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科普文章

不老之泉探秘之二“再生医学——美好的理想”

发表日期:2011-09-16来源:放大 缩小

 

1.人类的古老梦想

·长生梦

在人类进化的漫长过程中,想象力的出现曾经是我们在进化过程中的关键一步,可以说正是因为有了想象力我们人类才成为了今天的我们。在所有人类对自我能力的想象中,最多的,莫过于两种:一是“飞”;另一个,就是“长生不老”。

 人们的梦想

 

在中国,有西王母的“不死药”(可以让嫦娥姐姐长生不老又飞上天,可谓一举两得,高效环保,可惜不能把嫦娥姐夫打包带上,搞的嫦娥姐姐“碧海青天夜夜心”)。在西方也有印第安纳·琼斯追寻的基督的圣杯和哈利·波特的魔法石(这可都是人见人爱的宝贝啊!)。

所谓“长生”就是“个体生命永存”,要想“个体生命永存”,首先要弄明白的,是什么是“个体生命”。对于一个人类个体来讲,他/她的存在其实主要表现在“自我意识”上,通俗点说就是,只有你认为自己是你自己你才成为了你自己。用学院派的说法则是:“个体人由其物理感知系统能够感知的特征总和以及相关的感知处理活动。”看明白没?所谓个体意识,就包括了你的感觉、你的认知、你的思想感情、你的记忆思维等等。

那这些东东都是从哪里来的呢?答对了!当然是我们的大脑了!所以,理论上讲,只要确保我们的身体可以永久的正常持续的产生生理功能并保持自己的组织功能不变,就可以达到“长生”;当然,也有人说可以退而求其次,保持大脑产生“自我意识”的那部分持久保持不变,也算是长生。

这不是机械战警吗?只剩一个头,其它部份都由机械代替,金刚不坏!忍者神龟里的那个大反派也是如此。更有甚者,阿凡达可以把自己的意识注入到人造的生命体中,骇客帝国中基努·里维斯的意识可以在一个矩阵中纵横来往。但无论如何意识还是不能脱离物质单独存在的,那怕只剩了一个脑。倪匡在他的幻想小说中曾设想,最终的生命形式也许只是一束意识的电波游荡于无边无迹的宇宙。姑且不论这是否能实现,就算真的实现了,只剩一束电波的意识还是意识吗?很难想象一束电波如何对外界做出反映(那不就是传说中的鬼魂吗?寒一个先!)。倪匡的妹妹“师太”亦舒倒是有一篇小说《小宇宙》与此有关,写一个人的意识(魂?)在科学家的帮助下,换了多个身体,经历不同人生的过程。有趣的是,主人公最后还是回到了自己原来的躯壳,金窝银窝不如自己的狗窝嘛!我们还是好好照顾好自己的“狗窝”为妙。

就算不能永远不死,长命百岁也是好的,中国的神话传说有活了800岁的彭祖,基督教还说亚当活了930岁,皇帝老儿个个自称“万岁”,可不都是想活得长一些吗?求生欲是动物的本能,但光是活着还是不够的,还要活得好,各种生理机能正常,该吃吃,该睡睡,想干嘛干嘛(圣经中说亚当800多岁还生了个儿子呢!)。这就不简单了,因为这就要克服衰老和疾病这两个巨大的困难。一把桌子椅子用久了都会坏,更不要说是到处跑跑跳跳,可以不停闯祸损伤自己的“人”了。

桌子椅子用久了咱可以换啊!这就说到点子上了。如果胳膊腿儿、心肝脾肺肾啥的用坏了都可以换,不就行了?这就是再生医学要干的事儿了。

再生医学(regenerative medicine)就是通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及细胞分化机制,寻找有效的生物治疗及工程学的方法,促进机体自我修复与再生,或构建新的组织与器官,以改善或恢复损伤组织和器官的功能的科学。

说白了,就是不管用生物的方法也好、工程的方法也好,把坏了的、损伤了的组织器官修好或者重建,让它们重新好好干活为我们服务。不能永生也要长生,不能长生也要长寿,而且还要活得好、活得有质量。

广义的再生医学是一门包含有生命科学、材料科学、计算机科学和工程学等多个学科的综合学科。我们这里主要介绍如何通过干细胞来研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及细胞分化机制,寻找有效的生物治疗方法,促进机体自我修复与再生,或构建新的组织与器官以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能。

·老龄化社会面临的窘境

让大家都活得好、活得有质量,这可不是一件小事!事关国计民生,可持续发展,可是一件了不起的“国家大事!”

为什么这么说呢?

