干细胞研究的再思考

1、中国工程院院士中华医学会创伤学分会主任委员王正国中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学2干细胞（stem cell）是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体，即这些细胞可通过分裂维持自身细胞的特性和大小，又可进一步分化为各种组织细胞，从而在组织修复等方面发挥积极作用。概 念中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学3胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）：来源于受精56天的胚泡（blastocyst）中未分化的细胞。成体干细胞（adult stem cell, ASC）：来源于机体组织器官中的未分化细胞。分 类（依发生学）中国人民解放军第

2、三军医大学中国人民解放军第三军医大学4中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学5中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学6胚胎干细胞和成体干细胞比较胚胎干细胞成体干细胞来自胚泡的内细胞群来源于骨髓、外周血、角膜、视网膜、脑、骨骼肌、齿髓、肝、皮肤、胃肠道粘膜层和胰腺等发育全能性，可诱导分化为机体分化较局限，部分成体干细胞（造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞）有一定跨系、跨胚层的“可塑性”无限的自我更新能力病理条件下才显出一定的自我更新潜能增殖能力强，便于应用增殖能力较弱，故不能完全取代胚胎干细胞细胞可不断增殖，“永生化”，移植后有形成肿瘤的可能性成瘤的可能性很小不

3、能自体移植自体移植可避免免疫排斥有伦理问题分离和使用不存在伦理问题中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学7全能干细胞（totipotent SC）：具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，有形成完整个体的分化潜能（相当于卵裂球细胞）。分 类（依分化潜能）中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学8多潜能干细胞（pluripotent SC）：有分化成多胚层细胞的能力，但不能分化成完整个体（相当于胚胎干细胞）。专能干细胞（unipotent SC）：存在于身体各部，只能向单一方向分化，产生一种类型的细胞（相当于组织内的成体干细胞）。中国人民解放军第三军医大学中国人民解放

4、军第三军医大学9近20来，干细胞研究一直成为生命科学中的热点，其研究内容几乎涉及所有生命科学的生物医学领域，除了在细胞治疗、组织器官移植和基因治疗中发挥重要作用外，还在发现新基因、基因功能分析、发育生物学模型及新药开发等方面产生重要影响。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学10美国Science杂志1999年将“干细胞研究的新发现”列入十大科技进展之首2000年再次入选年度十大科技进展2002年列入值得关注的六大科技领域之一美国加州每年提供干细胞研究经费达3亿美元 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学11我国有关干细胞的研究也十分活跃，已有多个有关干细胞的“9

5、73”项目，召开过多次全国性或国际性学术会议，出版过多本专（译）著。“863”计划近期将为干细胞研究提供2亿元人民币的经费。中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学12随着干细胞研究的不断深入，不同的结果或不同的观点逐渐显露出来，有些甚至是针锋相对的看法。两个有争议的问题 ： 成体干细胞的可塑性（plasticity） 干细胞治疗的现状和前景中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学13一、成体干细胞的可塑性 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学14上世纪90年代后期，Nature，Science等杂志报道，脏器中特异性的祖细胞（progenitor）和干

6、细胞可发生跨系和跨胚层的转分化或横向分化（transdifferentiation）， 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学15间胚层组织类型干细胞转分化为同胚层另一组织类型细胞间胚层组织类型干细胞转分化为内胚层组织类型细胞间胚层组织类型干细胞转分化为外胚层组织类型细胞由此认为，成体干细胞有较大的可塑性。血细胞血细胞肌细胞肌细胞血细胞血细胞肝细胞肝细胞血细胞血细胞脑细胞脑细胞中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学16研究还表明，骨髓来源的干细胞在特定环境中可向肝脏、胰腺、肌肉及神经细胞分化；肌肉、神经干细胞也可向造血细胞分化。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解

