人體組織器官構(gòu)建

發(fā)育分化之謎

細(xì)胞是生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。不具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命體，如病毒、朊病毒（一種感染性蛋白質(zhì)，是瘋牛病的致病因子）、類病毒（一種感染性核糖核酸，即RNA，是許多植物的病原體）等，都寄生在細(xì)胞內(nèi)生活和繁殖，離開了細(xì)胞這個(gè)宿主，這些生命體就無法進(jìn)行生命活動(dòng)，只能失活或進(jìn)入休眠狀態(tài)。

細(xì)胞生命活動(dòng)受到自身遺傳物質(zhì)調(diào)控，同時(shí)也受到外來物質(zhì)影響。當(dāng)細(xì)胞受到細(xì)菌、病毒、真菌等病原體入侵時(shí)，自身生命活動(dòng)就會(huì)受到干擾，甚至造成死亡。但是，有一些外來物質(zhì)卻能改變細(xì)胞的發(fā)育分化能力，使普通體細(xì)胞具有干細(xì)胞特性。譬如，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell，ips cell），即 iPS 細(xì)胞。2006 年，日本京都大學(xué)科學(xué)家山中伸彌（Shinya Yamanaka）首先報(bào)道了iPS細(xì)胞，研究成果發(fā)表在世界著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）上，一時(shí)引起生物醫(yī)學(xué)界的普遍關(guān)注。由于這一成就，2012年山中伸彌獲得了“諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)”。

原來山中伸彌的科研團(tuán)隊(duì)，把4種基因（Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4）轉(zhuǎn)入了小鼠成纖維細(xì)胞，使普通體細(xì)胞變成了干細(xì)胞。本來小鼠成纖維細(xì)胞是已經(jīng)完成了分化的細(xì)胞，不具有分化為其他細(xì)胞的能力。但當(dāng)成功轉(zhuǎn)入這些基因后，具有了胚胎干細(xì)胞能力，可以分化為其他種類的細(xì)胞。2007年，山中伸彌實(shí)驗(yàn)室和湯普森（Thompson）實(shí)驗(yàn)室又幾乎同時(shí)報(bào)道，iPS細(xì)胞技術(shù)也能誘導(dǎo)人皮膚細(xì)胞成為和胚胎干細(xì)胞類似的多能干細(xì)胞。不同的是，山中伸彌實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)入的四種基因是Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4，湯普森實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)入的四種基因是 Oct4、Sox2、Nanog、LIN28。

由于轉(zhuǎn)入外源基因的干細(xì)胞在臨床治療時(shí)具有安全風(fēng)險(xiǎn)，后來國內(nèi)外一些生物醫(yī)學(xué)家開始研究，通過改變普通體細(xì)胞的生存環(huán)境使之轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞。若能成功，就可以極大地拓展干細(xì)胞來源，因?yàn)樘烊粊碓吹母杉?xì)胞數(shù)量極為稀少，在臨床上大規(guī)模應(yīng)用受到一定限制。

2014年伊始，80后美女科學(xué)家、日本理化學(xué)研究所發(fā)育與再生醫(yī)學(xué)綜合研究中心學(xué)術(shù)帶頭人小保方晴子（Haruko Obokata）在英國著名國際權(quán)威雜志《自然》（Nature）上連發(fā)兩篇文章，闡明了刺激觸發(fā)獲得全能性（stimulus triggered acquisition of pluripotency，STAP）細(xì)胞的理念及制備方法。她是利用一種低pH的弱酸性溶液處理小鼠淋巴細(xì)胞，使之去分化（與分化方向相反的轉(zhuǎn)化）從而獲得具有干細(xì)胞特性的細(xì)胞。但是后來事情發(fā)生了戲劇性變化。

令人大跌眼鏡的是，小保方晴子的這項(xiàng)研究被證實(shí)涉嫌學(xué)術(shù)造假。最終已經(jīng)發(fā)表的研究論文被撤稿，博士學(xué)位也被母校早稻田大學(xué)取消。心灰意冷的她，只好宣布辭職。曾經(jīng)轟動(dòng)一時(shí)的世界科技明星、日本的“居里夫人”跌落神壇。在一次國際干細(xì)胞大會(huì)上，筆者曾與日本山梨大學(xué)范教授討論過試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)問題，雙方都認(rèn)為暫時(shí)重復(fù)不出來不是檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的唯一標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)，有些生物醫(yī)學(xué)研究的成功率本來就非常低，譬如克隆羊多莉的試驗(yàn)成功率僅有0.36%，這可能與最初技術(shù)不夠成熟有關(guān)。短期內(nèi)重復(fù)不出來，也不見得是技術(shù)本身不可行，可能是由于眾多影響試驗(yàn)結(jié)果的因素某一個(gè)出了問題。科學(xué)研究是一個(gè)不斷完善的過程，也是一個(gè)長期驗(yàn)證的過程。如何將已經(jīng)完成分化的成體細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為干細(xì)胞？這原本就是一個(gè)世界性難題。

