重整化和有效场论：科普和一个例子

我在大一大二的时候还是个中二少年，不懂重整化但是每天梦想着推翻它。如果当时有人来给我科普重整化的概念，我也许就能早点走出那个中二的泥潭。我觉得现在的物理系大学生中依然有很多人可能有像我一样的这样或那样的中二想法，所以我想写一篇文章科普一下这个概念。但是重整化和有效场论又如此重要，我不想只写到科普的水平，所以我打算先写一段科普，在科普结束之后再写一段干货。干货部分希望能让学过量子场论、但是没学过有效场论的人看懂，并且对有效场论在做什么有一个初步的认识。


部分内容带着括号，导致语法结构可能不是很清晰。如果一下子跟不上的话，建议先忽略掉括弧中的内容读一遍，紧接着再带上括号中的内容读一遍。

现代物理的一个信念是，"physics laws at different scales never talk to each other" （不同尺度的物理规律之间几乎毫无关系）。它还可以从另一个角度进行解读：每一个尺度上的物理可以只用这个尺度上的有限多个（可以通过实验确定的）参数进行描述，而完全不必依赖于更高的能标上可能出现的新物理的细节。（"尺度"的划分有点任意。"几米"和"几百米"可以看成是一个尺度上的东西，但是"几米"和"几纳米"就不是一个尺度上的东西了；几十个GeV和一个TeV也可以看成是一个尺度上的东西，但是电弱能标和普朗克能标也不是一个尺度上的事情。我们实在没有办法很好的定义这个东西如何划分，只能通过下面一些例子来说明。）这种例子比比皆是：在考虑小滑块沿斜坡向的运动的时候，我们完全不用考虑滑块内的电子和原子的相互作用，也不用考虑相对论效应的修正；在考虑经典电磁学和电动力学的时候，我们只需要关注一些宏观量——电流、电位移矢量等就可以很好的处理问题，不需要去考虑每个电子的运动细节；在学习统计物理中的经典和量子气体的时候，各位也都知道，我们不需要计算原子核中夸克、胶子等自由度的影响。这些例子也支撑着我们具有一开始提到的那种信念。


那些来自更高能量尺度（更高能标）上的物理规律的影响/修正去哪里了呢？事实上，随着能标的降低，这些影响越来越小，而低能标上的物理规律开始占据主导地位。这些影响一部分被包含进了所谓的"低能有效参数"中（在小滑块的例子中，滑块的质量就是低能有效参数；在电动力学的例子中，电流和电位移矢量也是低能有效参数；夸克和胶子的影响也被吸收到原子核的质量、自旋等低能有效参数中。），另一部分则随着能标的降低，小到超出我们的观测精度。我们在观测的时候，只能观测到低能有效参数，而完全观测不到更高能标上的物理规律的影响——除非我们真的达到那个物理规律开始起作用的能标（一般是那个物理规律的特征能标附近）。


如果一个物理理论"能通过某个尺度上的有限多个低能有效参数来描述这个尺度的物理"，那这个理论就称为"可重整的"。我们目前为止的物理理论几乎都是可重整的，少数不可重整的理论基本都是由一个更高能标上的可重整的理论"约化"下来的。为什么我们的世界会是"可重整的"？我们只能说这是Mother Nature的仁慈。事实上，世界完全可以是这样的：即便我们处理牛顿力学尺度上的问题，也需要引入无穷多个参数，才能精确地（在可以接受的误差范围内）描述我们的世界。比如，一个非常可怕的牛顿第二定律

\vec{F}=m\vec{a}+\sum_{n=1}^{\infty}A_{i_1i_2...i_n}v_{i_1}v_{i2}...v_{i_n}\vec{v}

在速度 \vec{v} 不是很小的时候，就需要我们测量无穷多个参数 \{A_{i_1...i_n}\} 。（当然，我们在测量之前完全无法知道，这些参数是不是都是 \mathcal{O}(1) 的。如果它们的量级逐个递减，那我们在 一定 误差范围内，还可以测量有限多个参数进行预言。最坏的情况是它们都是 \mathcal{O}(1) 的，那我们就不得不测量无穷多个参数。）感谢Mother Nature让我们的世界（至少是"目前我们了解到的世界"这个"新手教程"）是可重整的！


最后多说一句。北大的郑汉青老师有一句名言，"可重整性是一个物理后果，它表明低能物理不受高能物理细节的影响；它也不是建立一个基本理论的必要条件。"深以为然。

科普结束。现在我们开始讲讲场论中的可重整性和有效场论。


我的理解中，一个"有效场论"，就是一个"通过经验的或者严格的办法，忽略掉完整的拉氏量/哈密顿量中的部分在低能时不关键的信息，得到的在低能时能和实验符合得很好的拉氏量的场论"。


