幾乎所有人類疾病，無論是損傷、感染、慢性病還是退行性疾病，都會(huì)損害組織（1）。此外，45%的死亡可歸因于炎癥和纖維化相關(guān)的再生失敗（1）。在損傷后恢復(fù)健康需要回答一個(gè)關(guān)鍵問題：如何誘導(dǎo)人體組織再生？確定指導(dǎo)難治性組織沿著再生路徑前進(jìn)的指導(dǎo)性線索仍然是一個(gè)關(guān)鍵但難以捉摸的目標(biāo)。盡管如此，針對(duì)阻礙再生的障礙的方法，包括祖細(xì)胞不足和/或功能不足、纖維化和慢性炎癥，正在繼續(xù)從基礎(chǔ)到床邊發(fā)展。使用細(xì)胞療法、體內(nèi)重編程、合成生物學(xué)以及抗纖維化和抗炎療法克服這些障礙已經(jīng)取得了關(guān)鍵進(jìn)展，但仍然存在許多挑戰(zhàn)，必須解決知識(shí)差距，以使再生成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的支柱（1）。

Emerging frontiers in regenerative medicine | Science

再生療法最顯著的要求是替換因疾病而丟失或受損的組織成分。激活內(nèi)源性干細(xì)胞是一種有吸引力的策略，但迄今為止，最大的益處已經(jīng)來自細(xì)胞療法?；诔审w干細(xì)胞的再生療法已被證明對(duì)治療血液系統(tǒng)惡性腫瘤、燒傷創(chuàng)面和眼部變性具有臨床益處。這些治療方式也有助于基因編輯以糾正單基因擾動(dòng)。例如，一名患有交界性大皰性表皮松解癥（一種由層粘連蛋白-332基因突變引起的致命皮膚?。┑男∧泻⒔邮芰俗泽w（患者自己的）皮膚移植治療（2）。收集男孩皮膚的毫米大小樣本，并用表達(dá)野生型層粘連蛋白332 cDNA的逆轉(zhuǎn)錄病毒載體進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo);然后將組織在體外擴(kuò)增，然后移植以恢復(fù)80%的體表面積。

基于人類多能干細(xì)胞（hPSC）的療法也顯示出前景，并已在美國(guó)進(jìn)入臨床試驗(yàn)，用于1型糖尿?。?/span>T1D;NCT04786262），帕金森病（PD;NCT02452723和NCT03119636）和年齡相關(guān)性黃斑變性（AMD;NCT04339764） （3）.這三種疾病特別適合基于干細(xì)胞的療法，因?yàn)樗鼈兣c特定細(xì)胞類型的缺乏有關(guān)：T1D中產(chǎn)生胰島素的胰島，PD中的中腦多巴胺能（mDA）神經(jīng)元和AMD中的視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞。此外，移植部位可以通過手術(shù)進(jìn)入。正在評(píng)估實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的hPSC在減輕疾病癥狀方面的安全性和有效性。一名接受自體hPSC衍生mDA神經(jīng)元中腦移植的PD患者的病例報(bào)告顯示移植穩(wěn)定，無免疫反應(yīng)，植入后2年表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)功能改善（4）。

盡管有這些早期的成功，但細(xì)胞療法受到許多生物學(xué)和技術(shù)障礙的阻礙。源自誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）的基于自體hPSC的療法可避免免疫惡化，但這種成本和勞動(dòng)密集型策略需要對(duì)每次使用進(jìn)行安全性測(cè)試。非自體細(xì)胞治療的一個(gè)主要問題是移植物的免疫排斥反應(yīng)。因此，“現(xiàn)成的”同種異體療法必須與允許它們避免排斥的策略相結(jié)合，例如T1D hPSC治療中的全身免疫抑制（NCT04786262）。另一種策略是將移植物封裝在選擇性滲透屏障內(nèi)，以允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和治療分子（例如胰島素）的擴(kuò)散，同時(shí)排除會(huì)排斥移植細(xì)胞的免疫成分。為了避免纖維化異物反應(yīng)，最近的化學(xué)修飾藻酸鹽包封策略在非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型中顯示出希望。然而，一項(xiàng)使用類似方法遞送表達(dá)因子VIII的細(xì)胞用于治療血友病A（NCT1）的04541628期臨床試驗(yàn)在患者經(jīng)歷嚴(yán)重不良免疫事件后停止，隨后，植入的膠囊被發(fā)現(xiàn)纖維化。盡管如此，封裝策略在其他情況下正在向前發(fā)展，包括最近美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)對(duì)封裝干細(xì)胞來源的胰島進(jìn)行人體試驗(yàn)（NCT05791201）。此外，正在進(jìn)行的工作正在研究減少免疫排斥的其他策略，包括移植細(xì)胞的基因工程以逃避免疫識(shí)別或分泌誘導(dǎo)局部免疫耐受的免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子。

