干细胞的研究进展(一)

1、干细胞的研究进展 (一 )【摘要】干细胞是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞群体。近 年来干细胞的应用几乎涉及到所有生命科学和生物医学领域。本文概 述了干细胞的生物学特性，并综述了干细胞的可塑性、分离培养及其 在基础研究及临床上的应用的研究进展。最后，展望了今后研究的方 向。【关键词】干细胞；生物学特性；可塑性；分离培养；应用 Advancesinstudyofstemcells【 Abstract 】 Stemcellsarenon-specializedcellswhichhavetheabilityofself-renewalandmul tipledifferentiationpot

2、ential.Theapplicationofstemcellshasnearlyinvolvedin alltheresearchfieldonlifesciencesandbiomedicineinrecentyears.Thisarticles ummarizesthebiologicalcharacteristicofstemcells,andreviewsthelatestprogr essinthestudyonstemcell splasticity,isolation,cultureinvitro,anditsextensive applicationinbasicresear

3、chandclinicalapplication.Theprospectsofstemcellsa realsodiscussed.【 Keywords 】 stemcells;biologicalcharacteristic;plasticity;isolation;cultureinvitro;applicat ion干细胞(stemcells)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，即这些细胞可以通过细胞分裂维持自身细胞群的大小，同 时又可以进一步分化成为各种不同的组织细胞，从而医学界称之为 “万用细胞” 1981年英国的Eva ns和Kaufman用延缓着床的胚泡首次成功

4、地分离了小鼠胚胎干细胞 ,从而在全球掀起了有关干细胞的研究热潮。1997年 2月英国苏格兰罗斯林研究所威尔穆特博士等成功克隆出 “多利”绵羊，1998年11月，美国Thomson 1和Gearhart 2分别用不同 的方法获得人胚胎干细胞及胚胎生殖细胞,此后,干细胞的研究便进入了一个全新的时代。1999年，有关干细胞的研究被 Scienee评为1999 年度十大科学进展之首。 2000年 12 月干细胞研究再次被 科学杂志 评为该年度世界十大科学成就之一。本文就近几年来干细胞的研究进 展综述如下。1 干细胞的生物学特性根据干细胞的发育阶段， 可将其分为胚胎干细胞 (EmbryonicStemC

5、ell,E)S 和成体干细胞(AdultStemCell, AS。胚胎干细胞即具有分化为机体任 何一种组织器官潜能的细胞,包括胚胎干细胞、胚胎生殖细胞(EmbryonicGermCell, EG)。成体干细胞即具有自我更新能力，但通常 只能分化为相应组织器官组成的 “专业”细胞,它是存在于成熟个体各种 组织器官中的干细胞，包括神经干细胞(NeuralStemCe11, NSQ、血液 干 细 胞 ( HematopoieticStemCell, HSC)、 骨 髓 间 充 质 干 细 胞(MesenchymalStemCel, MSC)、表皮干细胞(EPidexmisStemCe)、肝 干细胞(

6、 HepaticStemCel)l 等。1.1 胚胎干细胞的生物学特性胚胎干细胞最早是直接从小鼠早期胚胎 分离建系的 ,它们具有其自身的生物学特性。 与其他细胞系相比较 ,胚胎干细胞的特点在于 :(1)具有不断增殖分化的能力，所以，在体外培养 条件下可以建立稳定的干细胞系，并保持高度未分化状态和发育潜能 性。1999年Soiter等3利用这个特性将ES/EBs及其分化细胞作为 有关药物的针对筛选系统 ,进行药物毒性检测实验。 ( 2)具有高度的发 育潜能和分化潜能。 体内外可分化出外、 中、内三个胚层的分化细胞， 可以诱导分化为成体细胞内各种类型的组织细胞。胚胎干细胞含有正 常二倍染色体，具有

7、种系传递功能 ,能广泛参与宿主胚胎各组织器官的 生长发育 ,并形成包括生殖系在内的合体后代生殖细胞。1995 年 Pacacio等 4利用骨髓基质细胞或其培养液 ,将胚胎干细胞在体外诱导分化为 造血干细胞。1997年Baker等5在缺乏新霉素(geneticin,g418)的条 件下，将Rosa旳eo基因转染胚胎干细胞后能在体外诱导分化为软骨细 胞。同年 Deni 等报告将胚胎干细胞通过悬滴培养可分化出脂肪细胞。 (3)能进行体外培养扩增 ,还可以对其进行遗传操作选择 ,如导入异源 基因、报告基因或标志基因，诱导某个基因突变等。扩增、遗传操作 及冻存均不丧失其多能性。冻存的细胞可在需要时随时解