大家都听说过老龄化社会吧?联合国标准:一个地区60岁以上老人达到总人口的10%,或是65岁老人占总人口的7%,即该地区视为进入老龄化社会。2010年11月底第六次人口普查,65岁及以上人口为1.18亿人,占总人口8.87%;60岁及以上人口为1.77亿人,占占总人口13.26%,同2000年第五次全国人口普查相比,分别上升1.91个百分点和2.93个百分点。,无论从哪个比例角度衡量,我国均已进入老龄化社会。

   

更严重的是:我国老龄化速度快于世界老龄化速度,而且还是一种呈现“未富先老”的特征的老龄化社会。

那怎么办呢?只好寄希望于“老有所医”。如果每个老人都健健康康,不但不需要耗费社会资源还能继续发挥余热创造社会财富,那问题不就解决了吗?

而减缓、制止甚至逆转衰老过程则正是再生医学所要达到的目的之一。

现在大家知道再生医学有多重要了吧?

还有呢!

……

 

[ 延伸阅读 ]

年份

60岁以上老人(百万)

百分比

2005

145.09

11.1

2006

149.01

11.3

2007

153.40

11.6

2008

159.89

12.0

2009

167.14

12.5

资料来源:Partial information on population aging in China in 2009

 

·巨大的市场需求

无可否认,科技的发展带动了经济的发展,近几十年来是有史以来人类社会文明发展最快的时期,从某种角度上说,我们是生活在一个最好的时代。随着经济的发展,人民生活水平的提高,原先威胁人类健康的最大杀手――“传染病”在逐渐的减少,而由于细胞、组织及器官损伤、病变及老化而引起的疾病相对增多。这些疾病仅仅靠传统的药物和医疗手段是不能解决的,而干细胞治疗将会成为治疗这类疾病的主要手段。

在美国,每年有数以百万计的人发生各种组织器官的丧失或功能障碍,每年需要800人次的手术修复,年耗资2736.8亿人民币。有数据显示,从1997-2006年每一百万人中新增肾脏和肝脏人口增加了31%和42%,2006年共施行了16700例肾脏移植和6100例肝脏移植。

 

[ 延伸阅读 ]

 

美国1997-2006年每百万人各器官移植次数和移植例数

资料来源:Health, United States, 2009—with special feature on medical technology

 

我国是世界上人口最多的国家,因为创伤、疾病、遗传及衰老等造成的组织器官缺损或功能障碍的人数也位居世界之首:每年烧伤、烫伤病人达500-1000万例;因终末期肝病死亡病例30万人,其中一半死于肝癌;糖尿病每年新发病例160万人;心肌梗塞300-900万人。

还不止如此,不仅面对伤病与死亡的人们需要干细胞,没病没痛的人也需要:不管用百度还是用谷歌搜“干细胞”这个词,最多出现的是治疗那一类疾病的?没搜过一定想不到,其实最多的不是疾病,而是美容!其次才是什么股骨头啦、神经啦、胰腺啦。这也难怪,人类的爱美之心是永无止境的,温饱之余美化一下自己无可厚非。可以预见,干细胞美容应该是羊胎素之后最时髦的美容治疗了。

·世界上的研究浪潮

干细胞具有如此广泛的应用前景,在组织工程、药物筛选及临床干细胞移植治疗神经退行性疾病、糖尿病、血液病等方面均具有极大的应用价值,因此干细胞研究在短短几年之内发展迅速,成为世界各国和大型生物医药企业争夺的生物医学制高点。

最新数据显示,目前全球大约有600项临床试验均涉及干细胞治疗。美国FDA目前已批准多项干细胞临床应用研究计划,涉及的疾病包括退行性神经病变、缺血性心脏病、小儿脑部损伤、急性移植物抗宿主排斥反应等。

在我国,在国务院公布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年)当中,对干细胞及其相关产品有如下描述:在前沿技术,生物技术专项中特别提出了“基于干细胞的人体组织工程技术,干细胞技术可在体外培养干细胞,定向诱导分化为各种组织干细胞供临床所需,也可在体外构建出人体器官,用于替代与修复性治疗。重点研究治疗性克隆技术,干细胞体外建系和定向诱导技术,人体结构组织体外构建与规模化生产技术,人体多干细胞复杂结构组织构建与缺陷修复技术和生物制造技术。”

在国家863项目中,投入到有关干细胞与治疗性克隆、组织工程技术与产品研制、组织器官代用品研发及灵长类动物疾病与评价模型等项目的研究经费达到近2亿元人民币。至此,干细胞和组织工程领域的研究已经被提高到了一个具有战略意义的高度。

毫无疑问,干细胞不仅正引领现有临床治疗模式的深刻变革,而且还将成为21世纪具有巨大潜力的新兴高科技产业之一。正因为如此,各国政府、科学界、企业界以及广大公众给予了极大的关注,已形成了国际性的科技竞争和产业化竞争的热潮,干细胞研究产品正逐步成为衡量一个国家或地区科技发展水平与健康水平的重要标志之一。

同志们!加油啊!

