第二章　干细胞与疾病的关系

疾病是相对于健康而言，是人体与环境因素相互作用失衡、使自体调节紊乱而导致的异常生命活动过程，其中包括人体的一系列代谢、结构与功能异常，表现为症状、体征和行为的异常。由于细胞是人体组织结构与功能的基本单位，各种合成、分解代谢也主要是在细胞内完成，不论是人体内的结构破坏、体液平衡失调、代谢紊乱及各种物理、化学伤害，均可能涉及对组织细胞的损害，因此，疾病实际上是各种致病因素引起的组织细胞的结构与功能异常，维护体内组织细胞的稳态是治疗疾病的基础。

人体最早由受精卵发育而来，实际上，受精卵就是最原始、发育潜能最强大的全能干细胞，成人体内所有的遗传信息均来自受精卵，如果遗传信息出了问题，则可能导致遗传病。受精卵发育的早期胚胎中含有丰富的干细胞，人体的发育和组织器官的形成均由干细胞发育、分化而成，如果早期胚胎中的干细胞活性不足，则有可能出现机体发育不良。在个体生长发育过程中，干细胞是维系组织结构与功能完整的种子，干细胞是维护人体健康状态和抵御疾病的关键因素，从干细胞在生命的诞生、人体的发育生长中的作用上讲，说干细胞是生命的源泉一点都不过分，没有干细胞就不会有生命诞生，没有干细胞生命就难以维系。受精卵不断发育就分化而形成的形态特征各异、功能不同的成熟组织或器官，共同组成一个有机的整体，即胎儿。人胚胎和成体组织内存在胚胎干细胞和成体干细胞两大类干细胞，其中胚胎干细胞是早期胚胎发育过程中一种可分化形成生命个体的全能性干细胞，直接影响胚胎和成体的发育、成长。成体干细胞位于胎儿出生后已经分化成熟的组织器官之中，它们能够在体内外一定微环境条件下分化形成相应的组织细胞，或者在体内分化或再生构筑相应的组织或器官，如果成体干细胞的分化能力不足，则有可能导致组织器官功能衰退。造血干细胞和间充质干细胞就是两种最常见的成体干细胞，直接影响造血免疫功能和组织损伤的修复。胚胎干细胞发育分化为机体的过程通常是新基因的首次表达过程，是一种有性过程，而再生的过程是在已分化的环境中以分化的细胞（如肝细胞）或未分化的细胞（如成体干细胞）为主导的一种无性过程。

结构和功能上不同的器官组织是怎么由遗传背景相同的一个胚胎干细胞发育而来？胎儿出生后机体又是如何维持器官功能的稳定？这些科学问题一直是人类的困惑，发育生物学家一直在努力揭示深藏其中的奥秘。随着人们对干细胞发育生物学和健康、疾病与干细胞的相关性研究进展，越来越多的证据显示，干细胞是维护人体健康的基础，许多疾病的发生与干细胞密切相关，这种关系包括两个方面，一是一些疾病是由于干细胞的基因突变、干细胞丢失、数量减少和活性降低引起，二是干细胞是更新组织细胞和修复损伤的种子细胞，可用于诸多损伤、退变、衰老及炎症性疾病的治疗。

人体发育过程中，精子与卵细胞结合形成后生命就开始孕育了，最早的干细胞-受精卵在受精后36小时开始分裂为2个细胞，之后大约每隔12小时分裂1次，72小时后分裂为16个细胞，叫桑葚胚。受精卵在发育至6~8天开始形成囊胚并着床，至第11~12天完成。从受精卵发育至囊胚形成前的胚胎中分离获得的干细胞分化能力最强大，不仅可发育成个体，而且可形成滋养层。胚胎发育到囊胚后，从细胞内团中分离获得的干细胞仍具有发育成完整个体的潜能，但失去了形成滋养层和胎盘的能力，之后分布与成体组织中的干细胞大多具有多向分化能力，但不能形成完成的个体。随着基因编辑、修饰及体细胞重编程技术的发展，通过体细胞核移植、导入特定基因及体外诱导等方式还可诱使成体细胞“返老还童”，重新“逆向分化”为具有发育全能的胚胎干细胞。胚胎干细胞中含有人体生长发育的全部遗传信息，这些信息来源于精、卵细胞，即精、卵细胞各贡献一半。成人体内分布于个组织器官中的成体细胞尽管在形态结构、表型标志和生物功能上千差万别，但遗传基因的核酸组成和排列组合完全一致，只是基因开放表达和关闭的方式和程度不同而已。在胚胎发育期间，胚胎干细胞的质量直接影响人体的生长发育水平。胚胎干细胞的质量概念包括胚胎干细胞自身的遗传信息和发育分化的活性两个方面，这里关于遗传信息的质量主要是指某些来自精子或卵细胞的遗传变异信息，这些变异的遗传信息可能导致成人发生遗传病或对某些疾病的易感性，发育分化的活性主要是指胚胎干细胞的发育生长、增殖分化状态，决定因素可能在于其所处微环境的营养状态及母体中的危害因素，主要影响胚胎的发育水平和成体的健康状况。这里主要讨论胚胎干细胞与遗传性疾病的关系，包括在干细胞水平进行遗传诊断和治疗两个方面。

