干细胞再生医学中的"机制"研究问题

tpwang

Mechanism（姑且翻译为“机制”）是一个科研中广泛使用的核心词。宽泛地说，一个科学研究是否触及了所研究现象和事物的“机制”，是该研究水准的重要标志之一。当然，不是说每一篇发表的科学研究都是关于“机制”的，但起码都是朝向找出“机制”的大方向的。在各种不同学科和领域中，生物科学里的“机制”大概属于最复杂的一类，这一概念的使用的层次和情境也最多种多样，相对也比较宽松。比如现在很关注的所谓细胞“重编程机制”，不过到底这里的“机制”指什么，如何操作性地界定这里的“机制”，还不是很清楚。一部分原因是因为科学家们其实还不很有把握到底面对的将是怎么一幅图景，另一部分原因是对“机制”的关注被淹没在新奇现象和手段的发现上了。* w) R& O/ v. ]& o: W

( O0 L0 C9 c! C5 b6 L韦氏大字典里对mechanism的定义有四，其中两条比较相关这里的讨论：) w  x+ I3 j! e

) R9 s$ a  N: z7 E7 q9 Y& b3：a doctrine that holds natural processes (as of life) to be mechanically determined and capable of complete explanation by the laws of physics and chemistry- |6 S1 J  j  H
一种有关可用物理和化学定律加以完满阐释的，有步骤地加以确定的自然过程（例如生命）的理论。6 V+ J9 j! x& ]9 n5 V& ], O
4: the fundamental processes involved in or responsible for an action, reaction, or other natural phenomenon5 J$ S% z! H) k, L: P
构成某个行为、反应或其它自然现象产生原因或参与其中的基本过程。
( C  `) r0 E; C' Z( s) Y1 ~, z* x4 f4 L3 n
维基字典里关于工程于生物学领域里“机制”一词的解释比较简洁：
7 y3 s( u4 d) v/ l% Y) B3 |
0 ]( i* H6 d  f# p  `* vMechanism (engineering), rigid bodies connected by joints in order to accomplish a desired force and/or motion transmission
. }. \3 i: k' }" }$ Q+ [工程学里的机制指将零部件连接起来意完成一个指定的力量或运动的传递。8 p3 Z0 p1 k% `( S7 `
Mechanism (biology), explaining how a feature is created$ H+ s" ~5 {5 V: i# ]3 h% W
生物学机制用于解释一个生物是如何产生的。
2 @# E" H1 q& H: V0 _
2 w' h9 Z. n$ n* P/ Q- c有一些同类项可以抽取：（自然现象的）基本的过程；物理化学定律可解释的；行为、反应、链接；能的传递等。概括地说，mechanism是指事物现象背后的内在过程，这个过程可以用最基本的科学概念和逻辑合理的揭示。换句话说，我们要探究的是前者，用的是后者。所以，“机制”是一种要揭示的自然现象，同时也是一种所采用的“模式”。
' b8 D3 O5 {5 l3 h/ @. }; E/ v
干细胞再生医学因为涵盖了生物学（包括工程学）的基础研究以及生物医学临床应用，可以想见这里面的“机制”概念的使用也必然很多样的。从现有干细胞主要文献中随机选取一些mechanism一词的例子，可以“现象学”地概括一下这个词在目前干细胞研究中的使用情况。各种分类不是排他性的，或者说可以互相有交集，分类只是为了方便理解。
% B/ @+ T# d6 [) l% v3 y& V( W- y" j' `  O& `% _# a: l" k) Z
第一类是最宽泛的用法，比如stem cell basic biology/mechanisms，the developmental mechanisms，basic mechanisms of neurogenesis，mechanisms of regeneration等。这里的“机制”可以理
! U% \8 p: l' [, Z0 T解为一个重大生命现象的完整过程所涉及的复杂步骤和事件，比如说发育机制，基本上等于说发育过程。8 W" {* _8 @! s) L4 O8 k
5 O# Y1 d1 F8 h& h4 j: |
第二类是以“机制”的“方式”为特征，如a positive feedback mechanism，feedback loop mechanism，compensatory mechanisms，inductive mechanisms，相互关联的现象之间相互作用的模式，比如说干细胞不对称分裂的机制是一种反馈环机制等。' D9 X) h: A8 _2 C" w$ s& N

