机制，认识细胞生长、分化和器官发育等基本生命现象的规律，阐明重大病症（如癌症、遗传性疾病、组织退行性病变及自身免疫性疾病等）的发病机制。由干细胞衍生的相关模型，还可作为药物和功能基因筛选的理想平台。利用干细胞构建各种组织、器官作为移植的来源将成为干细胞应用的主要方向。体内干细胞变异所导致的各类疾病成为医学领域的研究热点之一。在临床应用方面，干细胞可以应用到人类面临的众多医学难题中，例如，各种损伤患者的植皮，肌肉、骨及软骨缺损的修补，髋、膝关节的置换，血管疾病治疗或损伤后的血管替代，糖尿病患者的膜岛植入，癌症患者手术后大剂量化疗后的造血系统和免疫系统重建，切除组织或器官的替代，以及部分遗传缺陷疾病的治疗等。
第二节再生医学的发展历程
20世纪初就有科学家提出“干细胞”这个概念，然而直到1963年，才由加拿大研究员McCulloch和Till首次通过实验证实了干细胞的存在。他们发现小鼠的骨髓中存在可以重建整个造血系统的原始细胞，即造血干细胞。从造血干细胞发现开始，至今再生医学的发展经历了三个重要的里程碑事件（图1-1）。
第一个里程碑源于1981年小鼠胚胎干细胞（ES细胞）系和胚胎生殖细胞系建系的成功，这项成果直接导致了基因敲除技术的产生，也是再生医学理论诞生的标志。1981年，MartinEvans和GailMartin分别建立了小鼠ES细胞系，而该项成果也让MartinEvans和另外两位科学家获得了2007年的诺贝尔生理学或医学奖。小鼠ES细胞具有在体外无限增殖的能力，通过长期的体外培养和遗传修饰，经显微注射引人受体囊胚的人ES细胞可以分化为成体的各种组织，并整合人生殖系。小鼠ES细胞的分离和应用是干细胞技术发展过程中的里程碑，其与同源重组技术的结合使在哺乳动物整体水平上定向改变和修饰遗传物质成为可能。
图1-1再生医学发展历程
第二个里程碑始于1998年美国科学家成功培养出世界上第一株人类胚胎干细胞系。Thomson和Gearhart两个小组分别报道了他们用不同材料方法成功分离建立了具有多方向分化潜能和永久增殖能力的人ES细胞系和人胚胎生殖细胞（EG细胞）系，两者统称为人胚胎干细胞系。在此基础上，科学家将胚胎干细胞定向分化以构建组织和器官，用来替代和修复疾病损伤及老化的组织器官，以达到治疗与康复的目的。
第三个里程碑是2006年年底日本京都大学山中伸弥通过转染转录因子基因使小鼠皮肤细胞重编程转化为类ES细胞的iPS细胞。2007年，美国威斯康星大学汤姆逊和山中伸弥实验室又同时报道了该技术可以诱导人皮肤成纤维细胞转变成为iPS细胞。这项成果意味着胚胎干细胞伦理瓶颈问题被攻克，并丰富了细胞逆分化和谱系转化的理论。体细S包重编程技术使得在不使用胚胎或卵母细S包的前提下制备疾病胚胎干细胞成为可能。一系列新技术的突破再次向人们展示了干细胞的广阔应用前景。
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