当传统的实验室模型失败时，来自松鼠、海豹和其它物种的干细胞可以给研究人员提供帮助。

2007年，Wei Li已经确定了他认为研究色彩视觉的完美模型：十三条纹地松鼠（Ictidomys tridecemlineatus）。这些松鼠是常见的草原居民，它们用自己的后腿站立，像猫鼬一样打量周围的环境。在它们的视网膜中，有大约86 %的感光细胞是锥体细胞，它们能对各种波长的颜色作出反应。在人类和小鼠中，锥体细胞只占不到10 %的比例。但松鼠生物学特性，让Li不得不搁置他的想法。

因为陆地松鼠会冬眠，所以每年有6个月，Li的研究对象都会在冷库里睡觉。而位于马里兰州贝塞斯达的美国国家眼科研究所（National Eye Institute）的视觉研究员Li和他当时的博士后研究员Jingxing Ou清楚，来自如大鼠、小鼠、果蝇甚至人类的传统模型的细胞，都不会给他们提供所需要信息，因此，他们选择从松鼠身上获取干细胞。他们从成年松鼠身上获得细胞，将它们重新编程至胚胎期的、未分化状态，即所谓的诱导多潜能干(induced pluripotent stem, iPS)细胞，然后促使这些细胞形成他们所需的视网膜组织。

Li只是众多无法使用传统模型回答生物学问题的研究人员之一。研究肺部疾病（包括COVID-19）的研究人员经常使用雪貂作为研究对象，因为它们的支气管比小鼠或大鼠的气管更接近于人类器官。其他研究者则转向干细胞来研究物种的特异性状，或制造濒危物种的配子以达到保护目的。Li表示，如果是容易接近或获取原代细胞比较容易的动物，则可能不需要iPS细胞。但如果不是这样，那么iPS细胞是研究物种内在特征的下一个最佳选择。

做出有效的细胞系并不容易，从重编程成体细胞到诱导产生干细胞的准确分化，每一个实验步骤都需要独创性和分析解决问题的能力。为普通实验室模型设计的方案必须针对其它物种进行调整和优化，研究人员经常发现自己在盲目前行，既没有可参考的基因组，也没有细胞独特的生物学知识来指导他们。加州拉霍亚的斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的干细胞生物学家Jeanne Loring表示，这有点像细胞培养的直觉，需要能够提出自己的一套技术方案。

未开辟的领域

iPS细胞一般是通过使用四种DNA结合蛋白（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc）而创建的，这四种蛋白以其发现者Shinya Yamanaka的名字统称为Yamanaka因子（Yamanaka factor）。研究人员将编码这些转录因子的基因传递给培养的细胞，然后观察多能性的迹象，包括细胞形状和基因表达的变化。

Loring和她的团队已经从他们在人类细胞的iPS细胞创建中熟悉了这一过程。他们在加州圣地亚哥动物园保护研究所（San Diego Zoo’s Institute for Conservation Research）的实验室之行中的一次偶然谈话促使他们探索在濒危物种中尝试这一过程的可能性。该研究所主办的“冷冻动物园”（Frozen Zoo），保存了大量动物的冷冻细胞，包括常见的和濒危的物种。Loring表示，以前从来没有人尝试对一个物种用另一个物种的因子进行重新编程。

Loring提醒，每个物种都有独特的需求，研究人员可能需要尝试几十种载体、转录因子来源和培养条件的组合。对于极度濒临灭绝的北方白犀牛（Ceratotherium simum cottoni），她的团队发现，细胞需要比人类实验方案所需的更高剂量的Yamanaka因子，而且其中有一个因子是多余的。

由于重编程过程往往效率不高，雅典乔治亚大学（University of Georgia）的干细胞研究员Steven Stice建议研究人员从容易增殖的细胞培养开始操作。被称为“成纤维细胞”（fibroblast）的皮肤细胞是一个常见的起点，因为收集它们比较容易，但它们在一些物种中也很难被重编程。Stice曾用成年猪、牛和家畜物种的成纤维细胞构建iPS细胞，但在构建鹌鹑时，转而使用了胚胎成纤维细胞。据Stice解释，因为胎儿细胞不太可能衰老，所以增加了成功的几率。

就他而言，当Ou从成年松鼠细胞转换成来自新生幼崽的神经前体干细胞，以及从小鼠重编程因子应用到人类对应的细胞时，他成功了，也许是因为地松鼠的基因与小鼠的基因相比与人类的更相似。现任是中国广州中山大学（Sun Yat-sen University）干细胞研究员的Ou表示，啮齿动物的实验方案总是失败。

新西伯利亚俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）的干细胞研究员Aleksei Menzorov表示，另一个选择是克隆物种自身的基因来制造Yamanaka因子。但对许多物种来说难度很大，包括Menzorov研究的环斑海豹（Phoca hispida），因为基因组序列并不总是可获得的。他表示，在资源有限的情况下，使用标准的Yamanaka因子更容易。

