人体组织器官构建

发育分化之谜

细胞是生物体基本的结构和功能单位。不具有细胞结构的生命体，如病毒、朊病毒（一种感染性蛋白质，是疯牛病的致病因子）、类病毒（一种感染性核糖核酸，即RNA，是许多植物的病原体）等，都寄生在细胞内生活和繁殖，离开了细胞这个宿主，这些生命体就无法进行生命活动，只能失活或进入休眠状态。

细胞生命活动受到自身遗传物质调控，同时也受到外来物质影响。当细胞受到细菌、病毒、真菌等病原体入侵时，自身生命活动就会受到干扰，甚至造成死亡。但是，有一些外来物质却能改变细胞的发育分化能力，使普通体细胞具有干细胞特性。譬如，诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，ips cell），即 iPS 细胞。2006 年，日本京都大学科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）首先报道了iPS细胞，研究成果发表在世界著名学术期刊《细胞》（Cell）上，一时引起生物医学界的普遍关注。由于这一成就，2012年山中伸弥获得了“诺贝尔生理学或医学奖”。

原来山中伸弥的科研团队，把4种基因（Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4）转入了小鼠成纤维细胞，使普通体细胞变成了干细胞。本来小鼠成纤维细胞是已经完成了分化的细胞，不具有分化为其他细胞的能力。但当成功转入这些基因后，具有了胚胎干细胞能力，可以分化为其他种类的细胞。2007年，山中伸弥实验室和汤普森（Thompson）实验室又几乎同时报道，iPS细胞技术也能诱导人皮肤细胞成为和胚胎干细胞类似的多能干细胞。不同的是，山中伸弥实验室转入的四种基因是Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4，汤普森实验室转入的四种基因是 Oct4、Sox2、Nanog、LIN28。

由于转入外源基因的干细胞在临床治疗时具有安全风险，后来国内外一些生物医学家开始研究，通过改变普通体细胞的生存环境使之转化为干细胞。若能成功，就可以极大地拓展干细胞来源，因为天然来源的干细胞数量极为稀少，在临床上大规模应用受到一定限制。

2014年伊始，80后美女科学家、日本理化学研究所发育与再生医学综合研究中心学术带头人小保方晴子（Haruko Obokata）在英国著名国际权威杂志《自然》（Nature）上连发两篇文章，阐明了刺激触发获得全能性（stimulus triggered acquisition of pluripotency，STAP）细胞的理念及制备方法。她是利用一种低pH的弱酸性溶液处理小鼠淋巴细胞，使之去分化（与分化方向相反的转化）从而获得具有干细胞特性的细胞。但是后来事情发生了戏剧性变化。

令人大跌眼镜的是，小保方晴子的这项研究被证实涉嫌学术造假。最终已经发表的研究论文被撤稿，博士学位也被母校早稻田大学取消。心灰意冷的她，只好宣布辞职。曾经轰动一时的世界科技明星、日本的“居里夫人”跌落神坛。在一次国际干细胞大会上，笔者曾与日本山梨大学范教授讨论过试验结果重复问题，双方都认为暂时重复不出来不是检验试验结果的唯一标准。其实，有些生物医学研究的成功率本来就非常低，譬如克隆羊多莉的试验成功率仅有0.36%，这可能与最初技术不够成熟有关。短期内重复不出来，也不见得是技术本身不可行，可能是由于众多影响试验结果的因素某一个出了问题。科学研究是一个不断完善的过程，也是一个长期验证的过程。如何将已经完成分化的成体细胞转分化为干细胞？这原本就是一个世界性难题。

近年来，国内外一些实验室一直在探索“通过改变环境条件进行诱导，不转入外源基因，使普通体细胞转分化为干细胞”这一世界性难题，但迄今为止，并没有明确结论。不仅如此，干细胞怎样分化为其他类型的组织细胞，也没有完全弄清楚。迄今为止，一些干细胞发育分化机制问题，仍是未解之谜。

但是，目前在实验室中鉴定干细胞的重要标准之一，是在体外培养条件下，能否分别诱导分化为软骨细胞、骨细胞和脂肪细胞。

自然孕育

人类的生殖细胞是精子和卵子，均为单倍体细胞，含有23条染色体，其中一半精子含有Y染色体，另一半精子含有X染色体。在输卵管壶腹部，精子遇到卵子，结合后成为受精卵，这个过程叫受精，或称受孕。受精卵为二倍体细胞，含有46条染色体。

