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干细胞、重编程与再生

胚胎发育建立了细胞类型和器官结构，出生后的组织仍要持续补充细胞、应对磨损并修复损伤。干细胞负责其中一部分长期产出，重编程揭示已经建立的细胞状态可以被改写，再生则是在组织尺度重新形成缺失的细胞、结构和功能。三者彼此相连，但分别指向细胞长期产出、状态转换和组织重建。组织可以依靠成熟细胞增殖完成再生；培养中的多能细胞则需要进一步组织，才能形成可工作的器官。

这些现象共同延续了发育生物学的核心问题。细胞是否保留某种潜能，要由它在适当环境中的实际后代证明；损伤后重新表达胚胎基因，只说明部分调控程序被调用；结构重新长出以后，还要恢复极性、血管、神经连接和力学功能。因而，干性与再生能力都是带有物种、组织、时间和实验条件的操作性判断。

干性的长期自我更新与谱系产出

干细胞能够在相应生物学时间尺度上产生仍具同样能力的后代，同时输出一个或多个分化谱系。短期增殖很快的祖细胞可以制造大量成熟细胞，却可能在数轮分裂后耗尽；处于静息的干细胞当时几乎不分裂，仍可在损伤或移植后恢复长期产出。判断干性因而需要把细胞身份、后代范围和持续时间放在一起，常用证据包括原位谱系追踪、单细胞克隆、连续移植或组织重建。一个表面标记、球体形成或短期培养扩增只能富集候选细胞。1

潜能（potency）描述单个细胞能够产生的细胞范围。动物的全能细胞可形成胚体及维持妊娠所需的胚外组织，完整能力迄今主要由合子和很早期卵裂球证明；多能细胞可产生三个胚层的广泛胚体细胞，通常缺少独立形成完整个体所需的胚外潜能。多潜能、寡能和单能依次描述更受限制的谱系范围；单能干细胞仍须具备长期自我更新，短寿命祖细胞即使只剩一种分化方向也属于祖细胞。潜能描述谱系范围而非细胞价值：造血干细胞的范围比多能细胞窄，却更适合持续重建血液系统。

单次分裂可以把细胞极性、命运决定因子或生态位接触不均等地分给两个子细胞，产生一个干细胞和一个分化后代。组织稳态还可采用其他分裂组合：对称自我更新扩增干细胞池，对称分化在需要大量产出时消耗一部分干细胞；多个细胞在一段时间内以不同概率选择这些结局，也能维持总体平衡。自我更新和分化描述群体的长期行为，单次分裂几何只是其实现方式之一。

胚胎干细胞的体外多能状态

胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC）是在着床前胚泡内细胞团基础上建立、能够长期培养的多能细胞系。细胞核相对较大、染色质较疏松、端粒酶活性和 OCT4、SOX2、NANOG 等标志有助于描述未分化状态，潜能则由实际分化产出判定。细胞系还会在长期培养中受到选择并积累核型、拷贝数或点突变改变，因此持续传代、遗传稳定性和分化能力需要分别监测。人胚胎干细胞的经典建立实验显示，细胞在长期未分化增殖后仍能产生三个胚层的衍生物，据此属于多能细胞。2

多能性检验形成由弱到强、问题不同的证据链。定向或自发体外分化可确认若干谱系输出；免疫缺陷小鼠中的畸胎瘤若含三个胚层衍生组织，支持广泛分化能力，但不检验正常胚胎中的时空整合。小鼠细胞还可注入二倍体胚泡，观察嵌合体和种系贡献。四倍体补偿中，融合两细胞期卵裂球产生的四倍体宿主主要支持胚外组织，待测二倍体多能细胞则形成胚体，是小鼠多能性最严格的功能检验之一。人多能细胞受伦理与法规约束，需以多种体外、分子和有限体内证据组合评估。3