为了将这些因子传递到培养的细胞中，研究人员建议从慢病毒或逆转录病毒载体开始尝试，因为它们能整合到宿主细胞基因组中，所以很容易被检测到。但有时，基因组必须保持不变，比如在治疗学和生殖研究中的应用。这是因为即使是微小的差异也可能引发致癌突变。而在配子中，病毒可能会意外地改变一个物种的固有基因组，Loring表示，重要的是不要留下“足迹”。

Loring的团队使用不整合到基因组中的仙台病毒载体，为濒临灭绝的北方白犀牛制造干细胞。而洛杉矶南加州大学（University of Southern California）的干细胞研究者Amy Ryan则使用了一种被称为质粒（plasmid）的非整合到宿主基因组的环形DNA分子来进行雪貂的研究。

生长介质和培养皿上的表面涂层的差异也会影响重编程。胎牛血清是生长因子的丰富来源，通常被添加到小鼠干细胞培养中。但Stice发现，血清白蛋白和确定的生长因子的混合往往会产生更好的结果。他表示，血清可能是最好的选择，但iPS细胞有时很挑剔，喜欢特定的添加成分。

衡量成功

与原本是扁平的，并在培养皿中伸展的成纤维细胞不同，人类和小鼠的iPS细胞通常是圆形的，并形成紧密的细胞集落。在其它物种中，iPS细胞看起来是有区别的，例如，形成了许多产生扁平、松散的颗粒状细胞集落。Loring表示，即便如此，iPS细胞集落和其亲代培养之间的物理差异往往是“第一个附赠品”，因为诱导已经起作用了。

除此之外，研究人员通常通过确认细胞能够分化成三个原始生殖层组织（内胚层、中胚层和外胚层）来评估其多能性。而且他们经常使用核型分析（一种能使细胞的染色体分散并计数的过程）来确认重编程过程没有引入重大的基因异常，这是一种罕见但可能存在的结果。

Ryan和她的团队发现雪貂干细胞难以维持和分化，这可能是因为这些细胞从其起源的组织中保留了化学标记，称为“表观遗传标记”（epigenetic marker）。Ryan认为肯定有一些表观遗传修饰阻碍了多能性。

事实上，表观遗传学使干细胞生物学家在多个层面上感到困惑。东京庆应大学（Keio University）的干细胞科学家Hideyuki Okano和日本熊本大学（Kumamoto University）的Kyoko Miura是成功从裸鼹鼠（Heterocephalus glaber）中生成iPS细胞的科学家之一。他们发现，他们必须通过抑制肿瘤抑制基因的表达来覆盖表观遗传信号，以改善干细胞的形成能力。

跨物种观点

Ou表示，表观遗传标签也可能影响干细胞的分化方式。从非模型生物的iPS细胞中制造有用的工具，最具挑战性的是开发一个良好的分化方案。他已经掌握了将松鼠干细胞分化成视网膜样类器官的技术，但却难以为一个不同的项目制造心肌细胞。而当Menzorov使用一种专门用于生长神经元的培养基时，他最终得到的却是贮脂细胞和骨细胞，而这些细胞通常需要特定的生长因子才能形成。Ou表示，在没有任何添加物的情况下，在另一种介质中产生脂肪细胞是意想不到的，非常有趣。

与来自模型生物的生长因子相比，一些细胞在自身物种生长因子的作用下分化得更好。在肺部细胞的研究中，Ryan正致力于生产雪貂版的FGF2因子，她发现该因子对维持多能干细胞系和使它们分化至关重要。她表示，对于其它生长因子来说，起源物种却并不那么重要。

这样的差异可以深入了解其它物种的生物学，往往对我们自己也有提示作用。例如，Miura指出，了解如何从抗癌生物体中制造干细胞，可以揭示出相反的方法：即减少基于人类干细胞的疗法的风险可能无意中导致癌症。重编程过程和肿瘤发生有几个共同的特点。

从Li的松鼠干细胞中分化的神经元也产生了惊喜。不同于在低温下破裂的人类细胞中的细胞骨架，由松鼠iPS细胞衍生的神经元中的细胞骨架能保持其完整性，这可能是动物进化成可以承受冬眠的一种特征。Li认为，干细胞使我们能够探索这些关键的细胞过程，有些功能可以在细胞培养中发现，否则就无法发现。

原文检索：
Jyoti Madhusoodanan. (2020) A menagerie of stem-cell models. Nature, 585: 623-624.
郭庭玥/编译