近年來，國內(nèi)外一些實(shí)驗(yàn)室一直在探索“通過改變環(huán)境條件進(jìn)行誘導(dǎo)，不轉(zhuǎn)入外源基因，使普通體細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為干細(xì)胞”這一世界性難題，但迄今為止，并沒有明確結(jié)論。不僅如此，干細(xì)胞怎樣分化為其他類型的組織細(xì)胞，也沒有完全弄清楚。迄今為止，一些干細(xì)胞發(fā)育分化機(jī)制問題，仍是未解之謎。

但是，目前在實(shí)驗(yàn)室中鑒定干細(xì)胞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，是在體外培養(yǎng)條件下，能否分別誘導(dǎo)分化為軟骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞。

自然孕育

人類的生殖細(xì)胞是精子和卵子，均為單倍體細(xì)胞，含有23條染色體，其中一半精子含有Y染色體，另一半精子含有X染色體。在輸卵管壺腹部，精子遇到卵子，結(jié)合后成為受精卵，這個(gè)過程叫受精，或稱受孕。受精卵為二倍體細(xì)胞，含有46條染色體。

男子一次射出的精液有2～6毫升，每毫升精液通常含有超過6 000萬個(gè)精子。盡管精子數(shù)量龐大，但是卵子一次只能結(jié)合一個(gè)精子，只有最強(qiáng)壯、勇敢的精子才有機(jī)會(huì)與卵子結(jié)合。若是含有Y染色體的精子（22+Y）和卵子（22+X）結(jié)合成為受精卵（44+XY），將發(fā)育出男性胎兒；若是含有X染色體的精子（22+X）和卵子（22+X）結(jié)合成為受精卵（44+XX），將發(fā)育出女性胎兒，這就是人類生男生女的奧秘。有人認(rèn)為生男生女是由母親單方面決定，這不科學(xué)。應(yīng)該是與父母雙方都有關(guān)系，因?yàn)榧扔心蟹教峁┑腨精子、X精子的質(zhì)量和活力問題，又有女方輸卵管環(huán)境最適合與哪種精子結(jié)合的問題。

受精過程是在輸卵管上段完成，之后受精卵沿輸卵管向子宮方向移行，同時(shí)受精卵開始不斷地進(jìn)行細(xì)胞分裂，稱為卵裂。隨著卵裂持續(xù)進(jìn)行，細(xì)胞數(shù)量不斷增加，體積逐漸變小，到第三天形成一個(gè)由眾多細(xì)胞構(gòu)成的實(shí)心細(xì)胞團(tuán)，稱為桑椹胚。受精后第四天，隨著桑椹胚細(xì)胞繼續(xù)分裂，細(xì)胞間出現(xiàn)小間隙，逐漸匯合為大間隙，形成空心細(xì)胞團(tuán)，稱為囊胚，又稱胚泡。胚泡進(jìn)入子宮腔，不斷長大，與子宮內(nèi)膜接觸，逐漸埋入子宮內(nèi)膜，這一過程稱為植入，或稱著床。植入從受精后第5～6天開始，第11～12天結(jié)束。胚泡就像植物的種子，植入子宮內(nèi)膜后就好比埋入土里，獲得母體豐富的營養(yǎng)供應(yīng)后，開始發(fā)芽。

胚泡外面是滋養(yǎng)層，為一層扁平細(xì)胞；內(nèi)部是一空腔，有內(nèi)細(xì)胞群。內(nèi)細(xì)胞群發(fā)育分化為由內(nèi)、中、外三個(gè)胚層構(gòu)成的胚盤，是人體各組織器官的原基，人體各器官和組織就起源于這三個(gè)胚層。

外胚層發(fā)育的組織器官包括神經(jīng)系統(tǒng)（中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)）的主要器官、松果體、神經(jīng)垂體、視網(wǎng)膜、角膜上皮、晶狀體、牙釉質(zhì)、皮膚表皮及其附屬器、口腔黏膜、鼻腔黏膜、肛門上皮等；中胚層發(fā)育的組織器官包括泌尿生殖系統(tǒng)的主要器官等；內(nèi)胚層發(fā)育的組織器官包括消化管、消化腺、呼吸道、肺、中耳、甲狀腺、甲狀旁腺、胸腺、膀胱、陰道等的上皮組織。滋養(yǎng)層細(xì)胞發(fā)育分化為胎膜和胎盤，是對(duì)胚胎具有保護(hù)、營養(yǎng)、呼吸、排泄、內(nèi)分泌等作用的附屬結(jié)構(gòu)。胎兒娩出后，胎膜、胎盤連同子宮蛻膜一起排出母體外，統(tǒng)稱為衣胞。

