第一节　干细胞与再生医学的概念

干细胞与再生医学是通过研究干细胞增殖、分化、迁移等机制，研究机体组织的创伤修复与再生，寻找促进机体自我修复与再生的新途径，并最终达到利用干细胞来构建新的组织与器官的目的，从而实现器官损伤性疾病的修复性治疗。

干细胞与再生医学发展需要分子生物学、细胞生物学、发育生物学、信息科学与系统生物学等基础医学及临床医学的推动。主要研究再生是在什么地方产生的？什么因素启动了再生？什么因素抑制了再生？再生的干细胞来自哪里？干细胞如何增殖、迁移到指定的位置和分化成熟？这些机制与纤维化作用机制有何不同？再生医学就是探寻这些再生的机制，利用它们去寻求组织细胞损伤治疗的方法，以刺激那些不能自发再生或再生能力低下的组织器官实现功能性的再生和修复。

一、干细胞的概念

干细胞（stem cell）是一类具有自我更新（self-renewal）能力和多向分化潜能（multilineage differentiation）的未分化或低分化的细胞（图1-1）；是在特定的条件下可以分化成不同功能细胞的一类原始细胞；干细胞也可通过旁分泌作用影响其他细胞的生物学特性。

从胚胎到成体几乎任何组织器官都存在干细胞。干细胞是组织器官再生的来源，是研究和实践再生医学的最重要的先决条件。干细胞作为再生的种子细胞涉及再生医学的几乎所有领域。

目前，干细胞研究主要集中于在多能干细胞和单能干细胞。多能干细胞来源包括胚胎干细胞、成体干细胞和重编程干细胞；单能干细胞来源主要为成体干细胞。

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领域。在基础研究方面，通过对干细胞生长、迁移、分化的分子调控机制的了解，有助于认识器官形成、修复和功能的重建等基本生命规律，研究再生的机制和促进再生的方法。可以在体外扩增和诱导干细胞进行定向分化，从技术上发展符合临床标准的单一种类干细胞的扩增方法，并研究干细胞移植入体内后的增殖、迁移和分化，直至功能的重新构建。在临床应用方面，科学家们已成功地在体外将人胚胎干细胞分化为肝细胞、内皮细胞、心肌细胞、胰腺细胞、造血细胞和神经元等。在组织干细胞方面，科学家们能够成功地从皮肤、骨骼、骨髓和脂肪等多种组织器官中分离培养出干细胞，并尝试将这些细胞用于疾病治疗。利用干细胞构建各种组织、器官，并将其作为移植的来源，这将成为干细胞一个重要应用的方向。

干细胞可以用作肿瘤、移植和心血管疾病及其他人类疾病资源的研究或治疗，干细胞在生命科学、新药试验和疾病研究这三大领域中具有的巨大研究和应用价值，现已广泛应用于医药再生细胞替代治疗和药物筛选等研究领域，成为世界关注的焦点。

干细胞治疗将有可能为解决人类面临的许多医学难题提供保障，如意外损伤、放射损伤等患者的植皮，神经的修复，肌肉、骨及软骨缺损的修补，髋、膝关节的置换，血管疾病或损伤后的血管替代，糖尿病患者的胰岛植入，癌症患者手术后大剂量化疗后的造血和免疫重建，切除组织或器官的替代，部分遗传缺陷疾病的治疗等。

二、再生医学的概念

再生医学（regenerative medicine，RM）是一门研究如何促进创伤与组织器官缺损生理性修复以及如何进行组织器官再生与功能重建的学科。广义上讲是一门研究如何促进组织器官创伤或缺损生理性修复，以及如何使组织、器官再生与功能重建达到临床治愈的新兴学科，即任何与再生修复有关的内容都可以包含在再生医学范畴内。而狭义上讲再生医学是利用创新的医疗手段研究和开发用于替代、修复、改善或再生人体各种组织器官的科学。主要通过研究干细胞进行创伤修复与再生的机制，寻找促进机体组织器官自我修复的方法，乃至于构建新的组织与器官达到改善或修复损伤组织和器官功能的目的。目前，主要是通过植入干细胞到组织与器官来修复和替代受损、病变与有缺陷的组织与器官，使之功能恢复和结构重建，从而达到再生的目的。

再生医学是一门综合性很强的交叉学科。它的范畴涉及干细胞研究、组织工程、细胞与分子生物学、发育生物学、生物化学、材料学、生物力学以及计算机科学等诸多领域，包括基因治疗、组织工程、组织器官移植、组织器官缺损的再生与生理性修复及活体组织器官再造与功能重建等多方面的研究内容。