图片展示的就是在实验室里培养的人体组织图像，其中的神经元细胞就是通过诱导干细胞分化、发育而来的。

目前，已经出现了将干细胞技术与基因治疗技术结合起来的商业化应用项目，这将给多种疾病的临床治疗工作带来革命性的改变。

David Vetter出生之后，有20秒暴露在我们这个真实的世界当中，除此之外，其它时间全都呆在封闭的“塑料世界”里，这是因为小David患有严重联合免疫缺陷病（severe combined immunodeficiency, SCID）。SCID是一种遗传性疾病，患者的免疫系统被严重破坏，功能相当低下，甚至完全没有免疫保护功能。因此，他们只能呆在全封闭的洁净舱内，避免被病原体感染。后来，小David接受了骨髓移植治疗，可不幸的是，隐藏在移植骨髓里的一种潜伏病毒夺去了他的生命。David于1984年，12岁时不幸夭折。

就在几年以前，接受骨髓移植还一直是这类患者恢复健康的唯一希望。不过现在可不一样了，干细胞和基因治疗这两大飞速发展的技术已经结合起来，让SCID患者看到了彻底治愈疾病的新希望。

不仅仅是免疫缺陷病患者，其他疾病患者，如艾滋病患者，或者血液疾病患者等也都能从这种新疗法中获益。

由于患有SCID，David Vetter出生之后就一直呆在这个封闭的洁净舱里。现在，最先进的新技术有望帮助这类病人重建机体的免疫功能。

来源

干细胞是人体内每一种细胞的源头。近十年来，科研人员已经发现了控制干细胞（包括胚胎干细胞和成体干细胞）分化过程（differentiation process）的方法，能够诱导干细胞分化为神经细胞、血管细胞和心肌细胞等各种终末细胞。

鉴于此，理论上，干细胞可以源源不断地为我们提供各种人体“建筑材料”，用健康的新细胞替换人体内生病的细胞，来治疗各种疾病。比如替换发生退行性变的神经元细胞，治疗帕金森氏病（Parkinson’s disease）等。还可以替换坏死的胰岛beta细胞，来治疗1型糖尿病，或者替换坏死的心肌细胞，治疗心肌梗死等。

科研人员除了开展干细胞研究，寻找如何提高干细胞治疗疗效的方案，同时也在开展基因治疗研究，希望修正人体内突变的致病基因，使其恢复正常，或者在人体内插入一个有益的基因，生产出有益的蛋白质产物，来治疗疾病。这两项技术结合起来，将爆发出巨大的潜力，既能够修正致病突变，又能给人体添加新的、健康的细胞。

美国哈佛大学干细胞研究中心（Harvard’s Stem Cell Institute）的副院长Doug Melton表示，生物学的基本元素其实就两个，第一是遗传密码，第二就是细胞是构成生命的基本单元。现在，这两点我们都已经掌握了，如果将它们结合在一起，那将会打造出一个前所未有的、能够操控生命的新技术。

修补基因组

目前，干细胞和基因治疗相结合已经有了结果，出现了第一款结合了这两项技术的商业化应用项目。新药Strimvelis于2016年在欧洲获批上市，用于治疗腺苷脱氨酶严重联合免疫缺陷病（adenosine deaminase severe combined immunodeficiency, ADA-SCID）。

ADA-SCID也是一种遗传性疾病，患者体内的ADA编码基因出现了突变，因此不能产生正常的ADA酶，而正常的ADA酶是机体维持免疫功能必不可少的要件。Strimvelis是一种基因治疗技术，它利用患者自身的造血干细胞（haematopoietic stem cell）来纠正患者体内的ADA编辑基因突变。

我们知道，病毒在感染宿主细胞之后，就会在细胞里复制，生产大量病毒的核酸遗传物质。基因疗法主要就是借助病毒来实现治疗目的，将病毒携带的目标遗传物质带入不健康的细胞，完成修复。比如，在治疗ADA-SCID时，先从患者体内采集得到干细胞，然后让携带有正常ADA基因的病毒感染这些干细胞，完成基因修复。这些改造好的干细胞被回输到患者体内，这就完成了整个基因治疗工作。

意大利San Raffaele Telethon基因治疗研究所（San Raffaele Telethon Institute for Gene Therapy in Italy）的Alessandro Aiuti回忆起了他的第一位接受Strimvelis治疗的患者。那还是在21世纪之初，干细胞回输完成之后，他们经历了焦急的等待历程，迫切的想看看结果是否如大家所愿。

Aiuti记得，当他们第一次看到术后的血细胞计数的结果时，大家那种兴奋的心情。Aiuti等人终于看到了患者体内有了新生的淋巴细胞和白细胞等免疫细胞了。然后，他们给患者接种了麻疹（measles）疫苗和水痘（varicella）疫苗，结果都产生了相应的保护性抗体。这表明，ADA-SCID患者再也不用担心病原体感染了，他们终于获得了正常的免疫保护力。

在2000年至2011年间，一共有18位ADA-SCID患者接受了Strimvelis疗法治疗，并且全都活了下来，不幸的是，在未接受治疗的对照组里，婴幼儿全都没能活过2岁。

