干细胞-可编辑的文档

干细胞

昆明医科大学药学院

云南省天然药物药理重点实验室

卿晨

生命科学是当今自然科学中发展最为迅速的学科，干细胞的研究是其中最令人瞩目的领域之一。“干细胞研究的新发现”在美国《science》杂志公布的1999年世界十大科技成果中名列榜首，并于2000年再度入选世界十大科技成果。

干细胞研究为什么受到科学家的如此关注？研究发现

取自人胚胎或骨髓的干细胞可培育出神经、造血、肌肉、胰岛等不同的人体细胞、乃至于培育组织或器官，有望修复患者体内坏损的组织器官及功能，给一些难治性疾病如心肌梗死、糖尿病、恶性肿瘤、神经退行性疾病等带来新的可能性和希望。干细胞的概念

干细胞是人体内最原始的细胞，具有很强的再生能力，在干细胞因子和多种白细胞介素的联合作用下可诱导分化出各种类型的细胞。

在生命过程中，有些组织细胞需要不断更新，如皮肤、小肠和血液细胞。而干细胞的存在是组织具有自我更新能力最根本的原因。WhatAreStemCells?StemcellsarespecializedcellsthatcanproduceseveraldifferentkindsofcellsJustlikethestemofaplantwillproducebranches,leaves,andflowers,sostemcellscanusuallyproducemanydifferentkindsofcells.

“Stem”：主干、茎干，引伸为“起源”。干细胞的定义及生物学特性干细胞（Stemcell）是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞。一、自我更新能力干细胞可不对称分裂为1个子代干细胞和1个功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。

但是干细胞的分裂实际是相对不对称的，干细胞在其发育期间也能够对称性地分裂以扩增它们的数量。二、高度增殖能力因干细胞数量不多，所以其高度增殖的生物学特性有其重要意义：体内：如造血干细胞通过高度扩增，可补充由于细胞正常衰老死亡而丧失的血细胞。体外：体外扩增干细胞是干细胞研究和应用的前提和关键。因此，高度扩增的生物学特性不但对干细胞的研究和应用有重要作用，而且对机体正常功能的维持也起着重要作用。三、多向分化潜能-多能性或全能性

干细胞具有分化为多种细胞类型的潜能，但不同干细胞的分化潜能有所不同。

胚胎干细胞：全能性

神经干细胞：多能性造血干细胞：多能性一、从来源上分类

1.胚胎干细胞

从早期胚胎

(胚胎内细胞团或原始生殖细胞)

中获得，可分化、发育成完整的个体。干细胞的分类2.成体干细胞

存在于一种已经分化组织中的未分化细胞，能够自我更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。成体干细胞存在于多种人体组织中，负责相应组织的更新和修复。目前已发现多种组织存在相应干细胞，

如造血干细胞(骨髓)、间充质干细胞、神经干细胞、上皮干细胞及胰腺、肝脏干细胞等。二、从分化潜能上进行分类1.全能性干细胞

具有分化形成任何类型细胞的能力(全身250多种细胞类型)，有形成完整个体的分化潜能。

人类的胚胎干细胞是全能干细胞，它可以分化成人体的各种细胞，进而构成人体的各种组织器官，最终发育成完整的个体。2.多能性干细胞

具有产生多种类型细胞的能力,但发育潜能受到一定限制，失去了发育成完整个体的能力。如骨髓多能干细胞可分化出至少12种血细胞，同时也能分化出造血系统以外的其它细胞，但分化潜能没有胚胎干细胞大。3.单能干细胞

只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。常指成体组织、器官中的一类细胞，如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞。干细胞研究的意义干细胞所具有的修复、替代和再生的能力为临床提供了一个发展新疗法的机会从理论上讲，干细胞可用于各种疾病的治疗，它应具有许多传统治疗无法比拟的优点：

1.

一次性介入，永久性治疗；2.不需要完全了解疾病的发病机制（糖尿病）；3.还可能应用自身干细胞进行移植，避免产生免疫排斥反应（骨髓）。1950：发现将骨髓细胞移植到遭受致死剂量辐射的动物体内，能够重建骨髓造血和免疫功能，挽救动物生命。干细胞研究的历史回顾1967：

美国华盛顿大学的多纳尔.托马斯发表报告，将正常人的骨髓移植到病人体内，可以治疗造血功能障碍。1969：多纳尔.托马斯完成了第1例骨髓移植，于21年后的1990年获得诺贝尔医学和生理学奖。1970：第1次尝试用8份脐血治疗1位16岁的白血病患者，但移植失败。但该患者后经化疗成功治愈。（一份脐血数量不够，而又没有有效的体外扩增手段？）1988:法国首次对范可尼氏贫血（先天性再障）患儿进行了脐血移植。1992：美国纽约血液中心建立了世界上第一家脐血库。DavidHarris