得到有效场论及其拉氏量的办法有很多。最简单的一种就是通过路径积分"积掉"拉氏量中的（在低能时无法产生自由态的）重粒子，得到的关于（低能时可以观测到自由态的）轻粒子的拉氏量。然而事实上，我们并不会处理非高斯型的路径积分，所以我们并不能真的直接通过路径积分"积掉"重粒子。如何处理这种情况是这篇文章的重点，后面会在介绍完其他几种方法后开始讲例子。


还有一些 其他的构造有效场论的办法。比如，QCD这种理论，低能情况下夸克和胶子之间的耦合常数非常大，我们已经不能直接再对夸克做微扰。低能QCD的有效理论中，我们也不以夸克 和胶子作为自由度，而以介子和重子作为"低能有效自由度"进行微扰。这种有效场论中，低能自由度完全是"基本理论"的拉氏量中没有出现的；而上面提到的那种方法中，低能有效理论中的自由度是"基本理论"中就出现过的。我不是做强子和粒子物理的，对这部分内容不熟悉，只能就此打住。


除了这 两种办法，还有别的构造有效场论的办法。[1410.1892] Introduction to Soft-Collinear Effective Theory 中比较详细地给出了一种办法。我也不是这个领域的专家，也不能说得更多。不过我得在这里预警，这篇文章里的数学可能会颠覆你的三观，让你报警。毕竟我原来听同学讲的时候，也差点报警，并且深深地觉得，那些说"弦论是在数学上硬凑结果"的人，都应该看看这篇文章。

现在我们开始讲例子。约定度规为(+1, -1, -1, -1). 这个例子是关于电子和muon的QED，拉氏量中只有电子和muon。

\mathcal{L}=\bar{\psi}_e(i\gamma^{\nu}\partial_{\nu}-m_e)\psi_e-e\bar{\psi}_e\gamma^{\nu}\psi A_{\nu}+\bar{\psi}_{\mu}(i\gamma^{\nu}\partial_{\nu}-m_{\mu})\psi_{\mu}-e\bar{\psi}_{\mu}\gamma^{\nu}\psi A_{\nu}

这里的下标 e表示电子，下标\mu 表示muon。我们将这个拉氏量称为"基本理论"。我们只考虑电子对电子对和正负电子对到正负电子对的散射。水平有限，只算到单圈。（事实上连完整的振幅都没算，真的只算了圈。）


所谓的"积掉"过程，有一个从费曼图上来看非常直观的对应——积掉某个粒子，就是把这个粒子对应的内线收缩成一点；得到的新的图就是对应过程在低能有效理论中的图。这个过程的物理意义是：中间传播的有质量粒子是有"自由程"的（我们可以用 \Delta E\Delta t\sim\hbar/2 估计这个粒子传播的时间，然后用光速近似为它的速度，算出来的长度就近似它能传播的距离），而低能极限下，入射粒子的动量小，波长大，看不清那么小的尺度上的结构，于是一个有力程的相互作用就近似成了一个点相互作用。


对于电子对到电子对的散射或者正负电子对到正负电子对的散射，树图水平上，中间传播的是一个光子，没有muon的贡献。所以树图水平上"积掉 "muon，得到的描述这两种散射的低能有效拉氏量就是只有电子的QED。

\mathcal{L}=\bar{\psi}_e(i\gamma^{\nu}\partial_{\nu}-m')\psi_e-e'\bar{\psi}_e\gamma^{\nu}\psi A_{\nu}

但是，这里还有两个参数需要确定——我们尚且不知道低能有效理论中，电子的质量和电量和基本理论中的质量和电量是不是一致。这个 可以 匹配树图水平上，低能有效理论和基本理论的散射振幅来确定。显然，在树图水平上， m'=m_e，e'=e.


在单圈水平上，将两个拉氏量中的电子对到电子对/正负电子对到正负电子对的单圈水平上的振幅写出来，会发现，在这个例子中，振幅相等就等价于光子自能在 \mathcal{O}(e^2) 上相等。（光子自能的结果可以查Peskin第7章，我们这里使用维数正规化和modified MS重整化方案进行计算）。在低能有效理论中，光子自能的圈中只能跑正负电子对，但是基本理论的光子自能单圈 中可以跑正负电子对和正负muon对。这会带来一个对低能耦合常数的non-trivial修正——基本理论中跑muon对的那个圈，在收缩成一个点之后，变成了一个 \mathcal{O}(e^2) 的光子两点顶角。而且由于Ward恒等式的限制，这一项应该正比于 (q^2g^{\mu\nu}-q^{\mu}q^{\nu}) 所以有效理论的 \mathcal{O}(e^2) 的光子自能中含有两部分，一个是跑一对正负电子的圈，另一个是一个光子的两点顶角。