推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)進(jìn)步的治療前沿

再生的三個(gè)主要障礙是祖細(xì)胞功能不足、慢性炎癥和纖維化。正在進(jìn)行的臨床試驗(yàn)正在測(cè)試hPSC衍生的β細(xì)胞和mDA神經(jīng)元分別治療1型糖尿病和帕金森病的功效。正在開發(fā)合成細(xì)胞因子和生物反應(yīng)系統(tǒng)來限制炎癥。抑制成纖維細(xì)胞和成纖維細(xì)胞抗原特異性CAR-T細(xì)胞中的機(jī)械傳感途徑正被用于限制纖維化。

在皮膚中產(chǎn)生足夠數(shù)量的細(xì)胞用于植入已經(jīng)成功（2），但對(duì)其他器官的再生組織構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，特別是如果移植后只有一小部分細(xì)胞存活。例如，hPSC衍生的mDA神經(jīng)元的存活率為～0.5%至10%，并且正在努力確定移植物丟失的潛在機(jī)制。此外，當(dāng)需要復(fù)雜的細(xì)胞混合物時(shí)，例如在肺中實(shí)現(xiàn)氣體交換，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)囊浦参锶匀皇且粋€(gè)挑戰(zhàn)。利用組織自組裝和類器官形成轉(zhuǎn)移復(fù)雜組織單位的臨床前研究正在進(jìn)行中。

組織過度生長(zhǎng)是干細(xì)胞療法的主要關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)檗D(zhuǎn)移的細(xì)胞可引起畸胎瘤或其他腫瘤。生長(zhǎng)停止信號(hào)，特別是在細(xì)胞療法的情況下，尚未得到很好的理解，在部署再生療法時(shí)，分子“關(guān)閉開關(guān)”對(duì)于整合至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來，河馬信號(hào)通路被認(rèn)為是器官大小的主要發(fā)育調(diào)節(jié)因子，因?yàn)樵撏分械氖Щ钔蛔儠?huì)產(chǎn)生過度生長(zhǎng)表型。然而，最近的研究表明，河馬途徑激活不是參與正常的發(fā)育計(jì)劃，而是誘導(dǎo)黑腹果蠅異常生長(zhǎng)途徑的異位表達(dá)（5）。發(fā)育途徑是否重新參與重建成人組織或成人再生需要一組不同的調(diào)節(jié)因子，正如河馬信號(hào)傳導(dǎo)研究所表明的那樣，尚不清楚。因此，有必要在適合年齡和器官特異性的模型中仔細(xì)定義微環(huán)境和細(xì)胞內(nèi)在生長(zhǎng)限制信號(hào)，以抑制移植細(xì)胞的生長(zhǎng)。

指導(dǎo)性的微環(huán)境信號(hào)通常是最佳細(xì)胞功能所必需的。因此，可以通過靜脈注射的干細(xì)胞療法的成功取決于遷移到適當(dāng)?shù)慕M織生態(tài)位中。細(xì)胞或組織移植物也必須與宿主的神經(jīng)和血管機(jī)器連接，所涉及的信號(hào)仍然知之甚少（6）?？朔陔y以到達(dá)的內(nèi)部器官中引導(dǎo)和整合移植物的挑戰(zhàn)的另一種方法是通過使用特定的轉(zhuǎn)錄因子原位重新編程來重新利用損傷部位存在的細(xì)胞 （6）。對(duì)于成人心臟來說，重編程是一種特別有吸引力的策略，與胚胎心臟不同，成人心臟缺乏真正的祖細(xì)胞。體內(nèi)細(xì)胞重編程工作的一個(gè)子集旨在將成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為心肌細(xì)胞以維持心臟功能（6）。或者，成年心肌細(xì)胞中多能轉(zhuǎn)錄因子的瞬時(shí)表達(dá)誘導(dǎo)增殖，從而改善成年小鼠心肌梗死后的結(jié)局（7）。然而，這些因素的長(zhǎng)時(shí)間表達(dá)產(chǎn)生了腫瘤。為了克服這一重大的安全挑戰(zhàn)，正在努力使用在高度再生斑馬魚模型中首次發(fā)現(xiàn)的增強(qiáng)子元件僅在損傷條件下表達(dá)重編程因子（8）。了解哪些細(xì)胞被重新編程，它們是否以及如何存活，它們變成什么，以及它們?nèi)绾螠?zhǔn)確地促進(jìn)臨床結(jié)果對(duì)于預(yù)測(cè)治療效果至關(guān)重要。

除了用細(xì)胞療法和體內(nèi)重編程替換丟失的組織外，許多有害和復(fù)雜的疾病狀態(tài)還會(huì)引起炎癥反應(yīng)，這些反應(yīng)也必須被抑制（見圖）。患病的受體組織的狀態(tài)，仍然是應(yīng)用細(xì)胞療法的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的方面。細(xì)胞或組織可能無法在不適宜居住的環(huán)境中移植，或者破壞原始組織的潛在病理也可能損害移植物（9）。例如，炎癥性腸病 （IBD） 是由異常免疫反應(yīng)、上皮修復(fù)缺陷、正常腸道微生物群落喪失以及細(xì)菌易位到下層組織驅(qū)動(dòng)的。盡管向IBD患者的受損腸道提供腸上皮細(xì)胞可以作為臨時(shí)貼片，而不會(huì)減輕炎癥或易位微生物，但這些方法在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期療效方面面臨重大障礙。