從受精到胎兒自然娩出，大約需要38周的時(shí)間。若從孕婦末次月經(jīng)第一天到胎兒自然娩出，大約40周的時(shí)間。整個(gè)胎兒發(fā)育過程要經(jīng)歷266天左右，會(huì)因孕婦個(gè)體差異略有不同。

俗話說“十月懷胎一朝分娩”，實(shí)際為九個(gè)月左右，到不了十個(gè)月。其中第一個(gè)月是胚芽期，胚芽長0.5～1厘米，形狀很像一條小海馬；第二個(gè)月是胚胎期，胚芽發(fā)育成胚胎，胎兒身長2～3厘米，體質(zhì)量約4克，長出了手、腳、眼睛、耳朵、嘴，臉部能辨別出人形，能監(jiān)聽到心臟跳動(dòng)，身體開始伸直；第三個(gè)月是胎兒期，手指、腳趾清晰可見，胎盤形成臍帶并逐漸長長，性器官形成，月底胎兒可達(dá)9厘米長；第四個(gè)月，胎兒的眼睛、鼻子、耳朵已完全形成，身長約18厘米，體質(zhì)量約120克，胎兒泡在羊水里，像桃花水母在海水里蕩來蕩去；第五個(gè)月，胎兒的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和感覺神經(jīng)開始發(fā)育，出現(xiàn)肌肉細(xì)微活動(dòng)，能感覺到胎動(dòng)，肝臟開始造血，全身開始長毛，頭發(fā)、指甲長出來，身長23～25厘米，體質(zhì)量250～300克；第六個(gè)月，胎兒長出頭發(fā)、眉毛、睫毛，骨骼長得結(jié)實(shí)，但由于沒有皮下脂肪，顯得精瘦，長約30厘米，體質(zhì)量約650克；第七個(gè)月，胎兒眼瞼打開，有眼睫毛，大腦逐漸發(fā)達(dá)起來，感覺系統(tǒng)逐漸增強(qiáng)，眼睛對(duì)光線的明暗有反應(yīng)，身長35～38厘米，體質(zhì)量約1 000克；第八個(gè)月，胎兒發(fā)育接近成熟，此時(shí)產(chǎn)出也能存活，身體出現(xiàn)一塊塊小肌肉，雙腿又蹬又踢，胎動(dòng)明顯增強(qiáng)，聽覺系統(tǒng)發(fā)育完成，開始有了意識(shí)，身長約40厘米，體質(zhì)量約1 800克；第九個(gè)月，胎兒大腦盡管沒有完全發(fā)育成熟，但已經(jīng)十分發(fā)達(dá)，對(duì)外部刺激有了喜歡或討厭的表情變化，體內(nèi)各個(gè)器官已經(jīng)發(fā)育成熟，身體變成圓形，皮膚有光澤，身長約45厘米，體質(zhì)量約2 500克；第十個(gè)月，嬰兒誕生。

精子和卵子結(jié)合的受精過程，可以在親生母親體內(nèi)進(jìn)行，也可以在試管內(nèi)進(jìn)行，后者稱為輔助生殖技術(shù)，產(chǎn)生的嬰兒稱為試管嬰兒。輔助生殖可以解決男女不孕不育問題，進(jìn)行香火延續(xù)。

自1978年7月25日世界首例試管嬰兒在英國誕生，迄今試管嬰兒技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第三代。中國試管嬰兒技術(shù)的發(fā)展很快。中國大陸第一例試管嬰兒叫鄭萌珠，誕生于1988年3月10日北京大學(xué)第三醫(yī)院，母親是甘肅一位民辦教師，患輸卵管阻塞，結(jié)婚20年未懷孕。鄭萌珠誕生后身體、智力發(fā)育狀況良好，長相似她母親，如今早已大學(xué)畢業(yè)。2011年11月27日，首例第三代試管嬰兒在上海誕生。2019年4月15日，中國大陸首例試管嬰兒鄭萌珠，在北京大學(xué)第三醫(yī)院她當(dāng)年出生的地方，順利產(chǎn)下一名男嬰，身長52厘米，體重3 850克。這是中國大陸首例“試管嬰兒二代寶寶”，具有重要的生物醫(yī)學(xué)意義和社會(huì)意義。