这个两点顶角可以直接在拉氏量中写出。在拉氏量中加入一项修正项

\delta\mathcal{L}=-\frac{1}{4}d_1e^2F^{\mu\nu}F_{\mu\nu}

（这个修正项的形式和counter term的形式一样啊！）我们还需要将耦合常数换成树图水平上的 e' 表达的形式，这样才能体现"高能物理的细节可以被低能物理的参数描述"嘛。

\delta\mathcal{L}=-\frac{1}{4}d_1e'^2F^{\mu\nu}F_{\mu\nu}

只考虑到 \mathcal{O}(e'^2) 的光子自能（\mathcal{O}(e'^4) 的振幅）时，这一项可以直接展开。误差只会是 e' 的更高阶项，但是那相当于是更高圈的修正，我们不考虑了。这一项的Feynman规则是

-id_1e'^2(q^2g^{\mu\nu}-q^{\mu}q^{\nu})


将低能的光子自能和高能的光子自能进行匹配（低能的光子自能用 e' 进行计算，高能的光子自能用 e 进行计算，但是它们其实相等的）。所谓的匹配，就是选取一个重整化的标度，要求有效理论和基本理论计算的振幅在这个标度上相等。我们这里为了一般性的讨论，就不把这个重整化标度 \mu 定下来了。一般的匹配过程中，为了方便，都是取重整化标度等于重的粒子的质量。除此之外，在匹配的过程中，由于我们考虑的是低能物理，所以入射的粒子之间发生的是比较"软"的散射，即粒子散射前后动量改变不大，这导致光子内腿上会有 q^2\rightarrow0 .


低能有效拉氏量画出的费曼图为

费曼图真难画：低能有效理论中的光子自能费曼图。右侧两点顶角来自于muon线的收缩。

给出的光子自能为

\left\{-i\frac{e'^2}{2\pi^2}\left(\int_0^1dx \ x(1-x)\ln\frac{\mu^2}{m_e^2}\right)-id_1e'^2\right\}(q^2g^{\mu\nu}-q^{\mu}q^{\nu}),

而基本理论画出的费曼图为

画到重影：基本理论的光子自能单圈图。

给出的光子自能为

\left\{-i\frac{e^2}{2\pi^2}\int_0^1dx \ x(1-x)\left(\ln\frac{\mu^2}{m_e^2}+\ln\frac{\mu^2}{m_{\mu}^2}\right)\right\}(q^2g^{\mu\nu}-q^{\mu}q^{\nu}),

于是匹配过程可以定出

d_1=\frac{1}{12\pi^2}\ln\left(\frac{\mu^2}{m_{\mu}^2}\right).


但是到这里还没完。我们到目前得到的有效拉氏量中，涉及到光子的部分为

\mathcal{L}=-\frac{1}{4}(1+d_1e'^2)F^{\mu\nu}F_{\mu\nu}-e'\bar{\psi}_e\gamma^{\nu}\psi _e A_{\nu}，

算出来的传播子并不满足极点的留数为 -ig^{\mu\nu} . 我们需要重新定义场，让它满足这个条件：

\tilde{A}_{\mu}=(1+d_1e'^2)^{1/2}A_{\mu} ，

这导致低能耦合常数有一个新的变化

e_{eff}=\frac{e'}{(1+d_1e'^2)^{1/2}}=\frac{e}{(1+d_1e^2)^{1/2}}=e(1-\frac{1}{2}d_1e^2)+\mathcal{O}(e^4)=e-\frac{e^3}{24\pi^2}\ln\left(\frac{\mu^2}{m_{\mu}^2}\right)+\mathcal{O}(e^4).

muon对光子在自能的影响就被吸收到低能有效参数 e_{eff} 中去了。


低能有效理论的耦合常数 e_{eff} 是 e, \mu, m_{\mu} 的函数。其 \beta 函数为

\begin{aligned} \beta(e_{eff})&=\mu\frac{de_{eff}}{d\mu}\\ &=\mu\frac{\partial e_{eff}}{\partial\mu}+\mu\frac{\partial m_{\mu}}{\partial \mu}\frac{\partial e_{eff}}{\partial m_{\mu}}+\mu\frac{\partial e}{\partial_\mu}\frac{\partial e_{eff}}{\partial e}\\ &=\mu\frac{\partial e_{eff}}{\partial\mu}+m_{\mu}\gamma(m_\mu)\frac{\partial e_{eff}}{\partial m_{\mu}}+\beta(e)\frac{\partial e_{eff}}{\partial e}\\ &=-\frac{e^3}{12\pi^2}+\beta(e)+\mathcal{O}(e^5) \end{aligned}

基本理论中，单圈水平上， \beta(e)=2\times(\frac{e^3}{12\pi^2}), 所以有效理论 \beta(e_{eff})=\frac{e^3}{12\pi^2}+\mathcal{O}(e^5) .