未分化培养条件本身是特定发育状态的选择环境。经典小鼠 ESC 可由 LIF–STAT3 和抑制分化信号的条件维持较早的初始态（naïve）多能状态；常规人 ESC／iPSC 更接近准备态（primed），依赖 FGF2 与 Activin／Nodal 等输入。饲养层、重组因子、基质和无血清培养体系提供不同的实现方式，LIF 的作用范围随物种和多能状态而变。改变培养条件还可能在 naïve 与 primed 状态之间移动，说明胚胎干细胞特性包含可转换的状态。4

成体干细胞生态位与组织产出

成体组织把干细胞安置在由支持细胞、血管、神经、免疫细胞、细胞外基质和局部代谢共同构成的生态位中。肠隐窝干细胞在快速更新的上皮内持续输出吸收与分泌细胞，骨骼肌卫星细胞平时多处于静息、受损后才增殖，造血干细胞则在骨髓血管周围环境中调节静息、动员和多谱系产出。具体的造血干／祖细胞连续谱和骨髓龛说明，生态位既提供自我更新信号，也会随感染、失血或损伤改变输出需求。

成体干细胞通常优先贡献本组织的生理谱系。移植后出现异组织标志可能来自跨谱系转换，也可能来自异质细胞混入、细胞融合、瞬时标志表达或损伤环境中的选择性扩增。稳定遗传标记、融合排除以及新细胞的结构和功能共同证明真正的跨谱系转换。自体来源可降低部分同种异体免疫不相容，培养突变、异常分化、促凝、异位组织和肿瘤风险仍需独立评估。

肿瘤中的一部分细胞可在连续移植或类器官中长期再建肿瘤，并产生多种肿瘤细胞状态，因而获得“肿瘤干细胞”或“肿瘤起始细胞”的操作性名称。某些干性样状态会以静息、药物外排、脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）损伤应答或生态位保护提高治疗耐受并参与复发，其特征随肿瘤而变。这些细胞可起源于不同细胞状态，治疗压力和微环境还可促使较分化细胞重新取得干性样状态。癌变中的层级与可塑性见细胞生命历程，干性仍由功能检验定义。

细胞身份的重编程

分化细胞保留了建立其他细胞类型所需的大部分基因组信息，其稳定身份来自转录网络、染色质可及性、DNA 甲基化、组蛋白修饰和三维基因组等多层约束。体细胞核移植（somatic cell nuclear transfer，SCNT）把体细胞核放入去核卵母细胞；卵母细胞质可重置核结构和基因表达，使少数重构胚重新启动完整发育。Dolly 由成年绵羊乳腺细胞核产生，证明成年哺乳动物分化细胞仍保留支持完整发育的遗传信息。克隆效率低、胚胎与胎盘异常常见，则显示印记、异染色质、X 染色体状态和基因组激活并不总能正确复位。5

核内 DNA 序列大体保留，使广泛命运原则上可以恢复；分化建立的表观状态又会抵抗重置，形成程度不一的细胞记忆。核移植、转录因子重编程和细胞融合使用不同的细胞质与调控输入，重置速度和残留状态也不同。融合实验中的异核体可以激活原先沉默的谱系基因，说明反式因子能够改写身份；由于融合本身改变核和染色体组成，转分化证据还需排除细胞融合。显微拆合、去核和注射的具体技术见发育研究方法。

Takahashi 与 Yamanaka 在小鼠成纤维细胞中表达 OCT4、SOX2、KLF4 和 c-MYC，建立了诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPSC）。重编程是少数细胞跨过增殖、代谢、增强子和染色质屏障的渐进过程；起始细胞类型、因子剂量、递送方式、培养条件和基因组质量都会改变效率与产物。合格 iPSC 可接近 ESC 的多能网络和功能，细胞系之间仍可保留供体组织的甲基化偏向、印记异常、获得性突变或不同分化倾向。不同体细胞的重编程效率和产物质量因而有所差异。6