脑白质营养不良（leukodystrophies）是一种非常罕见的神经系统退行性遗传疾病，也是非常适合采用干细胞联合基因治疗技术来干预的。异染性脑白质营养不良（metachromatic leukodystrophy）患者体内的遗传突变会导致芳基硫酸酯酶A（arylsulphatase A enzyme）缺乏，从而使患者体内缺少髓磷脂（myelin）——构成神经元轴突髓鞘的必需物质，是保护神经元突起的“盔甲”。较早发病的这类患儿，很少能够渡过儿童期。

美国Dana-Farber波士顿儿童肿瘤及血液病中心（Dana-Farber/Boston Children’s Cancer and Blood Disorders Center in the US）的Alessandra Biffi对这种疾病产生了兴趣。他希望通过干细胞移植，生成大量健康的小神经胶质细胞（microglia），表达出足够的芳基硫酸酯酶A，来治疗这种疾病。

但是初期的实验结果并不理想，看来仅仅补充小神经胶质细胞，还不足以生产出足够的芳基硫酸酯酶A，从而达到治疗的目的。

据Biffi介绍，他们尝试提高整个流程的效率，使用慢病毒载体（lentiviral vectors）对患者自身的干细胞进行改造，结果提高了芳基硫酸酯酶A的表达水平。

采集患者自身的造血干细胞，然后利用病毒载体植入正常的芳基硫酸酯酶A编码基因，同时还植入了另外一个基因，来提供芳基硫酸酯酶A的表达量。经过这样一番改造，这些干细胞被回输给患者之后，表达出了大量的芳基硫酸酯酶A。目前，已经招募了9名早发型患儿，来开展临床试验。

Biffi表示，实验结果非常好，如果能在患儿表现出临床症状之前就对他们进行治疗，那么就几乎不会再表现出临床症状了。

这两项临床研究使用的方法都一样，都是将改造过的干细胞回输到患者体内，然后这些干细胞就能生成新的、健康的细胞，完成治疗。

意大利Modena & Reggio Emilia大学Stefano Ferrari再生医学中心（Centre for Regenerative Medicine ‘Stefano Ferrari’ at the University of Modena and Reggio Emilia in Italy）的Michele De Luca将技术又向前推进了一步，他们使用患者自身的皮肤干细胞为原材料，培育出皮肤组织，再进行植皮，用来治疗大疱性表皮松解症（junctional epidermolysis bullosa）。

2017年，一位大疱性表皮松解症患儿接受了De Luca等人的治疗，当时这名患者已经只剩下大约20%的皮肤，生命极度垂危。De Luca等人采集了这名患者的皮肤表皮干细胞，借助病毒载体，将正常基因转入干细胞内，然后在体外培养，并大量增殖这些改造好的干细胞。患儿接受了干细胞移植之后，长出了健康的皮肤，并且再也没有发病了。

不过De Luca指出，他们的这种疗法与治疗ADA-SCID或脑白质营养不良不同，并不能彻底治愈大疱性表皮松解症，只是用纠正突变基因的方法，对受损的皮肤组织进行了修复。

修正点突变遗传变异

镰状细胞贫血（Sickle cell disease）是基因治疗的首选疾病，因为这只需要修正血红蛋白编码基因里一个氨基酸的编码序列就够了，而且可以治疗数百万人。

临床前小鼠动物实验表明，CRISPR–Cas9技术可以对20~25%的造血干细胞进行基因修正。美国加州大学旧金山分校Benioff儿童医院血液及骨髓移植中心（blood and bone marrow transplant programme at the UCSF Benioff Children’s Hospital in the US）的Mark Walters表示，这个修正效率，对于临床治疗来说，已经足够了。

接下来就是开展人体临床试验了，不过这种自体干细胞移植还存在一定的风险和副作用，而且我们更加不太清楚，CRISPR–Cas9技术的脱靶问题可能会带来哪些不良的结果。Walters表示，除了修正镰状细胞贫血致病突变之外，人体基因组内还有哪些序列会被改变呢？

由于基因修正试验是在体外完成的，因此，我们有机会筛选出最好的遗传改造干细胞，然后将这些细胞回输给患者。不过，这也不能保证，一定会获得好的临床结局。

Walters提醒，设想一下，有一些非常罕见的意外，而且是我们无法检测的，有可能在多年之后爆发出来。有可能在两三年之后，才发现患者的病情又进展了，这才是检验一项新的治疗手段最难的地方。这真的就是一次人体实验。 

打造出更好的细胞

美国哈佛大学干细胞研究所的Melton等人也正在研究如何将干细胞技术与基因治疗技术更好地结合起来，不仅仅用来纠正突变的基因，还在想办法如何生产出更好的细胞。他们的研究方向是利用CRISPR–Cas9技术，让干细胞分化为能够分泌胰岛素的胰岛beta细胞，来治疗1型糖尿病。