（ \beta(e):=\mu\frac{d e}{d \mu}, \ \ \gamma(m):=\frac{\mu}{m}\frac{d m}{d \mu}=\frac{d\ln m}{d \ln \mu},

做重整化的时候，我们会有一些诸如 Z_2Z_3^{1/2}e_0=Z_1e\mu^{\epsilon/2} 之类的联系裸量和物理量的等式。两侧求导数，就可以解出这些函数。更详细的解释可以参考Ryder的Quantum Field Theory的9.4节。）


当基本理论中有 n_L 个 轻粒子和 n_H 个重粒子时，基本理论中

\beta(e)=(n_H+n_L)\frac{e^3}{12\pi^2}

低能有效理论中

e_{eff}=e-\sum_{i=1}^{n_H}\frac{e^3}{24\pi^2}\ln\left(\frac{\mu^2}{m_{i}^2}\right)+\mathcal{O}(e^4)

从而

\begin{aligned} \beta(e_{eff})&=\mu\frac{\partial e_{eff}}{\partial\mu}+m_{\mu}\gamma(m_\mu)\frac{\partial e_{eff}}{\partial m_{\mu}}+\beta(e)\frac{\partial e_{eff}}{\partial e}\\ &=\mu\frac{\partial e_{eff}}{\partial\mu}+\beta(e)+\mathcal{O}(e^5)\\ &=-n_H\frac{e^3}{12\pi^2}+(n_H+n_L)\frac{e^3}{12\pi^2}+\mathcal{O}(e^5)\\ &=n_L\frac{e^3}{12\pi^2}+\mathcal{O}(e^5) \end{aligned}

从这个例子中，我们可以看到，在领头阶，来自高能重粒子的贡献都消掉了，从而低能情况下，对低能的耦合常数有影响的，只有那些低能标上能观测到的轻粒子。在耦合常数保留到 \mathcal{O}(e^2) 时（从而 e_{eff}\approx e ），我们的有效理论仿佛是一个含有 n_L 个粒子的基本理论一样。这就是所谓的"可重整性表明低能物理不受高能物理细节的影响"。


不过这种美好只在单圈成立。注意到在基本理论中，单圈水平上存在光子对到光子对的散射过程（ \mathcal{O}(e^4) ）：一个费米子环，外面长出来四条光子外腿。

满脸写着开心：光子对到光子对的散射。

这个费米子环可以是个电子的环，也可以是个 muon的环。如果是muon环，muon的内线收缩 之后 ，会在低能有效理论中产生一个四光子点相互作用的顶角。而Ward恒等式要求，这个圈一定是正比于 ((q_i\cdot q_j )g^{\mu\nu}-q_i^{\mu}q_j^{\nu}) 的（这样外动量 q_i^{\nu} 点乘上去就为0）（ i,j 取值为1到4，标记四条光子 外腿 ）。这表明，四光子的相互作用顶角是四个 \partial_\mu A_{\nu} 的耦合。这个顶角当然是不可重整的。在 \mathcal{O}(e^4) 的光子自能 圈图中，就会出现由四光子顶角构造的单圈。

画到虚脱：四光子顶角构造的光子自能。这个图被电荷e的四次方和muon质量的四次方压低。


不过，四光子顶角和其他可能存在的不可重整的顶角都是被muon的质量的四次方压低的。当我们距离muon的质量对应的能标很远时，这些不可重整的项都观测不到。于是低能有效理论又是可重整的。


这件事情在暗示着，标准模型是可重整的，很有可能是因为新的粒子出现在比现在观测能达到的能标高得多的地方。


最后再念叨一遍：可重整性是一个物理后果，它表明低能物理不受高能物理细节的影响；它也不是建立一个基本理论的必要条件。

再补充 一个例子吧。

\mathcal{L}=\frac{1}{2}(\partial_{\mu}\phi)^2-\frac{1}{2}m^2\phi^2+\frac{1}{2}(\partial_{\mu}\varphi)^2-\frac{1}{2}M^2\varphi^2-\frac{1}{2}\kappa\varphi\phi^2 其中质量为 M 的是重粒子。其单圈水平（重整化标度选为重粒子质量，取低能极限）上的低能有效拉氏量为

\mathcal{L}_{eff}=\frac{1}{2}(1+a_1\frac{\kappa^2}{16\pi^2M^2})(\partial_{\mu}\phi)^2-\frac{1}{2}(m^2+b_1\frac{\kappa^2}{16\pi^2M^2})\phi^2-\frac{1}{4!}(-3\frac{\kappa^2}{M^2}+c_1\frac{\kappa^4}{16\pi^2M^4})\phi^4+...