7、放军第三军医大学17造血干细胞（hematopoietic stem cell, HSC）既可分化为成熟的造血细胞，也可分化为成熟的皮肤表皮细胞、肺和胃肠道细胞。 Krause. Cell. 2001,105:369-377中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学18但是，不少学者对干细胞跨系、跨胚层的分化提出了质疑，甚至完全否定。Orkin将成体干细胞转分化实验称之为“干细胞炼金术”（stem cell alchemy），认为我们所面临的许多生物现象尚难以解释，更多的是“像是”而非真实（more apparent than real）。 Orkin SH. Nat. Med. 2

8、000,6:1212-1213中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学19 “跨胚层干细胞”是否就是典型的组织特异的干细胞？ 这些细胞的发育分化潜能是否接近于胚胎干细胞的一些亚群的干细胞？ 成体干细胞在体外培养过程中因环境因素的改变可能会表现出一定的可塑性，但在体内是否也能同样的特性？问 题： Chaudry. Bio Teach.中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学20推断：可能有一些较为原始的、有多种分化潜能的干细胞存留于许多组织中，与更具有组织特性的干细胞并存，而这些细胞正是成体组织内严格谱系干细胞的基础，或是在发育过程中移至此处的一种有多种分化潜能和完全“独

9、立历史”的细胞。 Weissman. Cell. 2000,100:157-168中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学21有人明确否定横向分化的存在，认为这是一种“离奇”的推论或结论，是缺乏实践证明的虚幻空想。 唐佩弦中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学22证实或推断：l在成体组织中仍然残留胚胎发育过程中各胚层定向和组织定向的各类干细胞。l在胚胎发育的各个阶段，有少部分干细胞中止参与胚胎发育，并转入G0期。这些细胞既不增殖又不分化，仍然保持干细胞的基本特性。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学23l出生后随年龄的增长，体内组织中保留的各类成体干

10、细胞基本特征不变。但是，在体外一定细胞因子诱导刺激下，它可以从G0静止期转入细胞周期而增殖，并分化为某种组织定向细胞。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学24G2-0G2SG1G0M23终末细胞终末细胞前前中中后后 末末细胞周期示意图中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学25l组织干细胞分化的可塑性是很有限的，它只能沿着本组织各支系纵向分化（如造血干细胞的多向分化，仅限于髓系和淋巴系的造血细胞各支系的纵向分化），不能跨越本组织定向的限制，更不能突破胚层的界限。在生物界或人类医学史上也从未出现过因横向分化所至的疾病或怪胎。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军

11、第三军医大学26跨胚层转分化可能的原因是：骨髓中成体干细胞不仅包括造血干细胞，间质干细胞，而且还有其他各胚层来源的干细胞及其分化的后代，即各类非造血组织的干细胞，如神经干细胞、肝脏干细胞等。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学27所谓成体干细胞多向分化的可塑性，其实是胚胎发育期存留于造血组织等部位的各胚层干细胞的自然属性，如肌肉匀浆中不仅含有肌细胞，脂肪组织中不仅含有脂肪细胞，其中还有各种成体干细胞，它们的分化过程并没有跨越组织定向的限制。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学28对于转分化的不同看法，其根本原因是至今尚无可能用绝对纯化的正常组织干细胞克隆来证

12、明组织定向干细胞可向非自身组织的方向分化。中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学29已证明，正常人和啮齿类动物（可能还有其他哺乳动物）出生后组织中存在一群原始细胞，其单个细胞具有多潜能分化和大量增殖的潜力，称为多潜能成体祖细胞（multipotent adult progenitor cell, MAPCs）。 C. M. VerfaillieMAPCs是体内固有的还在培养条件下形成的，至今还不清楚。中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学30赵春华证实，在人体胚胎发育过程中，多种组织还存留具有多系分化潜能的亚全能干细胞。它们在胚胎发育成熟后逐渐失去部分原始干细胞表型

