點擊上方藍色小字↑↑↑------ “幹細胞者說”，選關注，即可訂閱本科普號。本刊號部分資料來自網絡。
人生小哲理幹細胞者說靜下心來
潛心研究
我們將走的更遠
正文
微環境能讓組織中的幹細胞保持長久的自我更新功能，對於幹細胞執行正常的功能有著關鍵的作用，讓幹細胞組織再生離現實更近。
來源丨藥明康德
基於內源幹細胞的組織再生療法是生物技術與醫藥行業近期興起的最熱門領域之一。科學家們期望能探索幹細胞的潛能，使它們修復受損的組織和器官，改善人體健康。儘管大多數動物或多或少都有組織再生能力，但哺乳動物的再生功能遠不如許多無脊椎動物，也只有屈指可數的器官能在成年哺乳動物中出現再生。而在其他組織中，損傷往往會導致疤痕的形成，影響身體機能。再生醫學的研究要向這一事實發起挑戰。
夏慧敏教授、張康教授、以及張良方教授（圖片來源：各位教授任職的院校官網）
近日，廣州婦女兒童醫學中心夏慧敏教授和加州大學聖地亞哥分校（UCSD）的兩位知名華人學者張康教授與張良方教授在《自然》出版社旗下的《Nature Reviews Materials》聯名發表了一篇深度綜述，介紹了利用哺乳動物內源幹細胞修復組織，剖析了組織再生的機理與研發前景。在今天的這篇文章中，我們也將為各位讀者整理這篇綜述中的精彩內容。
1
組織再生，物種有別
眾所周知，許多無脊椎動物有著令人驚羨的再生能力，但再生並非是無脊椎動物的專利。譬如，蠑螈這種脊椎動物的再生能力就相當驚人。它們不但能再生出尾巴和四肢，甚至還能再生出心臟、大腦、視網膜等結構。更有趣的是，它們的再生能力並不僅限於幼年期，而是在整個生命週期中都能得到保持。 這也讓以蠑螈為代表的兩棲類動物成為了再生醫學的良好模型。
蠑螈有著極強的再生能力
研究表明，蠑螈等動物模型的組織再生涉及到多個複雜步驟，有多種不同來源的細胞參與。以四肢的再生為例，首先，傷口會以無疤痕的方式癒合；之後，未分化的細胞會表現出幹細胞的特性，依照組織類型的不同，產生特定的再生功能；最後，這些成年動物會出現類似於胚胎髮育的過程，實現四肢再生。
與兩棲類動物不同，哺乳動物的再生能力受到一定的限制。總體來看，只有處於發育早期，以及出生後不久的哺乳動物才具有較佳的再生能力，而成年動物組織的再生能力十分有限，會在傷口癒合的過程中形成疤痕，且帶來異常的組織重建。少有的幾個例外是成年動物的骨骼肌、口腔粘膜、以及大部分肝臟。許多研究提示，成年動物再生能力的下降，可能與免疫系統的發育有關。
越來越多的研究表明，為了修復受損的部位，內源幹細胞或局部的去分化細胞會與免疫系統、細胞外基質、可溶生長因子、以及細胞信號進行交流。而在胚胎與成人組織中，這些要素往往有著不同：比如說在胚胎裡，細胞外基質中的III類膠原蛋白相較I類膠原蛋白而言，水平要顯著增高；而在成人的組織中，這兩類膠原蛋白的丰度正好相反。這些不同或許解釋了為何在哺乳動物中，胚胎與成人的傷口癒合能力有巨大差別。
2
幹細胞與組織再生
許多研究指出，在組織再生的過程中，幹細胞起到了重要的作用。這類細胞經過增殖和分化，發育成具有特定功能的成熟細胞系。根據其分化能力的不同，幹細胞又能被分為兩類：第一類是多能幹細胞（pluripotent stem cells，包括胚胎幹細胞和誘導性多能幹細胞），第二類是專能幹細胞（multipotent stem cells）和單能幹細胞（unipotent stem cells，也稱成體幹細胞）。顧名思義，第二類幹細胞的分化能力有限，但它們卻在組織再生中扮演了關鍵角色——組織內的內源幹細胞，幾乎都是成體幹細胞。它們在組織輕微受損後，可協助修復過程，幫助組織恢復正常功能。
在人體內，間充質幹細胞是得到最多研究的幹細胞之一。這類幹細胞有分化成多類細胞的潛力，這包括了骨細胞、軟骨細胞、肌肉細胞、以及脂肪細胞。而根據來源的不同，間充質幹細胞可以被劃分為幾種：來源於骨髓的幹細胞具有移動到身體遠端的能力，且能與免疫系統相互作用，並生產具有生物活性的分子，以創造一個適合組織修復的微環境。因此，它在醫療上具有一定的潛力。舉例來說，它有望被用於治療肌肉、骨骼、心血管、肝臟、腎臟、以及神經系統的疾病。