8、冻,继续培养不失其原有特性。1.2 成体干细胞的生物学特征干细胞在分化为特化细胞之前常产生一 种或几种祖细胞，然后由祖细胞分化产生特化细胞。与胚胎干细胞相 比较，成体干细胞有以下几个特点： (1)成体干细胞体积小，细胞器稀 少， RNA 含量较低，在增殖过程中处于相对静止状态，在组织结构中 位置相对固定。 (2)成体干细胞数量很少， 其基本功能是参与组织更新，创伤修复及维持机体内环境稳定。研究结果表明，即使在含量丰富的骨髓中，每10, 00015, 000个骨髓细胞中只有一个造血干细胞 6， 人和动物皮肤中的干细胞含量仅为 7%8% 7。Reyn olds等8实 验证明成体哺乳动物脑内的神经干

9、细胞数量极少，仅占室下带区中相 对静止细胞数的 0.1%1%。 (3)成体干细胞常处于一个有干细胞细胞基 质，对干细胞的增殖和分化起调控作用的各种信号分子的特定微环境 或称生物位(nich)中，干细胞是自我复制还是分化为功能细胞取决于 所在的微环境和自身的功能状态。(4)成体干细胞没有确定的来源。有科学家推测，成体干细胞是胚胎发育过程中保存下来的未分化的细胞6，这揭示成体干细胞与胚胎干细胞可能会有更多的相似性与同源 性。2 干细胞的可塑性 干细胞的可塑性主要是指成体干细胞的可塑性。人们把成体干细胞具 有分化为其他类型组织细胞的能力的这种现象称为干细胞的可塑性(plasticity) 9，横向分

10、化( transdifferentiation )10或转决定 (transdetermination)11。1995年，Pereira等12证明，小鼠骨髓细胞在体外培养后具有向骨、 软骨和肺基质转化的能力。1999年,Bjornson等13将胚胎和成年小 鼠神经干细胞 ,以及在体外克隆的神经干细胞移植给亚致死剂量照射的 小鼠，结果证明神经干细胞可转化为造血细胞。同年Jackson等14用Hoechst333422-lowSP屯化的小鼠造血干细胞进一步证明它可迁移到肌肉损伤部位 ,在参与肌肉再生的同时也参与血管的再生。2002 年Vescov i等15报道神经干细胞除有向神经元、星形细胞与少突

11、胶质 细胞分化能力以外 ,还可分化为造血细胞谱系。肝干细胞也是干细胞可塑性的主要可靠证据之一。2000年Alison等16 和Lagasse等17分别报道HSC可在体内分化成肝细胞。2001年Shen 等 18在骨髓移植的试验中发现 ,肝脏干细胞能表达供体造血细胞的 遗传标志。这一系列的证据表明干细胞存在可塑性。然而，近几年来，部分研究 学者对干细胞的可塑性提出了不同的看法 :(1)细胞自发融合导致 “可塑 性”英国科学家2002年,Ying等19的研究结果表明，胚胎干细胞在 体外与神经或HSC共同培养时，能自发地发生神经或HSC与胚胎干细胞 之间的融合，诱导NSC或 HSC横向分化”为胚胎样

12、干细胞，然后展现出胚 胎干细胞的表型特征与相应功能。同年美国科学家Terada等20用充分的证据证明 ,骨髓细胞的多向分化是因为与胚胎干细胞融合所致 , 而不是骨髓细胞直接横向分化的结果。这两者的研究结果都表明，是 由于发生了细胞融合，使所谓的成年组织干细胞具有了 “可塑性 ”潜能。 (2)成体干细胞的横向分化是成体组织中余存的胚胎原始干细胞所致。 2002年Jia ng等21的研究结果证实，在成体组织中余存着一种数量 稀少的胚胎样原始干细胞 ,表达胚胎干细胞的标志如 Oct-4、 Rex-1 及 SSEA-1体外培养条件也类似于胚胎干细胞，所谓的成体组织干细胞的可塑性”很可能是这些细胞所为。

13、(3)2002年，在Scienee和Nature上 连续刊发的几篇文章指出， 成体干细胞可塑性可能是实验设计不严谨， 判断错误所致，认为所谓的成体干细胞可塑性缺乏科学依据。3 干细胞的分离培养由于干细胞的数目很少， 因此需要在体外对干细胞进行非分化性增殖。 干细胞的分离培养的理论基础是其生物学特征，包括形态和结构特征 及其生物学表型。干细胞的分离培养实验主要是建立在老鼠的实验上，早在二十世纪七 八十年代就已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养成功。近 年来，国内在这方面的研究也取得了一定的进展，主要是在神经干细 胞等成体干细胞的研究上。 2002 年陈雷等 22应用无血清培养技术 从胎鼠脊