这里只 显写出了可重整的部分。其中

a_1=\frac{1}{2}, \ \ b_1=-M^2(1+\frac{m^2}{M^2}), \ \ c_1=18.

将低能有效拉氏量中的场重新定义以保证传播子的留数为 +i 之后，可以发现， \phi 的质量有一个shift—— \varphi 对自能的影响有一部分被吸收到 \phi 的 有效质量中。当然，耦合常数也包含了来自高能的影响。


"这个例子留给感兴趣的读者自己验证"( • ̀ω•́ )✧

（这个例子在Victor Ilisie的Concepts in Quantum Field Theory的11.3节，不过那里只算了一部分。Springer网站上提供了免费下载： Concepts in Quantum Field Theory）



来源：知乎 www.zhihu.com
作者：鸟雀呼晴

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你如何看待中国富豪花400万去乌克兰做胚胎干细胞治疗这件事？

►干细胞治疗一直是研究热点，但大部分应用还是起步阶段，图片来自medium.com

撰文 | 汤 楠（北京生命科学研究所研究员）

责编 | 叶水送

知识分子为更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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干细胞研究是近年来科学研究领域的热点。干细胞治疗也被认为是最具临床前景的治疗手段之一。然而，目前干细胞的临床应用尚处在起步阶段，其疗效及可能带来的危害尚具有较大的不确定性。尤其在肺领域，干细胞治疗临床疾病的理论及实践基础更为薄弱。

但近年来,一些未经证实的肺干细胞治疗慢性肺部疾病的案例开始增加，并逐渐成了全球性问题。这类案例往往不能给患者减缓病痛，而是给病人带来更大的危害甚至死亡。此类事件的发生，原因众多，某些研究者不负责任的推动是主要因素，但公众尤其是患者及家属缺乏必要的干细胞与疾病治疗科普知识是此类案例层出不穷的极重要原因。因此，在此治疗技术的早期，及时向公众普及干细胞治疗的专业知识，已变得十分必要。

一个血淋淋的教训

2015年，美国胸科协会一些医生和肺干细胞专家注意到了网上和新闻里有很多未经批准和有潜在危险的"肺干细胞"治疗。同年4月，在美国胸科协会的一本杂志上，多名专家呼吁全球要对未受管制的干细胞治疗呼吸疾病的案例采取行动 [1]。

2016年7月，世界范围内的共19个肺癌、呼吸和胸腔协会以及患者宣传团体在国际干细胞研究学会（ISSCR) 的网页上发表"对未经证实的肺干细胞干预的声明 （Statement on Unproven Stem Cell Interventions for Lung Diseases），强调了他们的核心使命之一，就是要将新的科学研究信息转化为对患者的科普教育。


►Macchiarini的塑料人工气管，图片来自bioedge.org


而引出国际呼吸社区发表这项声明的原因是多起不良的干细胞治疗案例。其中最有名的案例就是"Macchiarini事件"。Macchiarini事件本身极具有教育意义，同时也折射出目前肺干细胞治疗领域的一些急功近利的现状。笔者借"Macchiarini事件"，谈一谈目前肺干细胞治疗领域的问题及前沿现状，以期能使更多的人理性地认识肺干细胞治疗的美好远景及目前尚在路上的严峻现实。

Paolo Macchiarini是一名外科医生。2008年，其首次在一名巴塞罗那的年轻女子Claudia Castillo身上创造了"奇迹"。他采集到已故供者的气管，并通过化学的方法去除了供体气管内的细胞; 并向残留的气管支架中接种从Claudia自己的骨髓中提取的干细胞。根据Macchiarini 的理论，Claudia的干细胞能够发育分化成正常的气管组织，如此，她便不需要使用任何有风险的免疫抑制药物，另外Macchiarini认为Claudia自己的细胞也可以很好地找到自己应该发挥作用的器官。

当时无数的新闻报道了这个气管干细胞移植案例，例如，在NBC纪录片"信仰的飞跃"（Leap of Faith）中，称这个案例是医学的突破和信仰的飞跃，"想象一个世界，任何受伤或患病的器官或身体部位都被一个新的人造器官替代。Macchiarini也被称为"再生医学的先驱"、"超级明星外科医生"、"创造奇迹的再生医学科学家"，他的工作被誉为将再生医学领域的梦想变成现实。