 

2.什么是再生医学

·什么是再生

什么是再生呢?简而言之,机体的一部分在损坏、脱落成被截除之后重新生成的过程就叫再生。

大家应该都有再生的经验,比如头发落了又长,比如换牙,不过要想象壁虎一样尾巴断了再长一个出来就比较难了。

其实再生还分很多种呢!最简单的,就分为生理性再生和病理性再生。

比如换牙啦、血红细胞的新旧交替啦,女同学们来例假时子宫内膜的周期性变化啦,皮肤角质细胞的更换啦(也就是脱皮啦)什么的都是生理性再生。也就是说,实际上我们的身体可以自动的发生再生现象,最酷的是,我们实际上无时无刻都在再生中(强大吧!)。

病理性再生就是因为损伤而引起的再生,比如伤口的愈合(壁虎的尾巴就是一例)。这种再生对于人类这样的高等生物来说,往往是不完全的(谁能像壁虎长出新尾巴一样长出一条新腿来?那不是人,那是妖怪!),长出来的往往是没有功能的瘢痕组织(悲剧了吧!),所以叫不完全再生。

那为什么我们人类不能再生出一条腿,而低等的蝾螈却可以呢?这不是妄称万物之灵了吗?这还要从再生的机制讲起。

·动物细胞与植物细胞的不同——细胞的全能性

我们都知道,每一个生物个体,都是由一个单个的细胞发育而来的,无论是一棵参天大树还是一只小小的蜉蝣,最初都是由一个细胞(受精卵)经过不断的分裂、分化而来的。

但是大家也都知道,我们可以用一棵树的一个枝条培育出另一棵完整的树,却很难用小狗的一条腿培育出另一只完整的狗(到目前为止,克隆动物还是一个非常复杂而且成功率极低的实验)。实际上,理论上讲,一个生物的任何一个细胞都有发育成一个完整的生物体的潜能,这就是所谓的全能性。

什么叫做细胞的全能性呢?

1984年国际组织培养协会作出的定义是:“细胞全能性为细胞的某种特征,有这种能力的细胞保留形成有机体所有细胞类型的能力”。注意了,具有全能性的细胞是拥有可以发育成一个生物个体的能力的。对于植物来讲,几乎所有的细胞都具有全能性。而对于动物来讲,只有受精卵,以及某些胚胎干细胞才具有全能性。一个动物的成体细胞只有通过核移植才有可能获得全能性,从而得到自己的克隆体。

细胞为什么会具有全能性呢?是因为在每个细胞内都存在着这个生物体所包含的所有核基因,这些基因包含有这个生物体的几乎所有的遗传信息。这就是所谓的细胞核的全能性。

那为什么只有植物才可以“返老还童”呢?嘻嘻,其实不是的,所有的构建生物,包括植物、珊瑚,薮枝虫、苔藓等,都是可以“返老还童”的。因为它们的身体是由一套构件组成的个体,可通过其基本的结构单位的反复形成得到进一步发育,其组织、器官等各个部分是可以改变的。

那动物为什么不行呢?其实,这还是一个谜。

·动物的再生——多能性

虽然动物不能像植物那样,随便拿一个什么部分,培养培养,很快就又能形成一个新的植株,但也都是具有一定的再生能力的,而且是越低等的动物,再生能力越强。最低等的比如腔肠科的水螅、涡虫,切成好几段还能长,而且切成几段就可以长成几个个体,简直和孙大圣一样厉害。(真涡虫切成279片后,就能长成279个新个体,拽吧!)此外,蜥蜴能长出断了的尾巴、斑马鱼能再生出它的鳍、鳞、脊髓和部分心脏,蝌蚪可以在几小时内再生出新的尾巴而不留下任何伤疤。但是越高等的动物,这种能力越弱。最典型的例子就是蝌蚪――青蛙:当它还是蝌蚪时,失去的尾巴还是能长回来的,可是当它成为了青蛙,就失去了这种再生能力(好了,青蛙同学,就不要唱“我不想不想长大”了,“成长的烦恼”总是难免的)。

青蛙长大后其再生能力消退

 

那动物的再生能力是从哪里来的呢?这就要从细胞的发育开始谈起了。

我们都知道,所有的多细胞动物,都是从一个细胞(受精卵)开始发育的,发育的方式就是细胞的分裂,一变两,两变四,是一种几何级数的扩增。在这个扩增过程的初期,细胞是均等分裂的,除了细胞核里的核物质复制两套分别组装到两个子代细胞中以外,细胞质也是平均的分配到两个子代细胞中。分裂这么几代后(不同的物种次数不一样),细胞就开始了不均等分裂,核物质还是一样复制一样分配,但是细胞质的物质就开始各有偏向了(这就是所谓的有了“极性”),有些物质分到这个细胞,让这个细胞向某个方向生长,某些物质分到那个细胞,让那个细胞向另一个方向生长。如此这般,细胞们就开始分道扬镳了,大部份细胞越走越远,最终分化成终末细胞,也就是再也不能变成其他种类细胞的细胞。但也有一些细胞中途停了下来,一直保持着向其他方向分化的特性,这种具有分化出多种细胞组织的潜能,但却失去了发育成完整个体的能力,发育潜能受到一定的限制的细胞,就叫多能干细胞。而多能干细胞的分化潜能就叫做多能性。

