DOI:10.3877/cma..jissn.1674-134X.2011.01.012作者单位:200011上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科、上海市骨科内植物重点实验室院士论坛再生医学与转化研究戴尅戎一、再生医学的内涵和重要性再生医学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,以及如何进行组织、器官再生与功能重建的学科,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。它的范畴涉及组织工程、细胞与分子生物学、发育生物学、材料学、生物力学以及计算机科学等诸多领域。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,同时它也拓宽了再生医学的广度和深度。国际再生医学基金会(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。比较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。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开展和深入。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,从而达到治疗的目的。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(iPS)的诞生。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,通过对细胞特定分子序列的认识,来设计靶基因等。人们对于再生的认识和研究实际上是从低等生物损伤器官的发生、发育开始的。发育生物学的研究使人们理解了涉及再生的三种机制:一是损伤部位休眠细胞被激活;二是部分残留在损伤部位的干细胞参与修复过程;三是部分已分化的细胞在创面环境下通过去分化转变为干细胞或干细胞样细胞。随着对发育生物学更深入的研究,人们期望在组织、器官修复方面能像低等生物一样再生出外观和功能完全相同的新的组织、器官。再生医学还涉及材料学、生物力学、工程学等学科。此外,纳米技术的应用,使人们得以在68中华关节外科杂志(电子版)2011年2月第5卷第1期ChinJJointSurg(ElectronicEdition),February2011,Vo.l5,No.1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促进了再生医学的不断发展。再生医学已引起全世界范围内的高度重视,国际上与再生医学和组织修复有关的重要学术团体和机构就有包括国际再生医学基金会等在内的几十家,相关的实验室和技术公司更是数不胜数。韩国用于干细胞研究和开发的费用已逐步增至每年1亿美元。我国是人口大国,也是步入老龄化社会最快的国家之一,老年病的防治已经对社会和谐、发展产生重要影响。就单病种而言,我国有糖尿病患者约5800万人,重症肝病患者约3150万人,每年等待肝移植手术的患者约50万,获得者5000余人,等待肾移植患者约40万,获得移植者3000余人,等待角膜移植患者约30万人,获得移植者3000余人。每年皮肤烧伤、烫伤患者500万人,新发癌症病例160万,恶性血液性疾病10多万,死于心脑血管疾病患者260万。如此庞大的患病人群,迫使我们必须发展新的治疗模式,推进干细胞研究、组织工程产品研发等再生医学相关内容的进程。2000年至今,中国连续多年将干细胞研究列入 863!、 973!、国家自然基金重点项目,并投入大量资金资助。国务院2006年发布的∀国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)#中,将干细胞作为五项生物技术之一,作为未来15年我国前沿技术的重点研究领域。与此同时,各地方政府也将干细胞研究作为科技发展重点,积极予以支持。两年前读到一篇文章,题目是:再生医学进入实质性领域,作者NinaFlanagan在文中提出,未来20年内再生医学市场潜力将超过5000亿美元。我们无从考证这一说法的科学性,但有一点可以肯定,就是再生医学确实具有巨大的市场价值。在美国,组织工程产品正以每年市值增加225%的速度成为国民经济的支柱产业之一。