間充質幹細胞的信號通路（圖片來源：《Nature Reviews Materials》）
脂肪與皮膚也是間充質幹細胞的主要來源。對人類來說，脂肪組織裡有著豐富的專能幹細胞，它們能在體內或體外環境下進行分化，可產生多種細胞類型。皮膚作為人體最大的器官，同樣是幹細胞的一大來源。這兩類幹細胞同樣有著良好的醫療潛力。利用來源於脂肪的幹細胞，已成功治療了一名顱骨多處損傷的患者；而來自皮膚的幹細胞也有望治療諸多皮膚相關的疾病。
除間充質幹細胞外，另一些組織來源的幹細胞也能對人體組織產生修復作用。第一個例子是晶狀體的再生：在移除白內障後，晶狀體幹細胞在合適的微環境下，能促進晶狀體再生；第二個例子是在肝臟中，被激活的幹細胞能夠增殖、分化成膽管細胞和肝細胞；第三個例子是心臟的再生，眾所周知心臟的再生能力較差，這也是心臟疾病難治的原因之一，但在一些案例中，我們依舊在成年哺乳動物中觀察到了一定的再生能力。其中的解釋之一，就是心臟祖細胞（一類專能幹細胞）在發揮作用。
3
專能幹細胞的微環境
專能幹細胞的微環境能讓組織中的幹細胞保持長久的自我更新功能，對於它們執行正常的功能有著關鍵的作用。目前，已經找到了不少案例，涵蓋肝臟幹細胞、骨髓幹細胞、以及種系幹細胞、上皮幹細胞、神經幹細胞等類型。在對這些案例進行分析後，
科學家們發現，儘管涉及到細胞種類有所不同，但這些微環境卻有許多相似之處。具體來說，一個典型的幹細胞微環境會包括細胞、細胞外基質、以及可溶性因子（如生長因子）。一般而言，這些適合幹細胞的微環境深植於組織內部，以維持特定的氧氣、離子、生長因子、細胞因子、以及趨化因子的梯度。
幹細胞的分化受到了細胞外基質的影響
科學家們發現，細胞與細胞外基質的相互作用，是幹細胞潛力的重要調節與決定因素。不少幹細胞位於細胞外基質之中，而後者往往就是幹細胞與其子細胞的產物。這些基質由大量分泌蛋白組成，與細胞之間動態互動。人們發現，不同組織或器官的基質有不同的結構特徵，往往由其功能所決定。比如對於心臟這一在發育過程中最早獲得功能的器官來說，一系列特殊的細胞類型必須在基質中彙集，以配合泵血功能。而在骨骼組織中，基質中的分子則會提供結構上的支持。
而幹細胞的分化也會受到基質的影響。基質通過維持其結構的完整性，來維持幹細胞的身份，並對它們的激活進行調節。舉例來說，細胞外基質剛性的不同，能影響到骨髓幹細胞的增殖、遷移、以及分化。此外，除了細胞外基質本身，位於基質中的生長因子和糖蛋白對於幹細胞也有重要的調節作用。
4
用於組織再生的生物材料
本篇綜述的主要作者裡，張康教授與張良方教授都是生物醫學工程領域的專家，夏慧敏教授是生物材料臨床應用的小兒外科專家；這篇綜述也以相當大的篇幅介紹瞭如何通過生物工程的方法，促進組織再生。接下來，我們也將介紹這些技術。
1. 生物材料的選擇
說到生物材料，首先要考慮到就是它們的組成。常規考慮而言，生物材料可以被分為三類：合成生物材料、天然生物材料、以及合成-天然混合生物材料。合成材料指的是一類具有生物兼容性和生物降解性的多聚分子，其理化和機械性質能與受損的組織相匹配，協助組織再生。舉例來說，癸二酸與甘油能聚合成PGS材料，其3D網狀結構能很好地模擬天然細胞外基質的可塑性，從而有望用於促進骨髓幹細胞分化。
天然材料包括了蛋白質、多糖、以及聚羥基烷酸酯，它們能被用作內源性再生的結構性支架材料。比如BMP7能被載入到I類膠原蛋白組成的支架中，用於治療患者腓骨缺損。在一項臨床試驗中，接受治療的患者在6周後，新骨骼有顯著的形成，彰顯了這種材料的治療潛力。
一些可植入和可注射的生物材料（圖片來源：《Nature Reviews Materials》）