平时,这些多能干细胞就静静的待在自己的小天地里(比如造血干细胞就待在骨髓里),等到需要时,一声令下,它们就又活动起来,开始分裂,在不均等分裂的情况下,它们就按着预设好的程序,分化成机体需要的细胞种类,然后充实到需要它们的地方去。

那么多能性从哪里来呢?发育遗传学的研究表明,生物的胚胎发育,是一个基因调控的过程,不同的基因依次被打开、关闭。那些较早表达的基因,往往是在进化史上较为古老的祖先基因,较晚表达的基因,则是后来逐渐加入的。因此,胚胎发育的过程就是一个从祖先基因到新近基因的依次表达的过程,所以可以在此过程中重演进化过程的某些特征。在进化过程中,越是古老的生物,就越是简单;而越是高等的生物,越是复杂。越早表达的基因对生物体的影响就越大,当这些基因被依次打开、表达之后,细胞就走上了“不归路”,再也不能回头了。也就是说,越简单的生物越容易从头来,越复杂的生物越不容易从头来。

·人类如何获得再生能力——再生医学

作为一种智慧生物,人类应该说是地球上最复杂的生物了。从这个意义上讲,人类也应该是再生能力最弱的一种生物了。但是亚里士多德说“人类是有理性的动物”,人类可以运用工具来延伸自己的能力,达到其他动物望尘莫及的地步。苍鹰飞得再高,高不过宇宙飞船;猎豹跑得再快,快不过一级方程式赛车。人类总是有办法来达到自己的目的的。

其实所谓“再生”,在人类历史上早已有之――七千多年前古埃及人就已经开始使用木制的假肢;公元600年玛雅人就在用贝壳制作假牙,这些都是古代的“组织工程学”。

不过,这不能算严格意义上的“再生医学”,严格意义上的再生医学我们前面已经说过,它是:通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及细胞分化机制,寻找有效的生物治疗及工程学的方法,促进机体自我修复与再生,或构建新的组织与器官,以改善或恢复损伤组织和器官的功能的科学。

也就是说利用人体自己的资源(或者再加上不多的一些人造材料)进行损伤修复的科学。

现代的再生医学已经取得了飞速的发展:

2004年8月,德国科学家斯米勒等人成功地复制了一位56岁患者的下颌骨,就像吴宇森的电影《变脸》一样,那位原本不能正常进食的患者成功的获得了一张“新脸”,而且还恢复了正常的饮食生活。

斯米勒等人先用电脑扫描,模拟出患者下颌骨的尺寸大小,做出钛合金的金属支架,再从患者的骨髓中取出骨髓干细胞,与生长激素混合在一起,涂抹在钛合金金属支架上,一起移植在患者的右肩胛骨里,经过8个星期的“体内”培养之后,成功的复制出了患者的下颌骨。他们再将培养好的下颌骨取出,移植到患者的下巴上,这样,患者就成功地得到了一个“新下巴”。

有趣的是,作为世界上首例成功使用背部肌肉血液培养下颌骨的科学家,斯米勒的意思就是“微笑的人”(smiler),这是一个给世界带来微笑的科学家。谁说科学家都是制造“弗兰肯斯坦”的“极客”。

美国俄亥俄州克利夫兰的亚特里奥赛特公司利用约翰霍普金斯大学研究出的一种以纳米纤维为基础的体外细胞扩增的新技术可以利用造血干细胞在体外大量生产血液。2010年7月他们制造的第一批人造血已经被送往FDA审批。不过预期人造血液的临床实验要到2013年以后才能开展,乐观地看,到2015年就应该能看到它的应用了。

在各国科学家的努力下,再生医学正在飞速地发展中,近年来令人瞠目结舌的新进展、新成果不断。甚至有人提出,我们这一代人也许是“最后一代原装人”,因为再生医学的发展可以使我们活到120岁、150岁甚至更长,在这100年左右的时间里,人类科技的发展就有可能使我们“长生不老”,也许可以不要肉体,而只把我们的意识保留在计算机中云云。

这不能不说是一种美好的梦想,正如科学松鼠会所说的那样:“在飞速发展的科技面前,你不得不感叹,现实有时候比科幻小说还富有魔幻主义。”

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