重编程还可绕过多能阶段。直接谱系转换用调控因子把一种成熟或祖细胞状态推向另一谱系；去分化使细胞退回本谱系中较不成熟、可增殖的状态；经过 iPSC 的路线则先扩大潜能，再重新定向分化。治疗性克隆从 SCNT 胚泡建立核移植 ESC，再尝试获得与核供体相匹配的细胞。卵母细胞来源、胚胎研究伦理、线粒体基因组不完全匹配、遗传与表观质量以及定向成熟仍是独立问题。

类器官的三维组织规则

类器官（organoid）由成体组织干／祖细胞或多能干细胞衍生，在三维基质和外源信号中通过细胞分选、局部命运决定与形态发生形成组织样结构。成体上皮干细胞类器官常重建原组织的更新单元；多能干细胞类器官则先经历定向分化，再自组织出若干胚层衍生细胞和空间区域。两条路线都可用于观察人类发育、建立患者特异疾病模型、检验药物和研究生态位信号，但它们复现的是器官的一部分组成与功能。7

类器官重建器官的一部分组成与功能。许多系统缺少成熟血管、免疫、神经、间质、机械负荷或体液交换，中心区域还可能因扩散受限而缺氧；批次间细胞比例、形状和成熟度也会变化。评价一个类器官模型应针对具体问题比较细胞组成、空间组织、分子状态和可测功能。移植后的整合、灌流和长期安全工作又构成比培养皿内自组织更高一层的证据。

动物再生的多种细胞来源

再生是损伤或缺失后重新建立组织的过程，其中包含创口封闭、炎症调节、细胞来源动员、图式重建和功能整合。生理性更新持续替换日常损耗，再生针对扰动后的缺口；瘢痕修复可恢复连续性和强度，补偿性生长可恢复器官质量或输出，完整再生则进一步恢复原有细胞组成与几何。同一动物的不同器官、同一器官的不同年龄和损伤方式都可能产生不同结果。8

涡虫把广泛分布的新生细胞（neoblast）用于日常更新和缺失结构再生。单个可克隆 neoblast 能在受致死剂量照射、失去内源分裂细胞的宿主中扩增，产生多类组织并恢复再生能力，为成体多能干细胞提供了严格的单细胞功能证据。损伤信息仍须规定形成头、尾或中段的方向和比例，多能细胞本身不会自动知道缺少什么结构。9

有尾两栖类截肢后在创面下形成芽基（blastema），其中细胞增殖并按近远端位置重建肢体。谱系追踪显示，墨西哥钝口螈芽基包含保留组织来源限制的多类祖细胞：肌肉、Schwann 细胞等主要回到相近谱系，部分结缔组织细胞的贡献较广。芽基描述一个由多种细胞构成的再生组织区。细胞还保留位置记忆，使近端截面能补出更多远端结构，神经输入、创面上皮和局部信号共同维持其生长。10

另一些器官主要调用已经分化的细胞。成年斑马鱼心室损伤后，存留心肌细胞局部拆解肌节、降低成熟特征并重新进入周期，谱系标记证明新心肌主要来自这些原有心肌细胞。哺乳动物肝部分切除后的主要反应也是残余肝细胞和其他成熟细胞的肥大与补偿性增殖，常恢复质量—体重关系但不重长原先的叶形。这里的去分化是有限的功能回退，细胞仍处于心肌谱系。11

直接转分化提供另一条路线。蝾螈沃尔夫晶状体再生由背侧虹膜的色素上皮细胞去色素、重新进入周期并形成晶状体泡，随后产生晶状体上皮和纤维。背侧与腹侧虹膜细胞在体外或信号扰动下表现不同潜能，说明体内位置环境会许可或抑制同一套转换程序。12