調(diào)節(jié)炎癥的新方法包括用生物響應(yīng)基因回路改造干細(xì)胞，這些基因回路可以感知炎癥因子，如細(xì)胞因子或活性氧，進(jìn)而誘導(dǎo)抗炎因子的產(chǎn)生，允許內(nèi)源性祖細(xì)胞或移植細(xì)胞修復(fù)損傷（9）。事實(shí)上，一些干細(xì)胞療法的有益效果已被追溯到移植的免疫調(diào)節(jié)作用，而不是干細(xì)胞本身的組織生成特性。在心臟缺血性損傷的小鼠模型中，移植干細(xì)胞增強(qiáng)心臟功能，不是通過產(chǎn)生心肌細(xì)胞，而是通過激活巨噬細(xì)胞來限制細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）沉積并調(diào)節(jié)受傷區(qū)域的機(jī)械性能以使心臟恢復(fù)活力（10）。

調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)橄嗤囊蛩乜梢酝ㄟ^炎癥作用促進(jìn)修復(fù)或造成損害（11）。例如，在損傷早期，白細(xì)胞介素-17 （IL-17） 能夠適應(yīng)受損上皮的缺氧，但持續(xù)的 IL-17 信號(hào)通過募集引起損傷的中性粒細(xì)胞來增強(qiáng)病理學(xué) （11）。合成生物學(xué)提供了將炎癥的損害性影響與參與修復(fù)的影響分開的機(jī)會(huì)。IL-22誘導(dǎo)再生信號(hào)換能器和轉(zhuǎn)錄3激活劑（STAT3）和促炎STAT1轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。在放射性損傷小鼠模型中，將IL-22與受體結(jié)合改變，僅誘導(dǎo)再生STAT3促進(jìn)腸道干細(xì)胞增殖，而不驅(qū)動(dòng)STAT1介導(dǎo)的炎癥結(jié)果（11）。

再生的一個(gè)關(guān)鍵障礙是纖維化，它通過隨意沉積ECM來迅速堵塞受損組織。纖維化深刻地?fù)p害組織力學(xué)和細(xì)胞相互作用，并物理阻礙器官功能（1，12）。眾所周知，抗疤痕療法很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檗D(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-×（TGF×）等促纖維化因子在維持健康方面也具有重要作用?；蛘?，通過抑制成纖維細(xì)胞Yes相關(guān)蛋白（YAP）（一種機(jī)械感覺轉(zhuǎn)錄協(xié)同調(diào)節(jié)因子）來調(diào)節(jié)機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)，可防止小鼠皮膚修復(fù)過程中的疤痕形成（12）。值得注意的是，以這種方式對(duì)抗纖維化足以恢復(fù)皮膚的結(jié)構(gòu)和抗拉強(qiáng)度。同樣，使用工程嵌合抗原受體（CAR）T細(xì)胞靶向ECM生成的心臟成纖維細(xì)胞上的保守抗原可減少缺血性損傷后的纖維化并恢復(fù)心臟功能（13）。這些研究表明，成人器官可能仍然具有激活再生反應(yīng)的分子路線圖。對(duì)再生馴鹿鹿角皮膚和背部瘢痕皮膚的成纖維細(xì)胞的比較發(fā)現(xiàn)，炎癥啟動(dòng)區(qū)分了促纖維化狀態(tài)（14）。因此，精確針對(duì)炎癥還可以改善纖維化并釋放潛在的再生能力（1）。

曾經(jīng)被認(rèn)為是醫(yī)學(xué)未來的現(xiàn)在正在成為現(xiàn)實(shí)。但是（目前）還沒有再生的神奇藥丸。除了科技創(chuàng)新，還有成本和生產(chǎn)的實(shí)際考慮。由于缺乏適當(dāng)?shù)呐R床前模型和缺乏關(guān)于構(gòu)建組織的指導(dǎo)性信號(hào)的基本信息，再生療法的創(chuàng)新受到阻礙，涉及多種細(xì)胞類型的復(fù)雜疾病或損傷。因此，目前正在努力系統(tǒng)地繪制組織修復(fù)隨時(shí)間，不同模型系統(tǒng)和不同類型損傷后（14）。非脊椎動(dòng)物物種甚至植物王國(guó)的激進(jìn)策略并沒有將療法限制在哺乳動(dòng)物生理學(xué)的規(guī)則上，而是浮出水面。例如，增強(qiáng)軟骨細(xì)胞合成代謝的納米級(jí)植物光合作用系統(tǒng)可以限制小鼠的軟骨降解和骨關(guān)節(jié)炎（15）。最后，實(shí)現(xiàn)人類再生將需要從嚙齒動(dòng)物模型快速過渡到臨床相關(guān)的大型動(dòng)物和人類研究。登上人類再生的頂峰需要跨學(xué)科的努力，將生物學(xué)家、生物醫(yī)學(xué)工程師和臨床醫(yī)生聚集在一起。從頂部看，將揭示一個(gè)轉(zhuǎn)變的醫(yī)療景觀，能夠無縫地恢復(fù)器官的活力，最終延長(zhǎng)人類的壽命和健康壽命。