2010年，Macchiarini由于其"杰出"的工作，被招聘到世界最负盛名的医学机构之一瑞典的卡罗林斯卡研究所工作。从这里开始，Macchiarini不再使用供者的气管作为支架，而是制作了塑料气管支架。自此之后，Macchiarini先后在世界各地包括瑞典、意大利、英国、俄国、美国等国家至少治疗了16名患者，并且还在著名的医学杂志《柳叶刀》上多次发表论文[2] 。

然而，事情后来的发展并不完美。最初，最早接受Macchiarini治疗的Claudia遭受了严重并发症，却一直没有人关心, 也没有相关的报道。自2012年开始，Macchiarini的一些病人开始陆续死亡。虽然，同时期一些医生也在包括《柳叶刀》等各种杂志上表达了质疑，但卡罗林斯卡研究所一直对Macchiarini保持支持。一方面，因为气管修复领域是一个很专业的领域，卡罗林斯卡研究所很少有人对Macchiarini的专业有深入的了解；另一方面，媒体上也在拼命地围绕着气管再生进行炒作，这或多或少地影响了大家的决策。

直到2016年，瑞典国家广播公司（SVT）在其制作的一部纪录片中揭露Macchiarini在俄罗斯对至少一名没有生命危害的病人进行了气管移植手术并造成了患者早期死亡，才引起人们的高度重视。后来，随着各种调查的深入，人们发现他在发表的文章、个人简历甚至病人死亡的原因上都存在造假行为。Macchiarini 用干细胞治疗带来的不良后果远比人们想象的残酷。在其治疗的17名患者中，至少有11位死亡，剩下的病人也存在着各种并发症 [3]。2017年，Macchiarini 被卡罗林斯卡正式解雇，后续还会追究其刑事责任。诺贝尔生理学或医学委员会秘书Urban Lendah和Harriet Wallberg，以及卡罗林斯卡研究所副所长 Anders Hamsten被迫辞职。

Macchiarini案例作为一个教训，让我们进一步认识到医学科学教育的重要性。作为肺领域的科学家，我们有必要也有责任向公众普及肺干细胞治疗的基础知识，在这里我们尽力将最新最真实的干细胞研究结果转化为科普知识，希望能帮助患者在目前临床治疗手段依然有限的情况下，选择最有利于减轻病症的合理治疗手段。

肺脏没有发现存在超级干细胞

肺脏在结构上分为气管、分支支气管和肺泡。在每个部位有不同的干细胞，比如在大气管的干细胞主要是KRT5+P63+基底细胞，在肺泡的干细胞是肺泡二型细胞。找到一个超级干细胞，既可以再生气管，又可以再生肺泡，一直都是肺再生领域的热点。

2015年，Nature杂志发表的两篇文章都试图找到这种细胞，Frank Mckeon实验组声称在流感病毒损伤的小鼠肺中，他们发现了一群表达KRT5+P63+的基底细胞可以迁移到肺泡并参与肺泡的修复和再生[4]。但在同期杂志上发表另一篇文章的作者Harold Chapman 却认为KRT5+P63+基底细胞细胞并不能参与肺泡再生。在流感病毒损伤的肺泡部位表达KRT5+的细胞是由另一群在远端气管的细胞生成的。Chapman研究组谨慎地称这群细胞是"不明族系的细胞" [5]。

从2015年到2018年，包括Harold Chapman、Jason Rock、Barry Stripp、Edward Morrisey 和Wellington Cardoso在内的5个研究组，对KRT5+P63+这群细胞做了认真细致的研究。5个研究组得出了一个同样的结论：KRT5+P63+的基底细胞并不能参与肺泡的再生和修复[6-11]。所以到目前为止，科学家还没有在成年人的肺脏中找到一个可以既参与气管又参与肺泡再生的"超级干细胞"。

没有一种肺干细胞可包治百病

很多宣传的肺干细胞治疗疗效被没有根据地放大，给人感觉肺干细胞治疗可以包治几乎所有的慢性肺疾病。肺的慢性疾病基本都是和肺泡逐步减少有关的疾病。通常肺的代偿能力是非常大的。很多病人在正常静息状态或轻微运动时出现胸闷气短等不适时才去看医生，通常这时已经有了比较显著的肺泡面积的减小和肺泡数目的丢失。由于很多慢性肺病的病因不清，所以临床上的治疗通常是对症治疗、缓解炎症、卧床休息以及氧疗。

但目前最基本的知识表明，不同的慢性肺病发病表现和病理改变完全不一样。比如，慢阻肺是伴随着炎症和终末气道狭小和肺泡数目的减少；而肺纤维化则主要是肺内的纤维组织的增生导致的肺顺应性降低，肺泡处的气体弥散功能下降。

