国内外干细胞研究进展.docx

国内外干细胞的研究进展摘 要：干细胞研究是近年来生物医学领域的热门方向之一，干细胞产业具有巨大的社会效益和市场前景，受到世界各国的高度重视。美国、欧盟、日本、韩国和中国在干细胞领域投入重金支持基础和临床研究，大力推动干细胞产业化发展。本文通过对比世界干细胞研究的热点领域，分析了中国在该学科取得的成绩和存在的差距，进一步提出了针对中国干细胞研究发展的政策建议。关键词：干细胞，研究现状，前景与展望Abstract:Stemcellresearchisoneofthehotresearchfieldsinbiomedicinenowadays.Manycountriesattachimportancetothestemcellindustrybecauseofthegreatsocialbenefitsandmarketpotential.USA,EU,Japan,KoreaandChinahaveincreasedtheinputofcapitaldramaticallytopromotethebasicandclinicalresearchofstemcellaswellasstemcellindustry.Bycomparingthesituationofstemcellresearchathomeandabroad,wefoundthat,inrecentyears,anobviousprogresshasbeenmadeinstemcellresearch,however,thegapbetweenChinaandthedevelopedcountriesstillexists.AndfurtherputsforwardthepolicysuggestionsinthedevelopmentofstemcellresearchinChina.Keywords：stemcells，researchstatus，prospect1、前言20世纪90年代以来，随着细胞生物学技术的发展及体外分离、培养人胚胎干细胞的成功，干细胞经适当诱导分化可发育为不同类型的细胞、组织和器官，成为移植供体的新来源，作为“种子细胞”的干细胞可以通过细胞工程的方法在体外发育为各种特异性的细胞供移植和细胞替代所需，并可作为基因疗法的靶细胞用于治疗和研究。由于干细胞有广泛的应用前景，它已成为近年来医学和生物学领域研究的热点。干细胞（stemcells）是人体及其各种组织细胞的最初来源，是一类具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体。在生命科学领域中，干细胞应该是近年来最能引起全社会广泛关注的热点之一。1999年末，美国科学杂志把干细胞研究成果列为当年十大科学进展之首，预示着21世纪生命科学时代提前到来。2001年末，科学又把干细胞研究列为2002年六大热门科技领域榜首1。进入2001年，美国及欧盟的许多国家已纷纷立法允许应用干细胞进行治疗性克隆的研究。干细胞研究被誉为新世纪生物和医学技术领域可能取得革命性突破的项目，具有非常广泛的应用前景。科学家们预测，如果此项研究进展顺利，那么在3-5年内将使糖尿病、肝病、血液病、角膜病、老年性痴呆症得到有效治疗。10年内，可以全面实施人体组织工程(治疗性人体器官克隆)，甚至实现人体器官模块化目标。干细胞生物工程为人类最终战胜疾病展现了曙光。有科学家乐观地估计，人类战胜疑难疾病，拥有健康将是完全可能的。2、干细胞干细胞(stemcell)是一类具有多分化潜能和自我复制功能的早期未分化细胞。在特定条件下，它可以分化成不同的功能细胞，形成多种组织和器官。按其分化阶段不同，干细胞大致可分为胚胎干细胞(embryonicstemcell，ESC细胞)和成体干细胞(multipotentstemcell，ASC)。ESC是指当受精卵分裂发育成囊胚时内细胞团(innercellmass)的细胞，这种细胞最大的特征便是具有无限增殖、自我更新的特性，最重要的是无论在体外还是体内环境，这种细胞都能被诱导分化为机体几乎所有的细胞类型。