利用最新干细胞技术,科学家成功修复角膜和晶状体。这代表了一种新的技术方法,对再生医学的发展有着广泛而深刻的影响。2016年3月9日,《自然》杂志报道了两项干细胞在治疗眼疾中的应用,它们分别由日本和中国、美国的科学家完成。
在第一项研究中,日本的研究人员将诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS cell)诱导分化出了角膜组织细胞,成功修复了兔子的受损眼角膜。第二项研究中,中国和美国的研究人员通过采用一种改进的手术,刺激自体内源的晶状体上皮干细胞(lens epithelial stem cells, LECs)分化,使十几个患有先天白内障婴儿的眼睛再生出了晶状体。
眼睛的构造相当于一台照相机,光线透过角膜和晶状体两个镜头的折射,才能将影像完美呈像于如底片一般的视网膜上。眼睛是一个由高度特化的不同组织构成的复杂器官,不同组织由不同的原生细胞谱系发育而来。例如,视网膜是由神经外胚层通过视泡发育形成;角膜上皮由表面外胚层下降形成。致病基因导致的遗传性眼疾、视神经病变以及外伤所致的不同程度的失明,是危害人类视力健康的主要疾患。
而近年来干细胞的研究进展,为眼科学的发展注入了活力,为各类眼疾的诊治提供了新的方法思路。干细胞(stem cells)是一类能够自我更新、不断增殖,具有多向分化潜能的未分化细胞。其中胚胎干细胞来源于胚胎组织,成体干细胞存在于成体的特定组织,是组织器官修复和再生的基础。例如视网膜干细胞、晶状体上皮干细胞(LECs),就是位于眼部的成体干细胞。
诱导性多能干细胞( iPS cell)是由已分化成熟的体细胞重编程得到,可在体外定向诱导分化出功能性的多种成熟细胞,在再生医学、组织工程和药物筛选等方面极具应用价值。日本科学家最新的研究发现,当给予特定培养条件,人的iPS细胞分化产生的眼部细胞,能够自我形成外胚层自主性多区结构(self-formed ectodermal autonomousmulti-zone,SEAM)。
同心状的SEAM结构的形成,模拟了整个眼睛的发育,其不同位置区域的细胞代表了不同的细胞谱系,包括眼表面外胚层细胞、晶状体细胞、神经视网膜和视网膜色素上皮细胞。经iPS细胞诱导分化形成的SEAM近似于“类眼样”(eyelike)结构。
当研究人员将SEAM的其中一层细胞分选出来,经体外增殖培养后,移植到角膜失明的动物模型兔子的眼中,发现它们可以长成角膜上皮细胞,从而成功修复了损伤的角膜,恢复了兔子的视力。中山大学刘奕志教授和加州大学圣地亚哥分校张康教授的最新研究,证实了LECs决定了晶状体组织的再生,并找到了影响LECs增殖的关键蛋白质。
之后,为了最大程度上保留内源性LECs,维持其自然的生长环境,研究人员改进了传统的手术,采用了新的微创方法,即在晶状体囊的一侧做一个小切口,只取出了白内障病变组织,并不替换所有晶状体内容物。这个步骤不会损坏晶状体囊,能刺激原有的LECs形成新的晶状体。通过在动物模型中实施该微创手术,兔子和猴子的眼睛里得以成功再生出视觉功能完好的晶状体。
在临床治疗上,医生选取了两岁以内的37名患有先天白内障的患儿,对其中25名患儿实施常规晶状体替换手术,接受这类手术的患儿出现术后炎症、眼部高压和晶状体混浊加重的机率更高。而对其余12名患儿,则实施改进后的微创手术,经该手术治疗的患儿出现的并发症较少,伤口愈合也更快,大约术后三个月,LECs发育成了新的晶状体。这项研究的结果提示,晶状体再生对于年龄相关的白内障老年患者来说,或许也是可能的。
但是儿童和成人白内障的病症有很大不同。成年患者的硬核白内障可能需要白内障超声乳化术,这可能会损害晶状体上皮干细胞。此外,晶状体组织是否一致,晶状体囊的厚度和弹性状态,也是成年晶状体再生面临的困难。再生能力的差异提示成人晶状体再生可能需要更长的时间。如何使LECs保持增殖分化的能力,缩短晶状体再生所需的时间,减少年龄因素的影响,将是研究人员用此项技术治疗成人白内障的最大挑战。
张康教授表示,干细胞研究的终极目标,就是用病人自己的干细胞治疗疾病。给予其它器官的干细胞一定的刺激,使其再生出新的器官,这一点或许也是可能的。但目前这类应用仅仅是梦想。他说,这项工作带给我们很大启发,即如何利用我们自身的再生能力使新的人体组织或器官再生,治愈人类疾病。它代表了一种新的技术方法,对再生医学的发展有着广泛而深刻的影响。