同样,干细胞治疗的市场规模也在不断扩大,预计到2012年心脏病的干细胞治疗市场规模将达35亿美元。无论是中空的耳朵、鼻子、膀胱还是实质性的肝脏、肾脏、骨骼都将逐渐进入市场轨道。我国SFDA已逐渐放宽对人类胚胎干细胞临床试验的限制,而据生物谷研究院统计,在接下来的五年中,中国的干细胞与再生医学相关领域的市场规模将达到60亿元,不论是临床研究的准入标准,还是干细胞研究的研发外包,甚至关联于干细胞与再生医学研究服务的机构,都将在这个产业链中占有巨大的市场份额。因此在全球再生医学产业化形成的初期及早介入,将在下一轮产业爆发过程中占的先机。二、再生医学基础研究现况(一)干细胞研究近几年人们在干细胞发育的基础理论方面进行了深入研究,尤其是决定干细胞命运的分化机制以及细胞在保持和获得干性分子机制方面取得了突破进展。在对干细胞干性和可塑性研究中发现干细胞之所以具有干性决定于其基因的表达程序,不但植入去核卵细胞的体细胞核能通过改变基因表达程序而变成全能干细胞,而且导入干细胞的标志性转录因子基因到分化的体细胞也能使后者获得干性,即诱导多能干细胞(iPS)。这一研究成果被时代杂志评为2007年度十大科学发现之一,也是同年科学杂志评选的十大科技成果之首。我国科学家周琪与曾凡一首次利用iPS细胞,通过四倍体囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠,论文已在Nature发表,在世界上首次证明了iPS细胞的全能性。而近年来兴起的表观遗传学研究为阐明细胞分化命运的决定因素开辟了新的途径。新近的研究结果表明基因表达的调节主要在基因转录和转译两个环节,转录水平的调节受控于基因所在部位的染色质结构,而在转译水平的69中华关节外科杂志(电子版)2011年2月第5卷第1期ChinJJointSurg(ElectronicEdition),February2011,Vo.l5,No.1调节中近年发现的一些小RNA,特别是微小RNA(microRNA,miRNA)可能起到了重要作用。我国在干细胞研究领域也取得了重要的科研成果。在对传统的胚胎干细胞和成体干细胞研究的基础上,有学者提出了亚全能干细胞的概念,认为这种细胞刚脱离了胚胎干细胞的特征,但又不是成体干细胞。通过实验证明,在特定的体内外微环境中,人体亚全能干细胞能够诱导分化为各种组织细胞,通过移植给受者参与组织的再生和修复,并因显著降低移植排斥反应,为恶性血液病、心血管疾病、糖尿病、肝功能衰竭等多种严重疾病拓展了治疗途径。目前,我国已有超过10个实验室宣布获得了具有自主知识产权的人胚胎干细胞系;在国际上率先获得了人孤雌胚胎干细胞系;建立了成熟的恒河猴与人核移植技术体系和iPS体系。(二)组织工程技术组织工程技术在经历了组织构建可行性的初步探索和在免疫功能缺陷的裸鼠体内构建各类组织工程化组织两个阶段后,已逐步进入第三个阶段,即在具有全免疫功能的哺乳动物体内构建组织工程化组织,修复缺损,重建器官功能。同时组织工程促成技术也在不断更新,例如生物反应器技术已从简单扩增细胞到可以提供各种刺激信号;组织工程的设计和制作越来越多的依赖于计算机辅助技术等。另外,对于生物材料的研发也已进入基于细胞分子水平的新时期,将过去生物活性和可降解两个分离的概念结合起来,在可降解材料上进行分子修饰,引起细胞整合素的相互作用,诱导细胞增殖、分化,以及细胞外基质的合成与组装,从而启动机体的再生系统。最为典型的例子就是纳米技术引进,应用仿生学原理和纳米自组装技术制备有机和无机纳米复合材料,并将多肽、生长因子和基因等特定分子识别信号固定在材料表面,研制有特定结构和功能的仿生智能基质材料。此外,通过纳米技术研制纳米载药系统及非病毒基因转染载体以用于生长因子、免疫抑制剂等的靶向性控释也是近年来研究的热点。三、再生医学产业化进程与再生医学基础研究的累累硕果相比,再生医学的产业化进程可谓喜忧参半。喜的是人们已经逐渐重视再生医学研究成果的临床转化,截至目前已用于临床的细胞移植有:MSCs用于促进骨再生及改善肢体、心肌血循坏;神经干细胞/SC/嗅鞘细胞移植用于促进中枢及周围神经再生;肌干细胞移植用于促进肌组织再生、延缓肌萎缩以及治疗压力性尿失禁;软骨细胞移植用于促进关节软骨修复;胰岛细胞移植治疗糖尿病;肝细胞/肝干细胞移植治疗肝衰竭等。而干细胞对糖尿病、帕金森综合征、老年痴呆症、角膜病和白血病等多种疾病的治疗在动物实验层面已基本完成,部分进入人体临床试验。而通过组织工程技术也已构建了人体几乎所有的重要组织,甚至还有肾脏、肝脏、心脏等重要器官的初步构建。