我们知道，1型糖尿病主要是因为患者自身的免疫系统攻击了自身的beta细胞所致，所以这项工作的难点就在于，如何获得一个有正确比例的细胞组合，避免这些外源的细胞也被患者的免疫系统所消灭。有一种方案就是使用基因编辑技术，去除这些外源细胞表面的主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex, MHC），因为这些MHC就好像是一面面红旗，能够为机体的免疫系统指明攻击的方向。

据Melton介绍，这些MHC基因就好像细胞的广告牌，标明了这些细胞的身份。所以他们的第一步工作就是，利用CRISPR–Cas9技术，拆掉这些广告牌。但是人体内还有一些免疫细胞，会干掉没有这些广告牌的细胞。所以，他们接下来还得想办法解决这个问题，看看如何避免移植细胞被这些免疫细胞消灭掉。

使用类似的策略，我们也可以让人体的T细胞对HIV病毒获得“免疫力”。我们知道，HIV病毒主要通过T细胞表面的CCR5受体蛋白来感染免疫系统，因此，如果将CCR5基因突变掉，就能切断HIV病毒的感染途径，避免被感染。

著名的柏林病人（Berlin patient）在2008年接受了干细胞移植之后（用于治疗白血病），艾滋病奇迹般地痊愈了。这说明，我们有可能利用CCR5受体有突变的干细胞，来清除艾滋病患者体内的HIV病毒。美国威斯康星国家灵长类研究中心（Wisconsin National Primate Research Centre in the US）的Igor Slukvin等人正在利用CRISPR–Cas9技术对干细胞进行修改，尝试生产出CCR5受体基因突变的干细胞，看看是否真的能够治疗艾滋病患者。

Slukvin指出，你可以对这些细胞进行基因修改，让它们不再表达CCR5受体。然后诱导这些干细胞分化出白细胞，从理论上说，这些白细胞就不会再被HIV病毒感染了。Slukvin等人正在开展相关的临床试验，同时还使用另外一种技术破坏了CCR5受体基因，并开展了1期临床试验，但是试验结果尚未公布。

Biffi表示，干细胞技术结合进来之后，终于可以让我们亲眼看到，在十几年前期望出现的、基因治疗的强大功效。近几年来，基因治疗最成功的应用就集中在造血干细胞方面。我们终于看到了基因治疗的美好前景。

原文检索：
BIANCA NOGRADY. (2019) MARRIAGE PROMISES HEALTHY OFFSPRING. BIOMEDICAL SCIENCES | NATURE INDEX: S23-S25.

Eason/编译

https://www.askdrray.com/prolotherapy-and-stem-cell-therapy/

干细胞治疗现状
由于成体干细胞免疫源性低，在应用时避免了移植排斥反应以及长期使用免疫抑制剂对患 者的伤害。相比于胚胎干细胞和诱导多能干细胞，成体干细胞不易形成畸胎瘤，且不存在伦理问题，因而目前上市的干细胞治疗产品的来源均为成体干细胞。来源于胚胎干细胞的治疗产品均处于临床试验阶段，其适应症集中于眼科疾病。
目前全球范围内已批准多款成体干细胞产品上市，如2011年7月，韩国食品药品管理局批准FCB-Pharmicell公司开发的心脏病治疗药物Hearticellgram-AMI。2015年2月，意大利凯西制药公司的干细胞治疗产品Holoclar获得欧盟委员批准，用于治疗成人中度至重度角膜缘干细胞缺乏症 ^[2]。

干细胞治疗面临的挑战
从技术上讲，干细胞来源、数量、移植途径等因素使临床应用结果的评估无法完全客观统一，同时成体干细胞体外长期培养可能会导致细胞衰老，产生遗传变异，其分化能力也受年龄限制。从伦理上讲，关于胚胎干细胞的伦理争议从未停止过。

中国与发达国家的差距
以美国为例，其在干细胞研究领域依然保持着全球领先地位，在美国的监管体系中，FDA负责保证干细胞产品的安全性和有效性，生物制品评估与研究中心（CBER）负责干细胞临床试验、生产及销售等环节，可见其监管主体分工明确，责任明确。此外欧盟、日本和韩国也在干细胞临床及产业化方面走在前列。
我国也在干细胞临床监管领域推行了诸多政策，在2015年，国家卫生和计划生育委员会与食品药品监管总局制定了《干细胞临床研究管理办法 (试行)》及相关技术指南，对干细胞制剂及临床研究过程作了详细的规范，同时指出不再按照第三类医疗技术对干细胞治疗产品进行管理 ^[3]。但是与发达国家相比，我国尚未明确监管机构在干细胞临床试验研究备案受理过程中的具体分工和监管权限，同时干细胞监管文件均无法律层面的强制性要求，且无详细细则。
促进干细胞产业发展的政策建议
•加强干细胞技术管理国际交流合作
应与国际接轨，加强对国外标准、技术法规和政策制定的跟踪研究；
•建立统一质量检验标准
建立规范的质量检验标准有利于提高我国干细胞产业的可信度和安全性；
•明确监管机构具体责任
明确监管机构的具体监管分工，有利于消除监管区空白。