ASC是一类成熟较慢但能维持自我增殖的未分化的细胞，这种细胞存在于各种组织的特定位置上，一旦需要，这些细胞便可分化产生出一群具有有限分裂能力的细胞群。目前研究较多的干细胞除了ESC外，还有ASC如造血干细胞HSC、骨髓间充质干细胞MSC、神经干细胞NSC、肌肉干细胞、成骨干细胞、内胚层干细胞和视网膜干细胞等。2.1干细胞的调控2.1.1内源性调控 不对称分裂对干细胞自我复制非常重要，而这一行为是通过干细胞内的一些结构蛋白和多肽因子调控的，比如在果蝇卵巢中，有一种称为收缩体的调节蛋白。收缩体与纺锤体的结合部位决定了干细胞分裂的位置，从而把维持干细胞性状所必需的成分保留在子代干细胞中，实现干细胞的自我复制。转录因子对干细胞分化的调节也非常重要，比如，Oct4是一种哺乳动物胚胎细胞表达的转录因子，在胚胎干细胞的发生中，它通过诱导生长因子的表达和分泌，影响干细胞周围滋养层细胞的成熟，从而调节干细胞的进一步分化，Oct4缺失突变的胚胎存在发育障碍。此外，端粒体的长度与干细胞的增殖和分化也有重要关系。敲除端粒体基因的小鼠，其造血干细胞的自我复制能力下降；雄性鼠的精细胞发育也受到障碍，因为端粒体的长度影响染色体的功能，因此染色体的功能状态可能决定了干细胞的命运。2.1.2外源性调控除内源性调控外，干细胞的分化还受到其周围组织细胞及细胞外基质等外源性因素的影响。分泌因子 至少有两类因子在不同组织甚至不同种属中调节干细胞的增殖和分化： 转化生长因子和Wnt（编码一组调节胚胎发育的分泌蛋白质）家族，比如在角膜干细胞的分化中，转化生长因子作用于角膜缘干细胞周围的间质细胞，诱导间质细胞分泌各种细胞因子，包括血小板衍生生长因子和白血病抑制因子等，对角膜缘干细胞的增殖与分化具有调节作用。其他细胞因子，比如胶质细胞衍生的神经营养因子，不仅能够促进多种神经元的存活和分化，还对精原细胞的再生和分化有决定作用。Wnts的作用机制是通过阻止一种细胞黏附分子-Catenin的分解，从而激活转录因子Tcf/Lef 的表达，促进干细胞的分化。膜蛋白介导的细胞间相互作用 干细胞的调控也可通过细胞与细胞的相互作用而实现，比如，细胞膜表面分子Notch 通过结合其配体Delta或Jagged，从而在干细胞和周围细胞间传递信号，脊椎动物的胚胎及成年组织包括视网膜神经上皮、骨骼肌和血液系统中，Notch信号起着非常重要的作用：当Notch与其配体结合时，干细胞进行增殖；当Notch活性被抑制时，干细胞进入分化程序，发育为功能细胞。细胞外基质对干细胞的调控 整合素家族是介导干细胞与细胞外基质黏附的最主要的受体，它通过直接激活多种生长因子受体，从而为干细胞的增殖提供适当的微环境，细胞外基质通过调节1整合素的表达和激活，调节基底膜成分的变化和干细胞微环境中分泌因子的浓度，从而影响干细胞的分布和分化方向。3、国外干细胞的研究现状虽然早在1970年，小鼠胚胎干细胞就可以成功的在体外进行培养，但是干细胞的研究一直未引起人们足够的重视。20世纪90年代后期，Nature杂志先后发表了利用成体动物细胞核克隆绵羊“多莉”和克隆鼠的报道，使发育生物学理论有了革命性的突破。特别是1998年Thomson2实验室和Shamblott3实验室分别成功地建立了人体胚胎干细胞系，在全球掀起了继人类基因组计划之后的又一次生物医学的革命，使干细胞的基础和应用研究受到了世界各国政府和研究者的高度重视。为抢占这一科技制高点，世界各国纷纷投入大量的人力、物力和财力加紧研究开发，并取得应用性成果。特别是近年来，国际上干细胞基础研究领域的新成果层出不穷，其中在若干方面还取得了重大突破，吸引了科技界、产业界和政府机构关注，并将成为今后相当一段时期的研究、开发和产业化热点。3.1美国干细胞研究现状在干细胞研究领域，美国保持着绝对领先的地位。从最初的骨髓移植算起，干细胞研究在美已进行了30多年。美国在该领域的进展较快，目前在美国已建立了16株人胚胎干细胞系4，在胚胎干细胞的诱导分化、基因调控以及相关组织工程上均取得了一大批研究成果和专利。