男子一次射出的精液有2～6毫升，每毫升精液通常含有超过6 000万个精子。尽管精子数量庞大，但是卵子一次只能结合一个精子，只有最强壮、勇敢的精子才有机会与卵子结合。若是含有Y染色体的精子（22+Y）和卵子（22+X）结合成为受精卵（44+XY），将发育出男性胎儿；若是含有X染色体的精子（22+X）和卵子（22+X）结合成为受精卵（44+XX），将发育出女性胎儿，这就是人类生男生女的奥秘。有人认为生男生女是由母亲单方面决定，这不科学。应该是与父母双方都有关系，因为既有男方提供的Y精子、X精子的质量和活力问题，又有女方输卵管环境最适合与哪种精子结合的问题。

受精过程是在输卵管上段完成，之后受精卵沿输卵管向子宫方向移行，同时受精卵开始不断地进行细胞分裂，称为卵裂。随着卵裂持续进行，细胞数量不断增加，体积逐渐变小，到第三天形成一个由众多细胞构成的实心细胞团，称为桑椹胚。受精后第四天，随着桑椹胚细胞继续分裂，细胞间出现小间隙，逐渐汇合为大间隙，形成空心细胞团，称为囊胚，又称胚泡。胚泡进入子宫腔，不断长大，与子宫内膜接触，逐渐埋入子宫内膜，这一过程称为植入，或称着床。植入从受精后第5～6天开始，第11～12天结束。胚泡就像植物的种子，植入子宫内膜后就好比埋入土里，获得母体丰富的营养供应后，开始发芽。

胚泡外面是滋养层，为一层扁平细胞；内部是一空腔，有内细胞群。内细胞群发育分化为由内、中、外三个胚层构成的胚盘，是人体各组织器官的原基，人体各器官和组织就起源于这三个胚层。

外胚层发育的组织器官包括神经系统（中枢神经系统和周围神经系统）的主要器官、松果体、神经垂体、视网膜、角膜上皮、晶状体、牙釉质、皮肤表皮及其附属器、口腔黏膜、鼻腔黏膜、肛门上皮等；中胚层发育的组织器官包括泌尿生殖系统的主要器官等；内胚层发育的组织器官包括消化管、消化腺、呼吸道、肺、中耳、甲状腺、甲状旁腺、胸腺、膀胱、阴道等的上皮组织。滋养层细胞发育分化为胎膜和胎盘，是对胚胎具有保护、营养、呼吸、排泄、内分泌等作用的附属结构。胎儿娩出后，胎膜、胎盘连同子宫蜕膜一起排出母体外，统称为衣胞。

从受精到胎儿自然娩出，大约需要38周的时间。若从孕妇末次月经第一天到胎儿自然娩出，大约40周的时间。整个胎儿发育过程要经历266天左右，会因孕妇个体差异略有不同。

俗话说“十月怀胎一朝分娩”，实际为九个月左右，到不了十个月。其中第一个月是胚芽期，胚芽长0.5～1厘米，形状很像一条小海马；第二个月是胚胎期，胚芽发育成胚胎，胎儿身长2～3厘米，体质量约4克，长出了手、脚、眼睛、耳朵、嘴，脸部能辨别出人形，能监听到心脏跳动，身体开始伸直；第三个月是胎儿期，手指、脚趾清晰可见，胎盘形成脐带并逐渐长长，性器官形成，月底胎儿可达9厘米长；第四个月，胎儿的眼睛、鼻子、耳朵已完全形成，身长约18厘米，体质量约120克，胎儿泡在羊水里，像桃花水母在海水里荡来荡去；第五个月，胎儿的运动神经和感觉神经开始发育，出现肌肉细微活动，能感觉到胎动，肝脏开始造血，全身开始长毛，头发、指甲长出来，身长23～25厘米，体质量250～300克；第六个月，胎儿长出头发、眉毛、睫毛，骨骼长得结实，但由于没有皮下脂肪，显得精瘦，长约30厘米，体质量约650克；第七个月，胎儿眼睑打开，有眼睫毛，大脑逐渐发达起来，感觉系统逐渐增强，眼睛对光线的明暗有反应，身长35～38厘米，体质量约1 000克；第八个月，胎儿发育接近成熟，此时产出也能存活，身体出现一块块小肌肉，双腿又蹬又踢，胎动明显增强，听觉系统发育完成，开始有了意识，身长约40厘米，体质量约1 800克；第九个月，胎儿大脑尽管没有完全发育成熟，但已经十分发达，对外部刺激有了喜欢或讨厌的表情变化，体内各个器官已经发育成熟，身体变成圆形，皮肤有光泽，身长约45厘米，体质量约2 500克；第十个月，婴儿诞生。