在这里我们要非常严肃的提醒广大患者：没有一种肺干细胞可以包治百病！通俗地讲，我们可以把干细胞比作一颗种子，干细胞所处的环境比作土壤，当种子播种到适合的土壤上才能发芽。如果这个土壤上有很多到处攻击种子的炎性细胞，那么这个种子还没来得及发芽就会被消灭。如果这个肺组织已经长满了纤维组织，已经没有了干细胞可以生长的土壤，那么这些干细胞还会生根发芽吗？

移植的肺脏干细胞不一定能发挥功能

开发干细胞疗法的最大难点之一就是让干细胞一旦移植到体内，就与身体的其他细胞整合在一起发挥功能。

对于肺泡干细胞来说，我们希望肺泡干细胞能够到达特定的病变部位，分化生长成特定的肺泡上皮细胞。比如我们前面所说的气管干细胞Krt5+P63+基底细胞，通常这种细胞生长在气管中，如果人为地把这些细胞从体内提取出来重建再打入肺泡中，那么这个细胞干的事情可能并不是我们想让这个细胞去做的事情（再生肺泡）。

研究发现，在严重流感病毒感染后，大量肺泡上皮细胞死亡，一群KRT5+P63+细胞出现在严重受损的肺泡部位，将受损严重的肺泡基底膜部位盖住，但这些细胞并不能建立正常的肺泡结构[6-11]。而且这些细胞的产生并不利于肺功能的恢复，通过抑制Hypoxia/Notch signal，阻止这群KRT5+P63+细胞产生的时候，小鼠肺功能恢复得会更快更好[6]。目前科学家们还在研究如何让肺泡干细胞能成为我们想要他们去分化的细胞类型，希望未来几年能够有一些突破。

自体干细胞移植也不一定安全

在Macchiarini的案例中，最吸引人的一点就是病人可以接受自己骨髓干细胞的治疗。然而在获取和扩增干细胞的过程中都会有很多潜在的风险。虽然基底细胞和肺泡干细胞在肺损伤中可以发挥干细胞的功能，但一旦这些细胞里出现不好的基因突变，重新植入这些带有突变的自身干细胞就会导致肺癌的发生。肺干细胞在体外扩增培养中，很难控制这些细胞中的突变。一旦发生基因突变，这些干细胞的许多细胞特征就会发生改变。

最令我们担心的是，通常移植的肺干细胞数目动辄上千万，一旦少量体外培养干细胞携带了突变基因，就极有可能导致这些干细胞失去控制生长的正常机制，同时失去了分化和再生的能力。植入这些干细胞不仅不能带来治疗疾病的效果，还很有可能对患者身体带来灾难性的损害！

另外，干细胞在体外培养过程中，因为使用了小牛血清等动物来源的培养液，这些细胞可能会被朊病毒及其他病毒、细菌、支原体、真菌、内毒素等会导致疾病的病原体污染，如果植入了被污染的干细胞，那么接触到这些污染源的人体组织将会受到严重的损害。此外，注射细胞的过程也存在着引入感染以破坏注射它们的组织的风险。

需客观的评价和聆听病人反馈

防止Macchiarini这样的伪科学治疗方法再次兴起的一个方法，就是要建立认真和有效的管理机构。除了对病人进行科普教育，同时要制定严格的肺干细胞治疗规范，治疗结果和临床数据需要有多个第三方独立医学机构和专家的评价。

通常负责任的干细胞临床试验有一些关键特征：a）有非常可靠并且被学术界承认的临床前数据来支持被干细胞治疗可能是安全有效的；b）由诸如审查委员会或医学伦理委员会这样的独立组织进行监督，以保护患者的权利；c） 在许多国家干细胞治疗是由国家管理机构评估和批准，例如欧洲药品管理局（EMA ）或美国食品和药物管理局（FDA）；d）接受干细胞新疗法的人群需要和多组对照组进行比较。比如，接受干细胞治疗的人群同时又接受着传统的治疗，那么如何来客观地评价干细胞的治疗效果是一个需要认真考虑的问题。很多慢性肺病病人的肺功能指标波动性大，不同的肺疾病肺功能数据复杂，分析指标完全不同。所以对干细胞治疗效果的评价一定是需要非常有经验的肺科医生的认真分析。

让我们再回到Macchiarini的案例中，从2014年开始，一名比利时的外科医生和四名卡罗林斯卡研究所的医生一直都试图提出疑问，以引起卡罗林斯卡研究所高层和病人的警惕，但媒体报道的光环一直围绕着Macchiarini [12]。如果能够早期公正客观地对Macchiarini的干细胞治疗进行评价，那么Macchiarini干细胞治疗造成的悲剧和损失可能会少很多。