遗传病是受精卵或母体受到环境或遗传因素的影响，从而导致后代的基因异常形成的遗传缺陷性疾病，例如白化病、畸形、智力低下、肌营养不良等。遗传病通常为先天性的，具有家族性和终身性，并且一般在出生后一段时间才发病，有时要出生后几年、十几年甚至是几十年后才出现明显症状，但发病与否完全由遗传因素决定。目前已发现的遗传病超过3000种，估计每100个新生儿中有3~10个患有不同程度的遗传病，还有一些成年人群在发育上没有异常表现，但对某些疾病具有明显的遗传易感性，例如有些家族的2型糖尿病发病率明显高于其他家族，通过对遗传基因的结构与功能分析，发现携带某些基因型的人群对2型糖尿病具有易感性。遗传病的防治重点在于产前诊断和控制有明显遗传缺陷的新生儿出生，一旦出生后再纠正遗传缺陷，则十分困难，只能进行一些对症治疗。随着基因扩增和测序测定等精准分析技术的发展，产前遗传病逐渐从羊水穿刺取材检测向着床前胚胎前移，即在受精卵发育至胚胎着床前取材进行遗传分析，根据基因变异和遗传病的性质，及早采取终止措施，可减少妊娠痛苦和出生缺陷。对着床前胚胎进行遗传病检测的难点是取材困难和对胚胎造成机械性损伤，但随着微创取材技术的进展，采集单个细胞进行遗传检测已经成为可能。相比之下，对试管婴儿在胚胎移植前进行遗传分析则相对容易，可通过有针对性的遗传病基因进行检测分析，可避免带有特定遗传病基因植入母体。采用全基因组序列分析技术对植入前胚胎进行遗传解析，可系统全面地了解遗传信息的变异情况，可更有效地控制遗传缺陷的新生儿出生，预计将在未来的遗传诊断中发挥主导作用。

遗传性疾病的治疗是临床医学中的世界性难题，对于大多数遗传病来讲，即便是做出精准、明确的诊断，临床治疗也束手无策，只能采取一些对症治疗措施，难以从根本上解决治疗问题。从干细胞的角度，将干细胞与基因治疗结合起来，将遗传缺陷基因相对应的正常基因通过基因载体导入干细胞后用于遗传性疾病的治疗可能成为有效措施之一。从基因的角度矫正遗传缺陷是遗传性疾病治疗的一种彻底解决方案，但实际上是说起来容易，做起来的技术却十分复杂，而且目前大多数技术尚处于探索阶段。最近刚兴起的基因编辑技术，可用于在胚胎发育之初对遗传信息进行基因编辑和纠正遗传缺陷，但由于还涉及严重的伦理问题和技术方面的成熟性、安全问题，尚不能应用于临床。从干细胞的角度对遗传性疾病实施治疗是未来解决遗传病治疗问题的发展方向，主要策略有以下方面：

可采用CRISPR-Cas9等基因编辑技术对受精卵进行基因编辑，纠正遗传缺陷；或利用携带正常基因的载体导入目的基因，替代遗传缺陷的基因，以达到产前遗传治疗的目的。从目前的技术发展趋势看，在胚胎期进行基因治疗的技术可行性较强，特别是基因编辑技术的发展可能使其越来越容易，目前已经有对胚胎干细胞进行基因编辑并取得成功的报道，但是胚胎基因治疗技术涉及遗传改造或修饰，可能存在伦理和安全问题，特别是可能引起新的遗传问题，目前尚难以保障，尚需要进一步探讨和长期观察。

从理论上讲，将正常基因导入造血干细胞、间充质干细胞等成体来源的成体干细胞，用于出生后的遗传性疾病治疗是解决成人遗传病的根本出路。遗传性疾病治疗的关键是纠正或弥补遗传基因缺陷，可以将目的基因导入各种成体细胞，将携带正常基因的细胞输入体内，通过表达正常的活性分子而发挥治疗作用，但不足之处是成熟的组织细胞难以在患者体内长期存活，疗效难以长期维持。利用成体干细胞作为基因治疗的载体，由于其具有自我更新的特性，可以克服组织细胞难以长期生存的缺陷，应该说是一种更为理想的基因治疗细胞载体。基于成体干细胞的基因治疗比胚胎干细胞更为安全，一般不涉及患者本身的遗传修饰或改造，伦理争论较小。

遗传病主要表现为组织器官畸形、缺损、发育不良、早衰、损伤等，体外移植入患者体内的间充质干细胞、造血干细胞等成体干细胞具有分化、分泌、免疫调节等功能，对遗传病导致的组织发育不良、早衰、损伤等有一定治疗作用。关于成体干细胞治疗遗传性疾病的研究报道较多，利用脐带间充质治疗进行性肌营养不良可延缓疾病进程，减轻肌肉组织损害，部分缓解四肢的运动功能。给早衰症即科凯恩氏综合征的患者输入胎盘来源的干细胞，可有效促进退变组织细胞生长，减少脱发，改善全身性的组织器官功能。造血干细胞移植术可用于治疗遗传病导致的严重贫血，例如葡萄糖-6-磷酸酶缺乏症、地中海贫血等。将某些促生长基因导入成体干细胞并用于遗传病治疗，可显著提高干细胞对组织损伤的修复能力，改善遗传病导致的组织器官发育不良及功能障碍。将干细胞与生物材料复合，利用共培养、3D打印等技术可构建出组织或器官，用于矫正、替代或修补遗传病导致的组织缺损等。