合成材料與天然材料各有各的優勢與短板——合成材料不易在人體內降解，可能會引起身體的反應；而天然材料的一些理化和機械屬性較弱，且容易被酶所降解。為了取長補短，研究人員們決定將兩者進行混合，以求帶來更好的生物材料。合成-天然混合生物材料應運而生。目前，我們在這種材料的開發上也已取得了一些成果，比如在聚四氟乙烯的網絡上，可以覆蓋上一層明膠水凝膠，用於藥物分子的遞送。
2. 生物材料與3D結構
為了促進組織再生，植入生物體的生物材料必須能模擬細胞外基質的特定特性：它們需要有足夠的通透性，讓營養與代謝產物可以通過；它們也需要有足夠的機械強度，這對於組織再生非常關鍵。目前來看，與可溶性前體互相交聯的水凝膠（可以是合成材料，也可以是天然材料）是一個良好的平臺：它們有巨大的“表面積/體積”比，也有很高的孔隙率，能很好地提供類似於生物體的微環境，指導細胞的3D排列，以及組織的
de novo（從頭）合成。3D打印技術的進步，則讓我們能進一步造出能模擬天然細胞外基質的結構。通過使用生物兼容的材料，我們能使用合適的交聯方式，造出可用於內源性再生的支架結構。目前，我們已能用3D打印技術，打印出具有三個不同區域，且區域彼此相連的材料，用於牙周的修復——這種材料的第一部分為100微米的通道，是牙骨質與牙本質的接觸界面；第二個部分為600微米的通道，提供給牙周韌帶；第三個部分是300微米的通道，供牙槽骨使用。
3. 生物材料與功能
這些生物材料有著許多應用，其中之一就是對能促進組織重生的分子進行包裹與遞送。在通常環境下，這些分子不穩定，容易被降解，使得它們的有效期變得較短。而生物材料則能將這些分子包裹其中，並逐漸釋放，確保能長期保持所需的水平。目前，人們已經嘗試對細胞因子、轉錄因子、以及調控性的趨化因子進行包裹與遞送，並能通過改變生物分子的一些理化性質，對內容分子釋放的動力學進行調控。
對於另一些信號分子來說，將其附著於支架表面，能有利於其執行功能，改善細胞的附著，促進細胞的增殖，甚至指導細胞的分化。
生物材料的一些應用（圖片來源：《Nature Reviews Materials》）
除了以上兩方面外，生物材料還有許多其他的潛在應用。譬如，我們可以在納米纖維的支架外附上合成的脂雙層，將這些纖維與外部環境隔絕開。這樣一來，脂雙層表面的蛋白有望更好地與受體相結合。另一些研究指出，天然衍生的細胞膜能有同樣的作用。而細胞膜包裹技術，許多具有療效的納米顆粒有望誕生，造福患者。
5
結論與展望
特定生物的組織與器官自我再生能力，為我們提供了關於再生微環境的重要洞見。我們已經從中找到了不少生化調節因素，而生物物理因素則還有待進一步闡明。對於這些因素的整合，有望讓我們能更好地操控幹細胞，在體外，甚至是體內環境中進行組織再生。
在生物材料的工程化以及在幹細胞生物學上的進步，能為我們帶來全新的生物材料，滿足幹細胞的特殊需求，讓關鍵細胞因子與細胞得以更好地互動，最終促進幹細胞的激活與組織的再生。
我們期待，隨著科學的不斷髮展，我們有朝一日能真正實現人體的組織再生，讓由於先天性殘缺、創傷、或是腫瘤引起的組織損傷得到修復。我們期待這一天的儘快到來！
[1] Xia et al., (2018) Tissue repair and regeneration with endogenous stem cells, Nature Review Materials 3, 174-193
幹細胞者說點評
本篇綜述很值得稱讚和推薦。第一點，作者很清晰的指出了多能幹細胞，專能幹細胞與單能幹細胞，著重介紹了組織特異性幹細胞也就是專能幹細胞及其微環境關係。我們通常認為的幹細胞治療有效，也主要指這方面：通過外源性細胞及其分泌物，或調節組織免疫微環境，或激活內源性幹細胞，從而改善機體狀態。第二點，目前世界範圍內的實驗，無論使用哪種細胞，似乎都是同一個結果，細胞移植後存活率很低。最終起有效作用的依然是激活內源性幹細胞，但如果能和材料很好的結合，形成一個體內生物反應器，其生存率必然大大提高。
一直認為，幹細胞的最終目標在於原位組織再生，或進行原位細胞重編程，或構建細胞微環境。
閱讀更多 幹細胞者說 的文章