精子和卵子结合的受精过程，可以在亲生母亲体内进行，也可以在试管内进行，后者称为辅助生殖技术，产生的婴儿称为试管婴儿。辅助生殖可以解决男女不孕不育问题，进行香火延续。

自1978年7月25日世界首例试管婴儿在英国诞生，迄今试管婴儿技术已经发展到了第三代。中国试管婴儿技术的发展很快。中国大陆第一例试管婴儿叫郑萌珠，诞生于1988年3月10日北京大学第三医院，母亲是甘肃一位民办教师，患输卵管阻塞，结婚20年未怀孕。郑萌珠诞生后身体、智力发育状况良好，长相似她母亲，如今早已大学毕业。2011年11月27日，首例第三代试管婴儿在上海诞生。2019年4月15日，中国大陆首例试管婴儿郑萌珠，在北京大学第三医院她当年出生的地方，顺利产下一名男婴，身长52厘米，体重3 850克。这是中国大陆首例“试管婴儿二代宝宝”，具有重要的生物医学意义和社会意义。

无论是自然受孕还是人工受孕，受精卵的增殖、分化、生长、发育，直至胚胎形成，都是受到细胞内基因调控的结果。正是由于细胞内的各种基因按照先后顺序在细胞不同部位有序表达，整个胚胎发育过程才得以顺利进行。这种不同基因在时间和空间上差异表达的过程，就像预先设定的计算机程序一样，称为基因编程表达，或者称为基因的时空差异表达。人体设定基因表达程序的一种编程语言是染色体开放状态。

对于人类胚胎发育来说，哪些基因先表达，哪些基因后表达，在什么地方表达，都是人类胚胎发育的顶级秘密，也是生命科学的最大难题之一，迄今科学界还没有揭开谜底。

但是，科学家已经在科学研究中找到了一些线索。譬如，在进化历史中最新出现的基因会优先表达，最后出现的基因往往会延后表达。这就是基因编程的结果。

体外再生

试管婴儿技术虽然人为干预了受精过程以及改变了受精场所（子宫），但是精子、卵子、子宫都是天然的人体细胞、器官，胚胎发育过程仍是自然发生、发展，最终诞生的是婴儿个体。然而在临床上，许多有组织器官功能衰竭或结构功能严重障碍的患者，迫切需要进行组织器官移植，但是受到组织器官来源困难的限制（捐献者极少、捐献途径不足），众多患者没有合适的组织器官可供移植，导致得不到有效治疗。若能在体外再生需要的组织器官，用于临床移植治疗，可使更多患者得到有效治疗。

在体外再生组织器官的技术统称组织工程。若再生的是器官，也叫器官工程。它是利用种子细胞、生物材料支架、组织工程生物反应器、生长因子等材料和设备，在体外模拟组织器官在体内的生长发育环境，从而再生出需要的组织器官。

种子细胞是再生组织器官的基础，再生的组织器官是由它们增殖、分化、发育形成。种子细胞的选择至关重要，就像优良的植物种子更容易发芽和长出健康植株一样，理想的种子细胞更利于组织器官再生。

由于具有可塑性强、增殖分化能力旺盛、能再生其他类型组织细胞等优势，各种干细胞是理想的种子细胞。生物材料支架，一方面为再生的组织器官塑形，另一方面为种子细胞提供增殖分化场所；待组织器官再生完成后，生物材料支架可被细胞释放的水解酶降解吸收，变为细胞养料。组织工程生物反应器模拟体内组织细胞生长的物理（机械刺激、生物电、流体力学等）、化学（pH、温度、离子浓度等）、生物环境（细胞外基质、激素、神经递质、生长因子等），为组织器官再生创造适宜环境。生长因子可以调节种子细胞发育分化、再生需要的组织器官。组织工程涉及医学、生物学、工程学、材料学、计算机科学、3D打印、4D打印等众多学科技术，是一门新兴的边缘学科，属于当代科学的前沿领域。

组织工程技术自诞生以来取得了众多可喜的成绩，有些组织工程产品得到了临床应用，如组织工程皮肤、组织工程软骨、组织工程骨、组织工程血管、组织工程心脏瓣膜、组织工程角膜等，尤其是组织工程皮肤，产品种类多，技术相对成熟。但是，一些复杂人体器官，如肾脏、心脏、肺脏、肝脏、胰脏等，迄今在体外还无法再生。主要原因是，目前在实验室里还无法真正复制胚胎在母体子宫里的生长发育环境，同时对胚胎发育的遗传基因调控机制还知之甚少。当然，随着现代生物医学快速发展，将来肯定会出现越来越多的组织工程器官，为更多等待器官移植的患者带来福音。