总结
近年来，我国干细胞研究在世界范围内取得了多项突破，我国迄今已有4批35个干细胞临床研究项目经国家卫健委和药监局备案。近期，中国科学院干细胞与再生医学创新研究院启动了干细胞治疗视网膜色素变性、卵巢功能不全及中重度宫腔粘连的3个项目。这些成果均标志着我国正在干细胞治疗领域大步向前，相信随着我国监管体系的日渐成熟、技术领域的不断突破，干细胞治疗的春天不久将会到来。由生物谷和上海市东方医院（同济大学附属东方医院）联合主办的2019(第十届)细胞治疗国际研讨会暨上海市继续医学教育-干细胞库的资源应用与产业化规范将于2019月5月16至19日在上海召开。本次会议以"加快中国细胞治疗产品的上市"为主题，重点聚焦细胞治疗监管政策、实体瘤治疗、细胞治疗临床研究、细胞治疗生产制造工艺，干细胞制备与质控规范、安全与风险管控等主题。参加继续教育考核通过者可授予上海市Ⅰ类继续教育学分10 分。

会议日程：

会议联系人：
 何老师
 E-mail: chunxing.he@medsci.cn
 Mt: 17321087523 或17321098232

参考文献
[1] 姜天娇, and 孙金海. "国外干细胞产品监管现状及对我国的启示." 中国社会医学杂志 33.2 (2016): 117-120.
[2] Ilic, Dusko, and Caroline Ogilvie. "Concise review: Human embryonic stem cells—what have we done? What are we doing? Where are we going?." Stem Cells 35.1 (2017): 17-25.
[3] 柯敏霞, et al. "干细胞模型研究进展及商业化应用的现状." 中国组织工程研究 22.5 (2018): 766-773.

点击阅读原文，报名参加２０１９第十届细胞治疗研讨会：

http://count.medsci.cn/link/redirect/40eae46269e813ba

微流体装置，例如这种“芯片肺”可用作干细胞生物学家的精细的研究工具。

人类干细胞产生的3D微型组织，可用于在体外研究正常人类生物学和人类疾病。

日本庆应大学医学院（Keio University School of Medicine）的干细胞研究人员Toshiro Sato在实验室的显微镜下观察了一个培养皿。不过他看到的不是一片细胞，而是更复杂的结构——肉眼几乎无法看清的球形组织。这些组织就是类器官。在适当的环境条件，干细胞会分化，并排列成与特定组织或器官类似的3D结构。

类器官可由多潜能干细胞（具有分化成任意身体组织类型，例如肌肉、皮肤、肠道和大脑的潜能）分化形成。当在合适的条件下生长时，例如使用特定的生长因子时，干细胞自我组织成与体内组织类似的、由不同细胞组成的结构。相比之下，芯片器官（organs-on-chip, OOC）通常通过将干细胞和已经分化成所需细胞类型的细胞按照位置和结构布置在微型装置上。英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的发育生物学家Madeline Lancaster指出，类器官与OOC之间的区别在于“是自组织，还是人工构建”。

类器官被评为了去年《自然》（Nature）杂志的年度技术，并越来越多地被用于研究正常发育和疾病进展。例如，Sato的研究小组利用类器官来研究肿瘤形成的早期阶段。他的研究小组使用CRISPR基因编辑技术来改变干细胞中的DNA序列，然后研究这些突变如何影响类器官的发育。Sato表示，这种方法通过测试特定突变是否会重演癌症发展来研究因果性。

类器官和OOC在评估药物、化学品和化妆品的功效和安全性方面也很有潜力，并可能被应用于再生医学。哈佛大学（Harvard University）怀斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的创立者Donald Ingber举了个例子：随机临床试验面临的挑战是如何比较治疗效果，因为参与者的遗传学和生活史可以影响他们对候选药物的反应。来自患者细胞的OOC和类器官具有相同的遗传学和临床历史，因此可以消除这些混杂效应。然而，这些技术还有待进一步发展，例如如何扩大生产规模以满足不断增长的基础和应用研究需求，同时提高可重复性，并保持类器官和OOC与其所代表的体内器官的保真度。

培养皿里的器官

研究人员用来制造类器官和OOC的多潜能干细胞包括天然胚胎干细胞（embryonic stem, ES），以及通过诱导已分化细胞（如成纤维细胞）而得到的、具有多能性的细胞，即诱导多潜能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPS细胞）。Lancaster利用类器官来研究基本的大脑发育，并确定自闭症和精神分裂症等复杂疾病的诱发因素，同时使用ES细胞来开发和测试研究方案和新模型。