無論是自然受孕還是人工受孕，受精卵的增殖、分化、生長、發(fā)育，直至胚胎形成，都是受到細(xì)胞內(nèi)基因調(diào)控的結(jié)果。正是由于細(xì)胞內(nèi)的各種基因按照先后順序在細(xì)胞不同部位有序表達(dá)，整個(gè)胚胎發(fā)育過程才得以順利進(jìn)行。這種不同基因在時(shí)間和空間上差異表達(dá)的過程，就像預(yù)先設(shè)定的計(jì)算機(jī)程序一樣，稱為基因編程表達(dá)，或者稱為基因的時(shí)空差異表達(dá)。人體設(shè)定基因表達(dá)程序的一種編程語言是染色體開放狀態(tài)。

對(duì)于人類胚胎發(fā)育來說，哪些基因先表達(dá)，哪些基因后表達(dá)，在什么地方表達(dá)，都是人類胚胎發(fā)育的頂級(jí)秘密，也是生命科學(xué)的最大難題之一，迄今科學(xué)界還沒有揭開謎底。

但是，科學(xué)家已經(jīng)在科學(xué)研究中找到了一些線索。譬如，在進(jìn)化歷史中最新出現(xiàn)的基因會(huì)優(yōu)先表達(dá)，最后出現(xiàn)的基因往往會(huì)延后表達(dá)。這就是基因編程的結(jié)果。

體外再生

試管嬰兒技術(shù)雖然人為干預(yù)了受精過程以及改變了受精場(chǎng)所（子宮），但是精子、卵子、子宮都是天然的人體細(xì)胞、器官，胚胎發(fā)育過程仍是自然發(fā)生、發(fā)展，最終誕生的是嬰兒個(gè)體。然而在臨床上，許多有組織器官功能衰竭或結(jié)構(gòu)功能嚴(yán)重障礙的患者，迫切需要進(jìn)行組織器官移植，但是受到組織器官來源困難的限制（捐獻(xiàn)者極少、捐獻(xiàn)途徑不足），眾多患者沒有合適的組織器官可供移植，導(dǎo)致得不到有效治療。若能在體外再生需要的組織器官，用于臨床移植治療，可使更多患者得到有效治療。

在體外再生組織器官的技術(shù)統(tǒng)稱組織工程。若再生的是器官，也叫器官工程。它是利用種子細(xì)胞、生物材料支架、組織工程生物反應(yīng)器、生長因子等材料和設(shè)備，在體外模擬組織器官在體內(nèi)的生長發(fā)育環(huán)境，從而再生出需要的組織器官。

種子細(xì)胞是再生組織器官的基礎(chǔ)，再生的組織器官是由它們?cè)鲋场⒎只l(fā)育形成。種子細(xì)胞的選擇至關(guān)重要，就像優(yōu)良的植物種子更容易發(fā)芽和長出健康植株一樣，理想的種子細(xì)胞更利于組織器官再生。

由于具有可塑性強(qiáng)、增殖分化能力旺盛、能再生其他類型組織細(xì)胞等優(yōu)勢(shì)，各種干細(xì)胞是理想的種子細(xì)胞。生物材料支架，一方面為再生的組織器官塑形，另一方面為種子細(xì)胞提供增殖分化場(chǎng)所；待組織器官再生完成后，生物材料支架可被細(xì)胞釋放的水解酶降解吸收，變?yōu)榧?xì)胞養(yǎng)料。組織工程生物反應(yīng)器模擬體內(nèi)組織細(xì)胞生長的物理（機(jī)械刺激、生物電、流體力學(xué)等）、化學(xué)（pH、溫度、離子濃度等）、生物環(huán)境（細(xì)胞外基質(zhì)、激素、神經(jīng)遞質(zhì)、生長因子等），為組織器官再生創(chuàng)造適宜環(huán)境。生長因子可以調(diào)節(jié)種子細(xì)胞發(fā)育分化、再生需要的組織器官。組織工程涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、3D打印、4D打印等眾多學(xué)科技術(shù)，是一門新興的邊緣學(xué)科，屬于當(dāng)代科學(xué)的前沿領(lǐng)域。

組織工程技術(shù)自誕生以來取得了眾多可喜的成績，有些組織工程產(chǎn)品得到了臨床應(yīng)用，如組織工程皮膚、組織工程軟骨、組織工程骨、組織工程血管、組織工程心臟瓣膜、組織工程角膜等，尤其是組織工程皮膚，產(chǎn)品種類多，技術(shù)相對(duì)成熟。但是，一些復(fù)雜人體器官，如腎臟、心臟、肺臟、肝臟、胰臟等，迄今在體外還無法再生。主要原因是，目前在實(shí)驗(yàn)室里還無法真正復(fù)制胚胎在母體子宮里的生長發(fā)育環(huán)境，同時(shí)對(duì)胚胎發(fā)育的遺傳基因調(diào)控機(jī)制還知之甚少。當(dāng)然，隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)快速發(fā)展，將來肯定會(huì)出現(xiàn)越來越多的組織工程器官，為更多等待器官移植的患者帶來福音。