5 `+ d/ f% Z/ j' p' J5 Y; C% Z第三类，广义的疾病相关“机制”，human disease mechanisms in the Petri dish，Adult neurogenesis: a mechanism for brain repair，mechanisms of tumorigenesis in the colon，疾病机制一般包括病因、病理生理、病理解剖的过程，可以从分子、细胞、组织、器官等层面上来看。从治疗的角度，如the biological mechanisms underlying the observed therapeutic effect，the mechanism of action of a stem cell-based product，the mechanisms of resistance to chemotherapy and radiotherapy。所观察到的治疗效果，可能是细胞替代、修复、再生补充导致的，也可能是细胞分泌因子（via paracrine-based mechanisms）引发内源性细胞组织改变导致的，或这些因素的综合作用为机制的。/ T0 a6 B6 ~2 ^' L

, V$ G, z4 {5 x2 R) H" ^第四类，生物学机制也可以从不同层面上来看，比如分子层面、细胞层面、多细胞组织层面、器官层面、系统层面等：比如干细胞自我更新和多潜能的molecular mechanisms，特定现象的physiological mechanisms，pathophysiological mechanism，cellular mechanisms，the basic mechanisms of organ homeostasis，genetic and biochemical mechanisms等。从干细胞的角度来看，一个有趣的“机制”是the niche provides a mechanism to control and limit stem cell numbers and its activities。
- M) }0 _% t- k: b6 s7 u
/ o1 B$ I. }- m. d' T! S7 ]9 K第四类，特定的具体生物学现象的“机制”，如the genome protection mechanisms，mechanism of genomic reprogramming，the mechanisms of direct reprogramming，mechanisms of epigenetic changes，a mechanism for the development of multipotent stem cells，signaling mechanisms regulating self renewal and differentiation of pluripotent embryonic stem cells，regulatory mechanisms in stem cell biology，更微观的如the mechanism of selective DNA segregation，Polycomb silencing mechanisms，mechanism of EPO’s action，a Myc-dependent mechanism等。+ }2 [, {3 C# Y8 ^9 c