14、髓分离到的神经系统的干细胞具有不断分裂增殖的能力,可被神经干细胞特异性抗体所标记 ,并在血清条件下分裂为神经系统多种细 胞。2004 年冯玉萍等 23用胰酶消化加机械吹打分离大鼠大脑皮质 及皮质下组织 ,之后用悬浮培养法、有限稀释法获得来源于同一细胞的 亚细胞系克隆 ;2005 年肖美玲等 24用同样的方法分离新生昆明种小 鼠（出生 24h 内）的大脑组织，利用无血清培养基悬浮培养细胞 ,获得具 有自我增殖能力的细胞克隆 ,两者经用免疫细胞化学法鉴定为神经干细 胞。虽然老鼠的干细胞体外培养实验已经取得了可喜的进展，但人的干细 胞的体外培养直到1995年Thomson等从恒河猴的囊胚中分离，建立

15、了 第一个灵长类动物的胚胎干细胞株后， 才获得成功并得到迅速的发展。1998年Thomson 1和Gearhart 2分别用胚胎干细胞和胚胎生殖 细胞建立了人的胚胎干细胞系 ,在体细胞与生殖细胞间架起了桥梁 ,为 研究胚胎干细胞的发育 ,在体外培养人体细胞和组织 ,利用 ES 细胞治疗 疾病提供了广阔的发展前景。在报道分离了人的胚胎干细胞这一重大 成果后不久，美国 AdvanceCellTechnology(ACT,Worcester,M的研究者宣 称,他们通过使人的皮肤细胞和牛的卵细胞杂交,培育出了人的胚胎干细胞。所用的方法与克隆实验中采用的方法相似 ,基本上是对人的细胞 重新编程并使其回到

16、它最初的原始状态。该发现可能导致许多新方法 的产生 , 如通过移植和细胞治疗来医治疾病。 2002 年李巍等 25采用 无血清培养技术 ,成功地分离培养了人胚胎大脑皮层神经干细胞，且能 被诱导分化成神经元和神经胶质细胞。经传 12 代后仍具干细胞特性。 2004 年王共先等 26以器官捐献者的正常前列腺为研究对象 ,利用免 疫磁珠细胞成功从前列腺基底细胞中分离前列腺干细胞。同年汪泱等 27和罗树伟等 28均成功分离培养了人胚脑神经干细胞，并进 行进一步的检测和研究。4 干细胞的应用胚胎干细胞是细胞的源头 ,具有多能或全能性 ,并能够无限分化 ,能够制 造机体需要的全部细胞 ,因此在医学和生物学

17、上具有巨大潜力 ,应用前 景广阔。但它存在着移植免疫排斥的限制和伦理学方面的困扰 ,而成体 干细胞只能在体外有限扩增 ,多系分化效力低 ,通过体外的扩增培养虽 能够提高转化效率 ,然而体外转化是否会引起干细胞遗传特性的改变尚 不清楚。 但这类干细胞存在于宿主体内 ,可直接从患者自身获得 ,故无移 植免疫排斥的限制也无伦理学方面的困扰 ,因此胚胎干细胞和成体干细 胞的研究对生命科学领域而言 ,都具有极重要的意义。4.1 为发育生物学研究提供良好的体外模型系统哺乳动物胚胎体积较 小，而且在子宫内进行发育，因此很难在动物体内连续动态地研究其 早期胚胎发育、细胞组织分化及基因表达调控，而来源于胚胎的胚

18、胎 干细胞具有发育全能性、可操作性及无限扩增的特性，因此胚胎干细 胞提供了在细胞和分子水平上研究个体发育过程中极早期事件的良好 材料和方法。随着分子生物学的发展，通过比较胚胎干细胞不同发育 阶段的干细胞和分化细胞的基因转录和表达，可确定胚胎发育及细胞 分化的分子机制、发现新基因。结合基因打靶技术，可发现不同基因 在生命活动中的功能等。4.2 在医学上的应用理论上讲， 干细胞可以用于临床细胞移植治疗各种 疾病和构建人工组织或器官，其最适合的疾病主要是组织坏死性疾病 如缺血引起的心肌坏死、肿瘤，退行性病变如帕金森综合征，自体免 疫性疾病如胰岛素依赖型糖尿病等。应用干细胞治疗疾病较传统方法 具有很多优点：低毒性或无毒性，一次药有效；不需要完全了解疾病 发病的确切机理；不存在传播疾病的风险：还可能应用自身干细胞移 植，避免产生免疫排斥反应。1999年Horwitz等29用骨髓间充质干细胞（BMSQ治疗遗传性骨 缺陷病，并取得了一定效果。 2004年 9 月，意大利一名 5 岁、患有地 中海贫血症的男孩卢卡