但在产业化进程中暴露出的基础向临床转化效率低、效果差等问题却远远大于所取得的成绩。细胞治疗尽管进行的如火如荼,但截至目前,效果真正明确肯定、已被广泛接受的仍是20世纪50年代再生医学诞生前就开展的骨髓移植治疗恶性血液病。历经几十年,仍没有第二种细胞治疗成为常规的疾病治疗手段。组织工程面临同样的窘境,除了一些新研发的生物材料用于临床以外,在众多的构建体中,仅有组织工程皮肤和组织工程骨、软骨真正形成产品上市,但也仅仅是众多医疗手段中的点缀而已,远没有成为治疗中的主流。其全球市场份额也少得可怜,组织工程皮肤仅2千万美元,组织工程软骨也不过4千万美元,与上百亿美元的研究投资形成了巨大反差。美国最早最大的两家组织工程皮肤生产商OrganogenesisInc和AdvancedTissueScience已申请破产保护,一些主要的组织工程产品如CellActiveSkin,Epidex,Bioseeds和Melanoseed也因严重亏损而停产。我国的再生医学产业化进程同样不容乐观,到2005年时,我国组织工程相关课题70中华关节外科杂志(电子版)2011年2月第5卷第1期ChinJJointSurg(ElectronicEdition),February2011,Vo.l5,No.1已申请国内专利137项,国际专利15项,却没有形成一种产品,直到2007年,第四军医大学的组织工程皮肤才获得了SFDA颁发的第一个组织工程产品注册证书。而且今后要想避免美国组织工程皮肤的覆辙,仍然困难重重。因此,如何实现再生医学的临床转化必将成为未来研究的一个重要方向。四、再生医学的转化研究所谓转化研究是把生物基础研究的最新成果快速有效地转化为临床医学技术的过程,或将临床问题提升为科学问题,进行有针对性的科学研究,即从实验室到病床(benchtobedside)再从病床到实验室(bedsidetobench)的连续过程,简称为 BtoBtoB!。这种双向转化和循环转化的转化模式是转化研究的显著特点,其核心在于紧密连接基础与临床,在从事基础科学研究的工作者和熟悉临床需求的医生之间建立起桥梁。特别关注在其间建立起直接联系,努力缩短基础研究到临床医学应用的时间,将基础生物学研究成果最快速有效的向疾病诊断、治疗和预防进行转化,使其成为临床上的防治新方法,也将临床问题及时转化成为研究主题与方向。目前,转化研究在发达国家已备受关注,但在国内还处于未成熟阶段。美国在NIH的推动下,正在以每年5亿美元的资助力度推进转化性医学研究,预计到2012年将资助建立起60个研究中心,目前已建成55个。自2006年起NIH开始实施临床与科研成果转化奖励计划(ClinicalandTranslationalScienceAwards,CTSA)。欧共体每年用于与健康相关的转化性研究预算为60亿欧元。英国在5年内已投资4.5亿英镑用于转化性研究中心的建设。我国目前还没有建立转化性研究中心的大型计划出台,但已在积极策划与组织之中。随着科学研究复杂性的增加,转化研究的重要性愈加突出。转化研究填补了基础研发与临床应用之间的鸿沟,使科研与临床不再分家,加速了医学与理工技术紧密结合和知识产权的商业化。同时还刺激了新教育模式的产生,将以往独立的各学科整合到同一个基础研究和临床学科中去,促进多学科交叉研究策略和教育平台的建立,适应了近代科学三个∃I%的发展趋势&&&Interdisciplinary(学科交叉),Integration(整合与集成),Innovation(创新与改革),有助于培养新一代具有转化医学理念和能力的研究工作者和医疗工作者,即培养既能研究又能看病的 两栖人才!。转化性研究具有广阔的发展前景。首先,若把前瞻性研究的目标锁定在病人身上,强调疾病的早期检查和早期评估,并据此进行科研选题和研究,在获得再生医学研究成果的同时开展转化研究,使成果迅速用于临床。一旦这条双向通道打开,将促进基础研究成果快速地为临床医学服务,为疾病防治和完善政府公共卫生政策服务。转化医学是未来医学领域研究的重要方面,如何结合中国的国情迅速把一些成熟的再生医学研究成果转换成患者和普通大众健康的福音,是目前转化医学的发展方向和重要任务之一。(收稿日期:2010-10-30)(本文视频讲座见本期视频)戴尅戎.再生医学与转化研究[J/CD].中华关节外科杂志:电子版,2011,5(1):68-71.71中华关节外科杂志(电子版)2011年2月第5卷第1期ChinJJointSurg(ElectronicEdition),February2011,Vo.l5,No.1