13、，但在胚胎发育为成体后仍具有亚全能基因组，其中的组织特异性基因在适当的微环境下可以被激活，因各自所处的微环境不同而向不同的组织分化，能够全方位地选择分化为各种组织细胞。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学31赵春华实验室在单克隆细胞水平上通过体内实验证实，亚全能干细胞能够向三个胚层多系统分化为各种组织细胞。这在一定程度上有助于澄清成体干细胞的可塑性问题。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学32总之，有关可塑性问题还需不断进行深入研究，要用更先进的手段，获取更充分而精确的科学证据，据此才能来提出或支持相应的论断。中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医

14、大学美国明尼苏达大学Verfaillie CM等证明体内存在“多项分化潜能成体祖细胞”multipotential adult progenitor cell, MAPc33中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学34Bjklund和Svendsen指出，我们现在所看到的意味着一门新的生物学已经出现，从长远看，这是新的再生医学的诞生。中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学35二、干细胞治疗的现状和前景中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学361999年，Science杂志编者Bloom：“干细胞给人类提供了极大的可能性：用干细胞修复病损的脏器和细胞缺损”

15、，他还说“最终可能用干细胞制成像肾、肝这样复杂的器官”。中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学37源于胚胎干细胞的细胞已能或可能治疗许多疾病神经细胞心肌细胞B型胰岛细胞软骨细胞白细胞皮肤细胞肝细胞骨细胞视细胞骨骼肌细胞帕金森病心肌梗死糖尿病骨关节炎白血病烧伤和创伤肝炎骨质疏松症视网膜退化肌营养不良治疗中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学38成体干细胞中，造血干细胞（包括骨髓、脐血和外周血中的干细胞）已用于治疗重度白血病和某些遗传性血液病。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学39可经诱导向软骨细胞分化，并能分泌特异性型胶原基质，因此可望成为工程化软

16、骨的种子细胞；分化为肌细胞，可能成为肌萎缩、肌营养不良时促进肌组织再生的靶细胞； 骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cell, MSC）：中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学40与基因治疗结合，可强化治疗效果，对某些基因突变所致的遗传性疾病；可分离其自体的间充质干细胞，体外进行改造，敲除突变基因，导入正常基因，然后重新输入体内，既纠正了遗传缺陷，又避免发生移植反应。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学41梗死的心脏注入富含鼠的骨髓干细胞后，40%的心肌层得到恢复。 Olic. Nature. 2001,410:701-705用人的骨髓来源的成

17、骨干细胞使心肌梗死鼠30%40%的心功能得到改善。 Kocher. Nat Med. 2001,7:430-436 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学42心脏有相当数量的干细胞，这些细胞可分化为心肌细胞，病理组织学观察显示，有0.015%的心肌细胞处于有丝分裂期，心肌梗死时为0.08%。 Anversa. Nature. 2002,415:240-243 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学43在性别不匹配的心脏移植中可见受者循环中的干细胞能移居并定位于移植的心脏，生成新的心肌纤维。 Quain. N Engl. J. Med, 2001,344(23):17

18、50-1757中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学44新近的研究表明，成体非心脏来源的干细胞，如骨髓、脑、骨骼肌、脂肪组织、肝脏和外周血干细胞，通过自然迁移或实验植入心脏均可分化为心肌细胞，提示成体干细胞可成为心肌梗死后再生的心肌细胞，目前已很快进入临床研究。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学45成体干细胞及其子代细胞移植或动员脑组织内的干细胞治疗神经退行性疾病已获初步成效。动物实验证实移植的神经元可替代修复已损坏的神经通路。临床试验也证实细胞替代治疗可使症状缓解。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学46帕金森病的主要病变是黑质纹状体中多巴胺能神经元的退行性变，给病人纹状体内移植胎儿中脑组织的结果显示，移植的神经元可以存活并恢复对纹状体的神经支配达10年。由于伦理、来源等问题，大量临床应用有困难。 中国人民解放军第三军医大学中国人民解放军第三军医大学47用干细胞和生长因子修复骨折，可加速愈合。动物实验显示，从骨髓提取干细胞能改善治疗效果。用干细胞治疗瘫痪病人，已有成功病例的报告。分离出的毛囊干细胞与“诱导”的真皮细胞结合可产生新的毛囊