科普干细胞是怎样进行组织修复和再生的

这是壹加健康的第篇文章◆◆组织再生，物种有别◆◆

众所周知，许多无脊椎动物有着令人惊羡的再生能力，但再生并非是无脊椎动物的专利。譬如，蝾螈这种脊椎动物的再生能力就相当惊人。它们不但能再生出尾巴和四肢，甚至还能再生出心脏、大脑、视网膜等结构。更有趣的是，它们的再生能力并不仅限于幼年期，而是在整个生命周期中都能得到保持。这也让以蝾螈为代表的两栖类动物成为了再生医学的良好模型。

▲蝾螈有着极强的再生能力

研究表明，蝾螈等动物模型的组织再生涉及到多个复杂步骤，有多种不同来源的细胞参与。以四肢的再生为例，首先，伤口会以无疤痕的方式愈合；之后，未分化的细胞会表现出干细胞的特性，依照组织类型的不同，产生特定的再生功能；最后，这些成年动物会出现类似于胚胎发育的过程，实现四肢再生。

与两栖类动物不同，哺乳动物的再生能力受到一定的限制。总体来看，只有处于发育早期，以及出生后不久的哺乳动物才具有较佳的再生能力，而成年动物组织的再生能力十分有限，会在伤口愈合的过程中形成疤痕，且带来异常的组织重建。少有的几个例外是成年动物的骨骼肌、口腔粘膜、以及大部分肝脏。许多研究提示，成年动物再生能力的下降，可能与免疫系统的发育有关。

越来越多的研究表明，为了修复受损的部位，干细胞或局部的去分化细胞会与免疫系统、细胞外基质、可溶生长因子、以及细胞信号进行交流。而在胚胎与成人组织中，这些要素往往有着不同：比如说在胚胎里，细胞外基质中的III类胶原蛋白相较I类胶原蛋白而言，水平要显著增高；而在成人的组织中，这两类胶原蛋白的丰度正好相反。这些不同或许解释了为何在哺乳动物中，胚胎与成人的伤口愈合能力有巨大差别。

◆◆干细胞与组织再生◆◆

许多研究指出，在组织再生的过程中，干细胞起到了重要的作用。这类细胞经过增殖和分化，发育成具有特定功能的成熟细胞系。根据其分化能力的不同，干细胞又能被分为两类：第一类是多能干细胞（pluripotentstemcells，包括胚胎干细胞和诱导性多能干细胞），第二类是专能干细胞（multipotentstemcells）和单能干细胞（unipotentstemcells，也称成体干细胞）。顾名思义，第二类干细胞的分化能力有限，但它们却在组织再生中扮演了关键角色——组织内的内源干细胞，几乎都是成体干细胞。它们在组织轻微受损后，可协助修复过程，帮助组织恢复正常功能。

在人体内，干细胞有分化成多类细胞的潜力，这包括了骨细胞、软骨细胞、肌肉细胞、以及脂肪细胞。而根据来源的不同，间充质干细胞可以被划分为几种：来源于骨髓的干细胞具有移动到身体远端的能力，且能与免疫系统相互作用，并生产具有生物活性的分子，以创造一个适合组织修复的微环境。因此，它在医疗上具有一定的潜力。举例来说，它有望被用于治疗肌肉、骨骼、心血管、肝脏、肾脏、以及神经系统的疾病。

▲干细胞的信号通路

脂肪与皮肤也是干细胞的主要来源。对人类来说，脂肪组织里有着丰富的专能干细胞，它们能在体内或体外环境下进行分化，可产生多种细胞类型。皮肤作为人体最大的器官，同样是干细胞的一大来源。这两类干细胞同样有着良好的医疗潜力。利用来源于脂肪的干细胞，已成功治疗了一名颅骨多处损伤的患者；而来自皮肤的干细胞也有望治疗诸多皮肤相关的疾病。

干细胞对人体组织产生修复作用。第一个例子是晶状体的再生：在移除白内障后，晶状体干细胞在合适的微环境下，能促进晶状体再生；第二个例子是在肝脏中，被激活的干细胞能够增殖、分化成胆管细胞和肝细胞；第三个例子是心脏的再生，众所周知心脏的再生能力较差，这也是心脏疾病难治的原因之一，但在一些案例中，我们依旧在成年哺乳动物中观察到了一定的再生能力。其中的解释之一，就是心脏祖细胞（一类专能干细胞）在发挥作用。

◆◆专能干细胞的微环境◆◆

专能干细胞的微环境能让组织中的干细胞保持长久的自我更新功能，对于它们执行正常的功能有着关键的作用。目前，已经找到了不少案例，涵盖肝脏干细胞、骨髓干细胞、以及种系干细胞、上皮干细胞、神经干细胞等类型。在对这些案例进行分析后，科学家们发现，尽管涉及到细胞种类有所不同，但这些微环境却有许多相似之处。

具体来说，一个典型的干细胞微环境会包括细胞、细胞外基质、以及可溶性因子（如生长因子）。一般而言，这些适合干细胞的微环境深植于组织内部，以维持特定的氧气、离子、生长因子、细胞因子、以及趋化因子的梯度。

▲干细胞的分化受到了细胞外基质的影响

科学家们发现，细胞与细胞外基质的相互作用，是干细胞潜力的重要调节与决定因素。不少干细胞位于细胞外基质之中，而后者往往就是干细胞与其子细胞的产物。这些基质由大量分泌蛋白组成，与细胞之间动态互动。人们发现，不同组织或器官的基质有不同的结构特征，往往由其功能所决定。比如对于心脏这一在发育过程中最早获得功能的器官来说，一系列特殊的细胞类型必须在基质中汇集，以配合泵血功能。而在骨骼组织中，基质中的分子则会提供结构上的支持。

而干细胞的分化也会受到基质的影响。基质通过维持其结构的完整性，来维持干细胞的身份，并对它们的激活进行调节。举例来说，细胞外基质刚性的不同，能影响到骨髓干细胞的增殖、迁移、以及分化。此外，除了细胞外基质本身，位于基质中的生长因子和糖蛋白对于干细胞也有重要的调节作用。

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