5 {0 S5 s! W0 L  F" p总起来说，干细胞研究里的“机制”着重在the mechanisms regulating the proliferation, migration, differentiation, survival and function of stem cells and their derivatives，从干细胞研究与应用的角度，着重mechanisms that control biological processes, such as self-renewal or lineage commitment, include changes in gene and protein expression that lead to differentiation (steps in development), and interactions with the host through microenvironment cell–cell interactions or growth factors (influences on development), etc。
8 l, E% z1 j, y: Y% G
% x8 J4 n: k' [& y% {, J  A/ A具体到干细胞研究中关于“机制”研究的热点，应该包括发育机制，重编程机制，成体干细胞体内维持与作用机制，值得就这些重点“机制”的意义，可能的研究模式，已知及未知的图景，尤其是复杂度，加以深入细致的思考，以用于更有效指导相关研究。
( R0 q  ~/ T8 s2 n1 d
1 }) S1 f$ o5 g从干细胞再生医学角度研究发育机制的意义不言而喻，胚胎干细胞的分离、多潜能维持、分化，都需要以对发育机制的认识和理解为模板；成体干细胞的寻找与鉴定，也需要了解它们的发育学起源；而诱导多潜能干细胞以及直接转分化等，都需要从发育过程中寻找线索。从研究模式上来说，干细胞基本特性的机制研究，与干细胞的基本概念有重大关系。比如，有人认为干细胞多潜能性的维持机制和分化机制可以从不同层面的分子水平加以构建，而且这两者是相互独立的。而从干细胞的系统模式来看，其干性的维持和运作，是一个与环境相互作用的整合过程，多潜能与分化是一个硬币的两面，例如不少多潜能因子在特定条件下同时具有诱导分化的作用。而从成体干细胞的角度，干细胞的干性的维持机制与微环境以及机体大环境的要求和压力是互相作用的，离开了环境无法完整理解干细胞特性的机制过程。诱导iPSC的机制，体细胞克隆的机制，发育的卵环境机制，应该是互相相通的。目前认为iPSC的初始过程涉及表观遗传的改变，但主要表观遗传机制之间的互相作用，只是在最近才有所认识。与转录机制、调控机制、物理化学环境的互相作用，如何形成一个精密的时空网络，而这个网络是否可以，并用何种手段实时构建或模拟，都是未知的。从细胞表型改变的环境的角度来看重编程和分化、转分化，应该很容易联想到发育过程的卵环境机制。
+ O6 l1 _4 j7 B
  q5 t3 f+ K2 l/ Z8 f% P) x; H, q, k5 Q从某种意义上来说，目前的干细胞研究尤其是重编程模式，似乎是随机抽取了这个复杂天然机制的个别现象和元素，人为地在一定程度上实现了潜在的可塑性。这个对发育机制的随机性和极其不完整性的“模拟”，应该是体细胞克隆及诱导iPSC效率低下，问题成堆的根本原因。这也反过来说明，生物自然发育机制以及细胞潜在的虚拟多潜能性机制的复杂程度，远远超出了目前的实践和操作性构想，甚至很少见对这种复杂性的概念探索。2 y1 B+ l& T7 X( }) j- O) C: ~0 b
9 n4 h6 x  j# B
研究细胞水平发育和可塑性机制的复杂性的另一个难题，是方法学上的，即证实与证伪的问题。严格的现代实验科学模式应该是证伪，而目前的干细胞生物学研究还停留在证实的阶段。所谓proof of principle或proof of concept的证明，往往变成了一个重复无数次以获得某个有可能是随机的预想的现象，典型的例子就是体细胞克隆和iPSC。尤其是从“机制”的角度，无法获得足够效率的情况一定是存在对该现象的机制缺乏必要了解的原因。即使能够有稳定有效的方法证实某个现象可以在特定条件下获得，离开能够排除所有其他可能的证伪标准，还有很远的距离。也可以说，“证实”可以获得局部、随机、零星的现象及其机制，而只有通过系统的“证伪”程序才有可能获得特定系统层面的完整机制，及其与更高层面或更深层面的机制之间的真实关系。
# H$ [6 C3 ~- r7 t/ D( X0 ]' q, A& @
这就涉及到更深层的生物学研究的哲学命题，即还原法能否成为最终解决之道。举例而言，从研究上来说，干细胞的干性能否单靠“证实”的分子机制来阐明；从工艺上来说，能否通过对上述有限机制的局部理解就能获得高质量高产出高效率高安全性的，可产业化的产品；从临床应用上来说，举肿瘤的例子，基因机制的途径能否成为唯一的终极的消除癌症手段；或回到干细胞，再生医学能否在对干细胞的“机制”的有限理解基础上实现其潜在价值，值得怀疑。( _( M$ z% v/ ]) N8 f' f4 z
* V4 s6 C" A6 Q; N  T3 d
从现实的角度而言，机制与现象，研究与应用，理论与实践，往往是互相促进而深入的。问题是如何有效地实现这个互动，或者说得比较具体一些，如何避免在发现现象与技术的冲动中，忽略对“机制”的思考和研究，如何维持一个健康有效的平衡。前一段一位科学家评论科学有可能误入歧途时说：“科学毕竟是人的行为”，个体科学家的理念与群体科学家的合力，在这个现象与机制、技术与理论的关系上，目前在干细胞领域看来，比较偏于前者。也许是潜在应用前景的巨大诱惑或压力所致。# X3 A0 E# \. N