2002年4月，美国国家卫生研究所决定拨款350万美元，资助4所机构进行人类胚胎干细胞研究。这是美国总统布什宣布允许有限支持人类胚胎干细胞研究以来，美政府向该领域投入的首笔大额经费5。2005年10月，美国食品和药物管理局(FDA)也已批准将神经干细胞移植入人体大脑。2006年财力雄厚的哈佛大学宣布正式启动通过克隆人类胚胎提取干细胞的研究项目，并投巨资建立美国最大的干细胞研究中心。2011财年，美国国立卫生院（NIH）将投入3.58亿美金支持成体干细胞研究6。3.2英国干细胞研究现状2001年1月，英国第一个将克隆研究合法化，允许科学家培养克隆胚胎以进行干细胞研究，并将这一研究定性为“治疗性克隆”7。2005年英财政大臣称将建立全国性干细胞研究网络，以巩固英国在该领域的领先地位，2006年，英国批准世界首个干细胞银行向各国科学家或实验室提供胚胎干细胞。2006年，欧盟议会通过干细胞研究拨款法案，干细胞研究在欧盟从此拥有“合法身份”，英国首相布莱尔在美国访问期间，努力推动英国和加利福尼亚洲加强干细胞研究合作。3.3日本干细胞研究现状日本把干细胞技术视作在生命科学和生物技术领域赶超欧美国家的绝好机遇，在2000年启动的“千年世纪工程”中，将干细胞工程作为四大重点之一，于第一年度就投入了108亿日元的巨额8。日本科学家在诱导性多能干细胞（iPS）领域处于世界领先地位，日本政府同样决定加强对日本研究所和大学从事iPS研究的支持，以便让他们在日本和其他国家为其应用技术方法和思路方面取得专利，保护日本的国家利益。鉴于日本缺少海外专利系统经验，其文部科学省鼓励聘用精通西方专利系统的知识产权、有海外工作经历的专家，对研究机构提供专利应用战略咨询。3.4其他国家（除中国）干细胞研究现状此外，德国、新加坡、澳大利亚等多个国家也把干细胞研究作为生物高技术研究的重点，不但制定了短期和长期的发展计划，而且投资建立了大批专业化干细胞工程技术研究中心。瑞典、巴西也于2005年通过立法继续支持干细胞研究。2000年新加坡、澳大利亚的Pera等也有培养成功人胚胎干细胞的相关报道9。2006年，澳大利亚众议院通过了一项新法案，通过了克隆人体胚胎干细胞研究的法令，从而令治疗性克隆研究合法化。韩国政府大力投资干细胞研究，计划到2015年，干细胞研究年度经费将从3300万美元提高到9800万美元，建立至少5个世界级研究团队。印度药品管理局（DCGI）批准了干细胞产品的第一个临床试验，通过一个联合的期和II期临床试验，干细胞产品能否使心肌梗塞和重症肢体缺血患者受益10。4、我国干细胞的研究现状在这场干细胞研究开发的国际竞争中，我国的反应较快。自20世纪90年代后期以来，干细胞研究一直受到我国政府和科学界的高度关注。1998年起，国家科技部和国家自然科学基金委员先后把干细胞研究作为我国科技发展的重点领域，并于2000年以来连续多年将其列入“863”、“973”、国家自然基金重点项目，投入大量资金资助。根据PubMed数据库的检索结果，以我国为第一承担单位发表的干细胞相关论文数由1998年仅占全世界总数的0.3%上升至2010年的7.5%。截至2010年3月，中国干细胞相关发明专利申请量和作为专利优先权国家的专利数量分别位居世界第6位和第3位11。1986年，中国医学科学院血液学研究所首次实行白血病患者自体干细胞移植12。2001年2月，国家“973”组织工程首席科学家、上海第二医科大学整形外科学教授曹谊林教授用干细胞在兔耳上培育出人耳13。2002年7月，中山大学第二附属医院干细胞中心终于在国内建立了第一个中国人胚胎干细胞系14，使我国胚胎干细胞的研究步入了国际先进行列。2009年，中国科学院动物研究所周琪研究员和上海交通大学医学院曾凡一研究员在世界上第一次获得了完全由iPS细胞制备的活体小鼠，有力证明了iPS细胞具有真正的全能性15。尤其是在神经干细胞临床应用领域，干细胞治疗糖尿病和股骨头坏死等方面的研究走在世界的前列。目前，天津血液研究所、上海市第二人民医院在血液干细胞技术上也有比较突出的成就，正在开展其他应用的研究。