用于研究遗传性疾病或个性化药物的类器官通常由成体干细胞或iPS细胞制成，这些细胞经过改造后具有患者特异性。荷兰乌得勒支干细胞与发育生物学研究所（Hubrecht Institute）的遗传学家Hans Clevers利用源自肠干细胞的类器官来预测囊性纤维化患者对各种药物的反应。囊性纤维化可由单个基因CFTR中的任何突变引起。尽管临床上已有囊性纤维化的疗法，但是非常昂贵，且仅适用于具有特定突变的患者。Clevers的研究小组现在正在测试源自荷兰600名不携带这些突变的囊性纤维化患者的类器官。其基本原理是，如果药物能导致患者的类器官在测定条件下膨胀，那么患者也可能对该疗法产生反应。

同样，Sato的团队也开发了一种使用成体干细胞产生肠类器官的方法。他现在正参与一项临床试验，以测试由8名患者的干细胞制成的组织是否可被安全地植入肠道，以修复由溃疡性结肠炎引起的损伤。

在癌症研究和药物开发中，类器官已经证明了自身的价值。国际人类癌症模型计划（International Human Cancer Models Initiative）正在开发“二代”类器官模型，其中某些DNA序列已被注释。通过研究临床数据，研究人员可以将他们在类器官上的发现与患者特征和结果联系起来。美国国家癌症研究所癌症基因组办公室（National Cancer Institute’s Office of Cancer Genomics）的主任Daniela S. Gerhard表示，今年晚些时候，人们就可以从美国典型培养物保藏中心（American Type Culture Collection, ATCC）订购这些类器官了。ATCC最开始将提供约150种不同的类器官模型，目前售价尚未确定。由Clevers担任首席科学家的Hubrecht类器官生物样本库（Hubrecht Organoid Technology biobank）提供了数百种来自成体干细胞的不同类型的器官，价格在2000到3000欧元之间（折合1700-2600美元）。Clevers等人使用来自18名患者的结肠直肠癌细胞衍生的类器官来检测83种抗癌化合物。类器官中的耐药模式与已知的耐药突变相对应，表明类器官可用于预测患者对特定药物的反应。

Clevers指出，由ES细胞和iPS细胞衍生出来的组织是研究复杂的发育过程的理想模型，但它们的生产周期较长，可能需要数周或数月；若由成体干细胞构建类器官，则生产周期短一些。由于构建时间短，被引入突变的概率也更小，因此相对于ES和iPS，由成体干细胞构建的类器官的重现性更好。

培养类器官的过程类似于标准的组织培养工作。Sato表示，即便是新入门的研究生，也可以在几周内轻松培育出类器官。Lancaster补充，由干细胞构建组织是一件很容易的事，难点在于结果解读。我们很难确定得到的类器官更像哪些真实组织。

OOC的一致性

有时也被称为微生理系统或组织芯片的OOC是一种可用于培养细胞的、名为微流控芯片的结构化微型器件。与干细胞自发发育的类器官不同，OOC的发育过程是被设计好的。芯片的结构以及细胞的类型和位置决定了出现的组织及其排列方式。对此，加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）的生物工程师Boyang Zhang表示，这意味着OOC通常比类器官更稳定。当然，OOC也可能更复杂，因为开发人员可以添加工程元素，如传感器、促进流体和气体交换的“脉管系统”，以及便于成像的元素，这些元素不能自发地出现在类器官中。

我们可以购买某些组织芯片。开发OOC的生物工程师可以从企业或科研机构那里获得他们的初始芯片。Wyss研究所的一个研究小组利用涂有合成聚合物的显微镜载玻片制成了“芯片心脏”。采用患有先天性心脏病的Barth综合征患者的iPS细胞，研究小组首先诱导iPS细胞分化成心肌细胞，然后在芯片上培养这些细胞以产生可测试功能的组织。研究人员能够证明与Barth综合征相关的突变导致心肌细胞功能异常。他们也能够在体外纠正缺陷。

内耳类器官的横截面。

由Zhang共同创立的TARA Biosystems公司开发了一种名为Biowire的心脏OOC，以用于药物测试。TARA科学家将来自iPS细胞的心肌细胞放入一个微型装置中，细胞会围绕装置中的一根细丝生长。这有助于引导心肌细胞按照功能所需的常规结构进行排列。发育中的“心肌”在电刺激诱导下，成为可以收缩和放松的成熟心肌，并且可以模仿真实心脏组织的功能。例如，施加肾上腺素，心脏OOC收缩会增加。

Nortis公司通过玻璃纤维周围的固化胶原基质来创建OOC，然后将玻璃纤维去除，得到数毫米长的、直径约100微米的空心通道。一旦往管道里接种细胞，组织就会在几天内形成。这种芯片是一次性的，可以运行三个并行实验，售价300美元。

Nortis首席执行官Thomas Neumann表示，干细胞生产OOC的优势将更加突出，因为干细胞在再生医学和个性化医疗上具有重要潜力。但是，他也指出，如果干细胞产生的OOC没有完全分化或成熟，就会产生问题，所以质量保证将变得更加重要。