6 W7 b+ w/ V  c" \' j+ W所以，随便聊聊“机制”，不求很“机制化”，意在保持对“机制”的必要关注心态。

shiyi

好文章，学习了。我认为在新药研究中有两种模式：一种是不清楚机制的情况下，盲筛，大海捞针，以前很多药物就是这么筛出来的。还有一种是在明确作用机制和参与因子的情况下，针对性的开发特异性的抑制剂/激活剂，目前为止成功的例子并不多。现在干细胞的各种机制尚不明确，目前的研究工作多集中于各种诱导因子的排列组合优化，深入探讨机制的工作并不多。

shiyi

如果要建立一个干细胞多能性维持和定向分化的数学模型的话，变量可能有上万个，是一个极其精密的调控网络。而目前的研究只是抓住其中几个变量进行研究，离揭开谜底还很遥远，任重而道远。生物学机制的变量太多，目前的数学模型远不能精确模拟其过程，这也是生物学还是实验学科，发展缓慢的重要原因。

tpwang

回复 shiyi 的帖子, T. @- X& ], |. f5 X2 Q: S' v5 }
* s" \, \; R; y$ |- d5 {
“盲筛”的模式在技术进步的刺激下越来越流行，比如大通量技术，所以被称为“非假设驱动”（non-hypothesis driven）模式，在目前对海量信息了解很少的阶段，这大概是个必然过程。因子诱导iPSC的概念最早应该也是有些理论背景和假设的，山中很少谈这个东西，其他人的综述也语焉不太详。估计原因有二，一来有些设想也只是表层的推断，还深入不到真正的机制层面；二来iPSC出来后可玩的东西太多了，如因子的排列组合，增免替代。一旦建立了稳定有效的方法，或者说要想建立稳定有效方法，一定阶段必然要涉及到机制问题。出来很多问题，也都与机制与本质问题有关。& e; n, g; ~" _0 X2 E
! t. Y8 r3 ]' ?+ h* L
非假设驱动的研究，本质上也是趋向未来假设证明的一个台阶。其实这两者分不开，即使特定的一个研究程序里没有明确的假设，但潜在的关联是必不可少的。后者是研究者应当保持的。
( v& n0 D! c& |# L
# z$ Y+ [: w# t数学模型也是要建立在相当的实验数据和指标之上，而且是互动而发展的。只是不知道是否已经有基于目前的实验数据的模型尝试。$ ^, J9 R/ S7 a+ v6 `

3 n0 r0 [. B& z数学模型也好，大通量技术也好，这里面的一个深层问题是这些过程必然要人造一些指标，这些指标本身的信度和效度，反过来又是需要实验数据验证。如何把实证层面和概念抽象层面有机有效地贯通，制造有实用指导意义的工具，本身也是一个挑战。

shiyi

回复 tpwang 的帖子- V4 U# x3 t! R: B0 D

! W2 Q; y* q. }4 V4 a9 q受教了。在对干细胞多能性维持和分化的机制了解甚少的情况下，先利用高通量筛选技术“盲筛”出一些相关因子（信号通路/基因/蛋白/表观遗传学改变等等），再对这些因子进行研究，在此基础上提出一些理论模型，然后通过实验验证、修改、提高，发现新的相关因子，如此循环发展，螺旋式前进，是科学发现的通常模式。遗憾的是生物学包括干细胞生物学机制通常是case by case，很建立数学模型来模拟预测，发现新的相关因子。* E" C4 P1 |$ Z. r6 G* X* v% F$ Q
以蛋白质三维结构为例，现在的结构预测准确率能达到80%，但是关键的活性部位往往预测不准确，所以还是需要研究者一个个来解蛋白结构、功能。如果从一级序列就能用数学公式计算出蛋白质的三维结构和功能，生命科学就突飞猛进了，不过很多同学就要失业了，呵呵。胡思乱想的，有感而发，呵呵。

tpwang

shiyi 发表于 2011-5-25 13:45 4 [! i8 A' H  `6 B
回复 tpwang 的帖子- r* H- q: Y. X/ t

; s5 v( f' w0 p5 l) _3 |" l受教了。在对干细胞多能性维持和分化的机制了解甚少的情况下，先利用高通量筛选技术“ ...