干细胞医学是非常有前景的，干细胞科学也在不断地前进。通过使用包括造血干细胞等来治疗疾病的医学取得了巨大进展，也向我们展示了干细胞疗法的强大能力。肺领域的医生和科学家们也在通过研究肺干细胞来学习更多诊断和治疗各种肺疾病的方法。我们完全理解患有严重不可逆转性肺病的患者处于极度的身体和精神压力之下，这些压力促使患者和家属去寻求昂贵的未经证实的治疗方法。

在此我们郑重地提醒所有患者，仔细考虑这些干细胞治疗是否能带来好的治疗效果。由于肺干细胞存在着潜在的危害，并且缺乏证据来证实肺干细胞是有治疗效果的，此外，这些干细胞治疗计划通常会收取高额的费用，我们建议不要参与任何肺干细胞治疗，除非有独立可靠和客观的信息来证实这些肺干细胞治疗提供的信息是准确的，并有保障病人利益的索赔。



注：特此感谢Genentech席莹博士的讨论。

参考资料：

1. The Global Emergence of Unregulated Stem Cell Treatments for Respiratory Diseases. Professional Societies Need to Act. Ikonomou L, Freishtat RJ, Wagner DE, Panoskaltsis-Mortari A, Weiss DJ. Ann Am Thorac Soc. 2016 Aug;13(8):1205-7. doi: 10.1513/ Annals ATS. 201604-277ED.

2. ki.se/en/news/the-macch

3. forbetterscience.com/20

4. p63(+)Krt5(+) distal airway stem cells are essential for lung regeneration. Zuo W, Zhang T, Wu DZ, Guan SP, Liew AA, Yamamoto Y, Wang X, Lim SJ, Vincent M, Lessard M, CrumCP, Xian W, McKeon F. Nature. 2015 Jan 29; 517(7536): 616-20. doi:10.1038/nature13903. PMID:25383540

5. Lineage-negative progenitors mobilize to regenerate lung epithelium after major injury. Vaughan AE, Brumwell AN, Xi Y, Gotts JE, Brownfield DG, Treutlein B, Tan K, Tan V, Liu FC, Looney MR, Matthay MA, Rock JR, Chapman HA. Nature. 2015 Jan 29;517(7536):621-5. doi:10.1038/nature14112. Epub 2014 Dec 24. PMID: 25533958

6. Rare SOX2+ Airway Progenitor Cells Generate KRT5+ Cells that Repopulate Damaged Alveolar Parenchyma following Influenza Virus Infection. Stem Cell Reports. Ray S, Chiba N, Yao C, Guan X, McConnell AM, Brockway B, Que L, McQualter JL, Stripp BR. 2016 Nov 8;7(5):817-825. doi: 10.1016/j.stemcr.2016.09.010.

7. Persistent Pathology in Influenza-Infected Mouse Lungs. Kanegai CM, Xi Y, Donne ML, Gotts JE, Driver IH, Amidzic G, Lechner AJ, Jones KD, Vaughan AE, Chapman HA, Rock JR. Am J Respir Cell Mol Biol. 2016Oct;55(4):613-615. PMID: 27689795

8. Local lung hypoxia determines epithelial fate decisions during alveolar regeneration. Xi Y, Kim T, Brumwell AN, Driver IH, Wei Y, Tan V, Jackson JR, Xu J, Lee DK, Gotts JE, Matthay MA, Shannon JM, Chapman HA, Vaughan AE. Nat Cell Biol. 2017 Aug;19(8):904-914. doi: 10.1038/ncb3580. PMID: 28737769

9. Regeneration of the lung alveolus by an evolutionarily conserved epithelial progenitor.

Zacharias WJ, Frank DB, Zepp JA, Morley MP, Alkhaleel FA, Kong J, Zhou S, Cantu E, Morrisey EE. Nature. 2018 Mar 8;555 (7695):251-255. doi:10.1038/nature25786. PMID:

29489752

10. Spatial-Temporal Lineage Restrictions of Embryonic p63+ Progenitors Establish Distinct Stem Cell Pools in Adult Airways. Yang Y, Riccio P, Schotsaert M, Mori M, Lu J, Lee DK, García-Sastre A, Xu J, Cardoso WV. Dev Cell. 2018 Mar 26;44(6):752-761.e4. doi:10.1016/j.devcel.2018.03.001. PMID: 29587145

11. Basal Cells in Lung Development and Repair. Morrisey EE. Dev Cell. 2018 Mar 26;44(6):653-654. doi:10.1016/j.devcel.2018.03.004. PMID: 29587138

12. adweek.com/tvnewser/how

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