干细胞是再生医学的基础和灵魂，可以说再生医学的诞生和发展取决于干细胞研究的进展程度。再生医学主要涉及干细胞研究的两个方面：首先，利用干细胞的可塑性，经体内外诱导或基因修饰等方法使其向目的细胞转分化，从而达到治疗目的。主要的研究细胞是胚胎干细胞和成体干细胞。其次诱导一些成体细胞逆转为干细胞或干细胞样细胞。这主要是利用细胞的去分化和逆分化特性来实现。这一类研究在近几年逐渐成为热门，并获得了相当大的突破。其标志性事件就是诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPS cell）的诞生。

再生医学不等同于组织工程学，实际上组织工程是再生医学治疗手段的一种体现，同时，它也提升了再生医学的广度和深度。国际再生医学基金会（international foundation regenerative medicine，IFRM）明确把组织工程定为再生医学的一个分支。组织工程学会也与再生医学学会合并为一个统一的学术组织。较之最初的组织工程范畴，组织工程内容随着再生医学概念的引入而逐渐丰富，如干细胞治疗、细胞因子和基因治疗等，凡是能引导组织再生的各种方法和技术均被列入组织工程范畴。而组织工程因为提出了复制组织、器官这一全新的理念，进而促进了再生医学的形成和完善。

再生医学还涉及分子生物学的诸多领域，目前，研究的焦点包括构建理想的转基因载体系统，完善治疗基因的导向性和在体内的表达调控。研究涉及组织再生的新的生长因子和生长因子新的功能，研究生长因子的特殊启动子和转录因子水平上的基因调节，通过对特定分子序列的认识，来设计靶基因等。

此外，纳米技术的应用，使人们得以在分子水平观察、模拟组织再生。计算机辅助技术、缓释技术等的应用也大大促进了再生医学的不断发展。

随着干细胞移植技术的日臻成熟，对再生医学的发展起到了巨大的推动作用。但是，目前移植治疗面临供体少、临床应用适应症较少、个体排斥反应大等问题，无法满足实际的需求。通过再生机制的研究，诱导体内干细胞再生修复组织与器官必将给再生医学带来新的发展，也将成为再生医学的最终目标。

三、干细胞与再生医学在生命科学中的地位

干细胞与再生医学代表了现代生命科学发展的前沿，即将成为主流的科学研究领域，对医学的发展具有引领作用。其相关基础与应用研究和现代生物医学技术的结合，将使人类修复和制造组织器官的梦想得以实现，也是医学科学发展的必然方向。

再生医学研究不仅是衡量一个国家生命科学发展水平的重要指标，还具有十分重大的社会效益和经济效益，因此引起了各国政府、科技界和公众的高度关注。

四、干细胞与再生医学的研究意义和必要性

干细胞研究及其转化应用为许多重大疾病的有效治疗提供了新的思路和工具，具有巨大的社会效益和经济效益。干细胞不仅可以用于组织器官的修复和移植治疗，还将促进基因治疗、基因组与蛋白质组研究、系统生物学研究、发育生物学研究、新药开发与药效、毒性评估等领域的发展。目前，干细胞研究及其转化医学已经成为各国政府、科技和企业界高度关注和大力投入的重要研究领域，成为代表国家科技实力的战略必争领域。

尽管中国在干细胞研究领域已经取得了长足的进步，获得了一批创新性研究成果，但在干细胞基础理论、核心技术及转化应用方面与美国等发达国家还存在一定差距，亟须国家在干细胞基础与转化方面持续加强投入与布局，整体提升我国在干细胞及其转化应用领域的核心竞争力。

五、干细胞与再生医学的关键技术

干细胞与再生医学领域的核心任务是开发出干细胞新型先进技术；弄清组织与器官的形成规律，建立组织与器官的体内体外生产技术平台；完善再生医学基础研究、应用研究和临床研究，实现再生医学的临床应用，运用干细胞与再生医学的创新成果治疗疾病。

干细胞与再生医学的实践，依赖一系列技术与理论的突破。其中干细胞及其相关技术是再生医学的核心。具体的关键技术包括：体细胞重编程技术、动物体细胞克隆技术、胚胎干细胞技术、成体干细胞技术、组织工程技术体系、器官发育技术和移植的安全性与有效性评价技术等。