; Z, b  V5 J8 v+ X4 k受教不敢，互相学习。5 }% N$ |$ I2 {2 d$ A
3 ]8 Y1 C/ B. q6 {6 `3 U+ X% K4 S
如果从最终彻底搞清楚生命过程（举与干细胞再生医学最相关的发育为例）的“机制”来说，恐怕不简单是个一一对应的结构与功能线形链式反应过程。比如，生物进化的一个结果是信息的大量冗余，维度的多层次互相制约，过程的精密时空模式，包括复杂多样的质量控制机制，而且还有很多意外情况。尤其是这些东西都是超越我们想象的时间积累保留压缩于一个“虚拟”的微环境之中，在特定的自然环境中加以成型。研究这个自然时空过程形成的奥秘，手段方法还在其次，估计首先要的是相匹配的智慧和思想。常说人的大脑是自然界最复杂的产物，其实也可以这么说人的发育。
' B" H8 \# T% _. s4 X* [% d7 ^9 B0 L8 I$ G' Z4 G+ U
从动机上来说，建立在一个特定的实用目的——干细胞再生医学为出发点的努力，当它达到一定的程度，就会面临自然所呈现的更复杂更深更广的现象的迷宫。要想解开这个迷宫，仅靠有限的实用动机，显然是不容易的。所以，科学到了一定层次，一定要触类旁通多学科交叉，一定要触及到哲学问题，一定需要在大量实践积累的基础上不断地有高度提炼的思想为先导。) }2 R& O0 O: E0 W7 k( M

3 z* u+ i5 o( s+ Z这方面一般不是美国人的强项，现代科学和哲学发源地老欧洲保留了一些传统。比如计算机互联网都是美国人的实用发明，但其社会哲学意义只有欧洲人才有人感兴趣。即便是现在强调互联网对传统社会结构的深层冲击，老美也是断章取义的单方面利用，而不是超越利益的思想探索。关于生命的本质及其人类价值的思考，也有类似的情况。当然，只是指大体而言。干细胞领域的伦理社会政治意义讨论就是一个典型，无论左右，在美国都是一个pragmatic的立场。从科研上而言，强调技术，把还原主义发挥到极致。其实就相关重大生命领域突破而言，细胞重编程、试管婴儿、胚胎干及其ground state、克隆羊、及至human-animal hybrids的伦理与应用考量等，都是欧洲的起始。当然，这有个发展过程的背景在里面。1 n  m. I! u5 p7 I3 D6 M! V% r# q
3 F2 X2 G8 W; r, v! `8 h2 _$ n( Q
从多学科交叉的角度，解开生命发育以及生物可塑性的奥秘，估计单是生物学加生物工程是远不够的，物理、化学以及各种创新技术与材料，需要打破思维界限的创新。比如，有人一直在讨论的体外模拟发育微环境问题，这个目的需要解决那些现实问题，阶段性的可应用度如何界定，终极的价值在哪里——意味着完全体外模拟人造生命吗？大量类似的问题首先需要的是人类智慧不分野的brainstorm，也就是所谓高度抽象的卓有成效的思辨以及具有实践指导意义的行业探索。这个层面的活动在目前很少见到，相比较物理、数学以及空间探索等，生物科学还算是“年轻”一些的。过去一些实践如普林斯顿高级研究院带来很多重大突破，现在的技术性科学研究太碎了。
* U5 c" Y% G. a/ r
$ G/ `, m( R+ i生命是大自然的产物，最终导致了人类社会，单靠生物学角度是搞不清所有问题的。6 r7 _3 [2 x1 n; d
" A" G7 }* y. ~: T3 x
算是纯感想。* K2 n7 N( {' N7 |, ]