再生的图式、尺度与功能

产生足够的新细胞只是再生的一步。新组织还要判断缺口的方向和尺寸，与旧组织建立连续边界，恢复 ECM、血管和神经，并在达到合适尺度后停止生长。炎症细胞可以清除碎片并提供促再生信号，也可在持续激活时推动纤维化；细胞衰老、代谢和机械负荷同样会改变生态位。发育通路在损伤处再次出现，表示器官借用了部分建成规则；成年组织的免疫、瘢痕和功能负担又使再生形成独特过程。

谱系来源需要动态而非静态证据。诱导型遗传标记应在损伤前限定到起始细胞，并检查标记是否漏出、损伤后是否异位开启；移植实验还会引入组织损伤和选择压力。单细胞转录组能找到过渡状态和候选调控网络，却不能独自给出祖先—后代关系。严谨结论把谱系追踪、活体成像、克隆分析、必要性扰动和功能测量相互校验，并排除细胞融合或标记转移。

把再生机制转化为治疗还需解决细胞纯度、成熟度、递送位置、免疫相容、基因组稳定、异位组织和肿瘤形成等问题。造血干细胞移植、皮肤和角膜上皮培养等已有明确适应证及质量体系，不能据此推定商业宣传中的任意“干细胞回输”同样安全有效。未经验证的细胞干预应限于合规研究或受到严格监督的医疗创新，疗效必须由对照临床证据和长期随访证明。13

参考资料与延伸阅读

  1. 自我更新、分化输出、长期组织贡献和群体平衡的操作框架见 NCBI Bookshelf Stem Cells: Tissue Renewal；潜能术语采用 ISSCR 指南的定义。 ↩

  2. 首批人胚泡来源多能细胞系的长期增殖、核型、端粒酶和三个胚层分化证据见 Thomson 等的研究；长期培养中的遗传选择须逐细胞系监测。 ↩

  3. 畸胎瘤、二倍体嵌合与四倍体补偿检验的证据强度和胚体／胚外贡献边界见多能性检验综述；人类研究边界见 ISSCR 指南。 ↩

  4. 小鼠 naïve ESC 的 LIF–STAT3 依赖与常规人多能细胞的 FGF2、Activin／Nodal 依赖比较见人 ESC naïve-like 状态研究；培养状态不能跨物种直接等同。 ↩

  5. 成年体细胞核支持 Dolly 发育的经典证据见 Wilmut 等的研究；SCNT 的染色质重置、ZGA 障碍与胚外异常见 Matoba 与 Zhang 的综述。 ↩

  6. OCT4、SOX2、KLF4 和 c-MYC 建立小鼠 iPSC 的原始研究见 Takahashi 与 Yamanaka 的论文；供体来源甲基化偏向影响早期 iPSC 分化的证据见 Kim 等的研究。 ↩

  7. 类器官的干细胞来源、自组织和发育／疾病模型用途见 Lancaster 与 Knoblich 的综述；细胞组成、成熟度和重复性边界见 Little 等的评述。 ↩

  8. 干细胞、成熟细胞增殖、去分化、转分化和位置图式构成的动物再生框架见 King 与 Newmark 的综述。 ↩

  9. 单个 clonogenic neoblast 可拯救受照射涡虫并产生广泛组织的证据见 Wagner、Wang 与 Reddien 的研究。 ↩

  10. 墨西哥钝口螈肢体芽基细胞保留谱系限制和位置记忆的追踪证据见 Kragl 等的研究。 ↩

  11. 斑马鱼新生心肌主要来自原有心肌细胞有限去分化与增殖，见 Jopling 等的谱系追踪研究；多数常见小鼠肝损伤中成熟肝细胞是主要补充来源，见肝再生综述及生理页的功能边界。 ↩

  12. 蝾螈背侧虹膜色素上皮细胞去分化并转成晶状体细胞的过程见两栖类晶状体再生综述。 ↩

  13. 未经验证的干细胞和其他细胞干预缺少安全性、有效性与长期随访证据，临床转化边界见 ISSCR 指南。 ↩

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