北京中关村生命科技园也将干细胞研究列为首批入园的九大项目之一16。5、我国干细胞的研究与国外相比存在差距近年来，虽然我国通过大力支持干细胞研究，各方面已经取得了较大进展，但是对比美国等发达国家，我国的干细胞研究与产业化水平还存在较大差距。国内干细胞研究起步较晚， 目前大多在动物实验阶段且鲜有成功的报道，人造血干细胞方面研究较多，从脐带血中分离干细胞的报道占有相当篇幅，但尚未能进入实用阶段。干细胞的研究中还有许多问题亟待解决。例如，成人干细胞的确切定位和功能；它的特定功能状态的调控机制；体外操作对干细胞分化特性的影响；干细胞定向分化的诱导因子以及它们作用的机制等等；这些问题的解决对胚胎发育的研究及临床疾病的治疗必将起到极大的推动作用。目前，我国干细胞基础研究发展水平与国外仍存在较大差距。据ISIWebofScience数据库统计，2009年，我国干细胞研究文献发表数量虽居世界第五位，而平均引用频次仅2.40次/篇，排名第九，远低于排名第一美国的5.30次/篇。据统计，2009年全球约有100多个重要干细胞中心，美国和加拿大有50个先进中心，英国大约有20个，欧洲其他地区大约25个，亚太地区约30个，主要集中在日本和韩国。我国基础研究能力和取得的成果不足以支撑该领域的迅速发展。对20002010年收录的干细胞文献进行分析发现，美国发表的文献占干细胞研究总文献量的比例超过39%，以绝对的优势稳居全球干细胞研究领域的首位。这表明，尽管美国在奥巴马执政前一直限制政府研究经费资助干细胞的研究，但这丝毫没有降低美国研究人员对干细胞研究的兴趣。亚洲共有3个国家进入前10位，分别为日本、中国和韩国，其中中国位居全球第6位，亚洲第2位17。近些年来，我国干细胞研究在iPS和胚胎干细胞、肿瘤干细胞与干细胞分化潜能等方面研究和世界主流方向一致；但在成体干细胞研究方面如神经干细胞、造血干细胞等方面，我国基础研究的工作还不够全面；在临床结合较紧密的领域如心脏病的治疗方面，研究还不够深入；在一些新兴领域如干细胞的调控网络方面，还没有大范围开展工作。深入寻找干细胞自我更新及分化机制，并更为安全地用于临床，我国还有相当多的工作要做。6、干细胞的研究前景及展望目前，干细胞、尤其是胚胎干细胞的识别、分离、增殖、定向分化已成为细胞生物学乃至整个生命科学的主攻热点之一。在人类基因组工作框架完成之后，干细胞研究、组织工程研究将与后基因组计划相辅相成，成为21世纪生命科学研究领域的重中之重。从理论上讲，干细胞可以用于各种疾病的治疗，但是它的应用却受到社会伦理学的制约18。虽然到目前为止，有关干细胞的研究已经做了大量的工作，但干细胞的研究中还有许多问题亟待解决19。目前，干细胞的识别、分离、增殖、定向分化已成为细胞生物学乃至整个生命科学的主攻方向之一，干细胞的医学应用更是对传统治疗方式的一场革命。正因为如此，以干细胞应用为主体的众多生物技术公司在西方国家迅速成立并得到人们的普遍关注。可以预见，干细胞特性的逐步阐明将把我们带入一个医学的新纪元。参考文献1施渭康.干细胞工程学研究现状和发展前景J.中国科学院院刊.2002,2:95.2ThomsonJA,Itskovitz-EldorJ,ShapiroSS,etal.Embryonicstemcelllinesderivedfromhumanblastocysts.Science,1998,28(5391):11451147.3ShambolttMJ.AxelmanJ.WangS,etal.Derivationofpluripotentstemcellsfromculturedhumanprimordialgermcell.ProcNat1AcadSciUSA,1998,95(23):1372613731.4VogelG.Embryonicstemcellsnotsostealthyafterall.Science,2002,297:175177.5杨志鹏，周浙闽.国内外干细胞研究现状及趋势综述J.福建医药杂志,2003,25（05