OOC可被设计成具有很高的复杂度，而这是类器官无法比拟的。例如，OOC可以用来模拟生理特性，如组织拉伸、脉动和蠕动。Ingber在2010年发表的关于肺毛细血管—肺泡界面的微型模型的论文创造了“芯片肺”，开辟了这一领域的先河。芯片上的通道由一侧分隔肺泡细胞，另一侧分布血管细胞的膜分开。而呼吸则可以通过向侧室抽吸空气来模拟。Ingber指出，机械微环境对于获得体内功能至关重要。该团队使用这种模拟呼吸系统来测试纳米粒子的毒性。

我们也可以将多个OOC连接在一起，创建多器官的“芯片身体”模型。康奈尔大学（Cornell University）的生物工程师Michael Shuler的团队已经制作出了一个封闭的OOC系统。该系统有14个腔室，代表具有“屏障”功能的器官，例如肺部中的肺泡，以及“非屏障”功能的器官，如心脏中的组织。

麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的生物工程师Linda Griffith等人成功建立了一个十器官系统，其中物质可以从一个器官流到另一个器官，就像它在身体中的输送一样。一些器官，如“大脑”，起源于iPS细胞；而包括“肝脏”在内的其它器官则来自细胞系或其它分化细胞。该组织可以存活四周，并且该系统具有一定的生物学功能。例如，从肠道组织进入系统的药物被传递到肝脏，在肝脏被代谢。Griffith表示，该项目费时、费力还费钱，而且涉及多学科协作，不仅需要生物工程师和机械工程师，还需要建模者将芯片的数据解读成相应的人体过程。实际上，科学家通常只用连接2到4个OOC就非常合适了。

OOC的开发者现在正在着眼于向行业和监管机构展示该技术的价值和有效性。扩大OOC的使用将需要更易于批量化生产的构建方法和高通量应用。多个OOC连接的系统面临的一个挑战是寻找适合所有组织类型的培养基和培养条件——例如，支持肝细胞的培养基并不一定适用于肺细胞。实现准确的模型还需要调整细胞数量和各种芯片的活动，以便准确地模拟这些器官在人体中的功能。Ingber认为，总的来说，OOC领域将变得更具用户友好性。它已经到了即插即用的地步，你不需要成为微系统工程师就能使用OOC。

展望未来

随着类器官和OOC使用的日益广泛，研究人员下一步便是着手解决更复杂的问题。Griffith等人正在将肠道微生物群添加到他们的系统上，如已连接肠道、肝脏和大脑以研究帕金森病的模型。她指出，随着成本的下降和可重复性的提高，OOC可能会开始替代实验动物，从而成为人类受试者的替代物。若从工程化的角度出发，那么在生物学上我们目前仍处初期阶段。我们该思考如何用这些简约模型来正确地表征生物系统。

Ingber的研究小组以类似芯片肺的方式使用OOC，以创建肺部气道片来测试香烟烟雾带来的影响。该模型允许研究人员分析在吸烟和不吸烟两种情况下，来自相同人类供体的组织的基因表达谱的差别。

虽然类器官和OOC各有其拥护者，但其实二者可以从根本上回答相同的问题。它们之间的界限已经模糊。Zhang希望在接下来的几年里，能看到将二者结合，各取所长的论文。Zhang倡导所谓的协同工程：基于自组织和发育的相关知识，开发OOC上的类器官。他设想将OOC的受控结构、内置读出和机械能力与类器官对组织和器官特征的保真度结合起来。Lancaster和其他人正在积极努力，将类器官和OOC研究人员聚集在一起——例如，举办研讨会分享难点、方法和想法。她指出，对于科学而言，合作比各自为战有效得多。跨领域合作，才能收获最多。

更多阅读：芯片模型

类器官和芯片器官（OOC）可用于药物开发、化妆品检测、毒理学和个性化医疗。以下是它们的一些优点和缺点。

类器官
来源：由自组织ES细胞、iPS细胞或成体干细胞产生。
主要优势：可用于研究单细胞发育成器官的过程，以及发育疾病中的相关过程。
未来发展：提高需要获得稳定测试结果，如药物测试的可重复性和实用性；并找到构建类器官中的血管的方法。
了解更多信息：Cell Press webinar ‘Organoids and beyond — 3D tissue in a dish’ (see go.nature.com/2jiumvb)

OOC
组织来源：通常来自从人体分离的细胞系或分化细胞，但也可以来源于干细胞。
主要优势：重复性和一致性，可加入生物力学特征。
未来发展：使用iPS细胞和干细胞，而非来自患者的细胞系来构建，以增加对个性化药物的适用性。
了解更多信息：National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine webinar ‘The NIH Microphysiological Systems Program’ (see go.nature.com/2hm3bch)

原文检索：C. Y. Tachibana. (2018)Stem-cell culture moves to the third dimension. Nature, 558: 329-331. 
张洁/编译