shiyi

回复 tpwang 的帖子- R& G% \! d+ H1 e% I

: H3 e4 H/ d8 p$ o( p7 A  ~赞同。生命的本质不仅仅是简单的生物学问题，还涉及到社会学、心理学、伦理学等等，只有上升到哲学高度才能理解生命，所以欧美把自然科学都归到philosophy里，呵呵。现在的干细胞、转基因研究都涉及到了上述的学科。从本质上说，干细胞与再生医学技术是违反大自然的规律的，把生命的过程逆转…….。生命科学的进步是柄双刃剑，对人类到底产生什么样的影响很难说。我觉得人的大脑、思维、意识是人类的终极问题，揭开了这些谜团，能完全在体外制造新的生命，人类也就没有存在的意义了。+ L2 R! p* N6 B
0 Y! E3 T  C; L1 \  c1 J: b
欧洲人相对来说浪漫一些，喜欢研究生命的本质、起源一类的问题，思想家、哲学家也就多。美国人是实用主义，生命科学研究注重实用、和健康、医药联系紧密，对生命的本质、起源一类的看似没有多大的实用价值的问题研究不多，所以美国没有什么思想家、哲学家，诗人、文学家也少。咱们中国人其实更像美国人，实用主义至上，呵呵。& z% L* C3 x, z3 x( H% c/ X; a

tpwang

回复 shiyi 的帖子0 X$ ?$ r: ~: u: W& G
, {' y- K2 ^+ L; Y4 j# x$ L0 m, d
中国人的实用与美国人的实用还不完全一样，感觉其中一个本质的区别，就是强调整体观的中国传统与强调微观的还原主义的区别。中国文化的“实用性”还更多体现在兼容并蓄上，这也是整体观的必然延伸。比如，一分为二的辩证法与中国传统思想与实践很合拍，而中医强调的整体观则比西医的越钻越细有本质区别。中体西用未必合理，但一定程度上很合用。目前的状况，有点发展过快的过程，导致一时的走极端。但要从社会意识和传统智慧上来说，中国人最有底蕴兼容各种思想和传统的优点，加以大一统整合。但要从实践上实现它，则要因时因地因事而论。9 d1 M1 M5 z% {
6 s  t, `- Y, t# u; w6 T
从干细胞再生医学的角度，要想走在研究潮头，领袖大旗，无论底蕴和实力都不现实。如何从中走一条中国的路，既不在科学上落后于人，又不至于与社会效益脱节，需要某种建立在对本领域及其科学技术与应用问题的高度认识与分析基础上的战略眼光。这是所谓“理念”与“操作”结合的实用之道。& I- Z/ ], G- R) s5 R% k
7 Q& A* E7 T2 g, T6 y$ s# X9 n' E
局部创新突破为龙头，争得一个资源市场体制优势地位，也需要高度的思想观念意识创新，也需要建立在对干细胞再生医学的科学哲学问题的深刻认识之上。

stemstar

两位的讨论，都让人觉得受益匪浅，在干细胞领域转了几年，仍是觉得周围浩淼一片，开始怀疑自己了。

心醉夕阳1

强调整体观的中国传统与强调微观的还原主义的区别
$ c0 L9 e' p) I( t7 t# ^科学界的还原主义已经很少有提到，似乎认为那是解释人类历史的必然；能从哲学的高度听到两位的辩驳，受教了。
- I- C2 r5 b; ]研究的微观化和应用的宏观化，机制的真理化和流行的普遍化，科学和实用，都逃不过人的复杂化；