博士为儿子储存了首份脐血。1995：

DonaldKohn在路易斯安娜儿童医院首次成功采用脐血治疗重症免疫缺陷综合症。1996：由美国心肺血液国家研究所发起建立脐血移植研究计划（COBLT），投资3000万美元。其中包括3个脐血库和7个移植中心。1997：发表了1988年到1996年（8年间）由45个移植单位完成的143例脐血移植报告。干细胞时代始于1998年。美国威斯康辛大学科学家汤姆森首次从人类胚胎组织中提取培养出胚胎干细胞株，并证实其全能干细胞特征，此项究发表在1998年11月6日出版的学术期刊Science上。1998同年，一位巴西白血病患者的父亲将患者妹妹的脐血保存，并成功用于移植。同年，美国科学家在《美国科学院院刊》上报告：小鼠肌肉组织的成体干细胞可以“横向分化为血液细胞”。此后，世界各国科学家相继证实，人类成体干细胞具有可塑性，从而掀起了全球成体干细胞的研究高潮。多数情况下，成体干细胞分化为与其组织来源一致的细胞，但在某些情况下，成体干细胞的分化并不遵循该规律，表现出很强的跨系或跨胚层分化潜能。骨髓间充质干细胞不仅可以分化为造血基质细胞，而且在体外的不同诱导条件下可以向成骨、成软骨、成肌肉和成脂肪细胞及中胚层以外的细胞，如向神经元的分化。2000：全世界脐血干细胞移植2500例。全世界有10622例造血干细胞移植。用成体干细胞为载体进行基因治疗获得成功。成体干细胞移植使糖尿病大鼠恢复正常。骨髓干细胞移植治疗小儿软骨缺损获得成功。神经干细胞能够进入脑组织并修复脑损伤。角膜干细胞有助于恢复视力。证实成人骨髓干细胞可以形成多种组织。2002：证明骨髓干细胞移植后形成肝细胞，提示骨髓干细胞有再生肝脏功能的作用。发现骨髓干细胞具有生成血管的功能。发现肌肉干细胞能转变为多种组织，能够再生萎缩了的肌肉。2004：在中国协和医科大学血液病医院，一位下肢坏死的患者通过自体外周血干细胞移植，观察到新的血管和神经的生成。国内发现了“脑肿瘤干细胞”，这一重大发现有可能成为治疗肿瘤的突破口。2005干细胞研究领域爆出学术丑闻：2004及2005年韩国汉城大学教授黄禹锡有关干细胞研究的论文两次荣登Science杂志，结果经各方查证其论文数据存在造假现象，2006年Science杂志宣布撤回这两篇论文。2006日本科学家成功诱导出鼠诱导性多功能干细胞(inducedPluripotentStemCell，iPS)。诱导多能干细胞是利用病毒载体将四个转录因子（Oct4,Sox2,Klf4和c-Myc）的组合转入分化的体细胞中，使其重编程为类似胚胎干细胞的细胞类型。此项研究成功将干细胞研究扩充到一个新的领域，好像是回拨的时针，巧妙避开了胚胎干细胞研究应用带来的伦理道德问题。此后很大一部分研究干细胞的科学家都将目光聚焦到iPS的研究上，干细胞研究迅速发展起来。2007iPS研究取得巨大进展：山中亚弥等人和汤姆森带领下的华裔科学家俞君英等人分别在Cell及Science发表论文，宣布成功利用人类上皮细胞诱导出iPS细胞。2008美国科学家解析了microRNAs在干细胞发育及分化中的调控作用，为干细胞日后的研究提供了非常重要的参考资料。

microRNAs

一类具有全局调控作用的小分子调控物是一类进化上保守的非编码小分子RNA，具有在翻译水平调控基因表达的功能。尽管第一个microRNA

早在1993年被发现，一直到最近几年这类RNA的多样性和广泛性才被揭示出来。据推测脊椎动物基因组有多达1000个不同的miRNAs，调控至少30%以上的基因表达。1.在个体发育过程中起重要作用；2.在组织中广泛表达，在不同组织中表达不同；3.参与病毒感染过程；4.和原癌基因有关。miRNAs

主要特性20092009年2月，德国科学家首次利用单基因调控方法成功诱导iPS细胞。

2009年3月，美国科学家在成功诱导iPS细胞后，巧妙的将诱导iPS时带入细胞的基因去除，大大降低了细胞癌变风险。2009年3月，汤姆森和俞君英带领的研究小组在iPS研究方面又迈进一大步，他们利用质粒作为诱导iPS基因的载体进行诱导iPS细胞后，随着细胞分裂丢失质粒，可以得到纯净无外源DNA的iPS细胞，在iPS细胞应用安全性方面又进一步。2009年4月，我国上海交大吴际教授等人在国际上首次分离出生殖干细胞，并培养得到能长期自我更新的生殖干细胞株。干细胞研究的重要进展1.胚胎干细胞培育出心脏组织

以色列工学院首次从胚胎干细胞培育出人类心脏组织。培育出的心脏组织可以自然跳动，并有心脏组织的电特性和机械性。2.骨髓干细胞培育出肾脏组织英国科学家报道用骨髓干细胞培育出肾脏组织。3.成体干细胞治疗心肌梗塞德国医生宣布，他们使用病人自己的干细胞治疗心梗取得了可喜成果。4.脐血干细胞

1979年医学界首次发现脐带血和胎盘中含有大量干细胞，具有极强的造血功能。自1998年以来，从胎盘和脐血中提取出来的干细胞已挽救了许多人的生命。5.皮肤干细胞

我国研究人员发现，人体烧伤皮肤原位处存在着皮肤干细胞，在一定因素调控下能在烧伤皮肤原位再生、修复，这是我国在皮肤干细胞研究及其临床应用上的重要发现。6.神经干细胞

瑞典科学家用从胎儿脑中分离的神经干细胞，移植入患者的脑中治疗帕金森氏病，经对术后病人进行跟踪研究，发现移植的神经元仍然存活，并继续产生多巴胺，而且患者的症状得到明显改善。7.胰岛干细胞美国佛罗里达大学的科学家从小鼠胰岛导管中分离出胰岛干细胞，并在体外诱导分化成产生胰岛素的细胞，移植后糖尿病模型鼠的血糖浓度控制良好，而对照组的小鼠死于糖尿病。成功诱导出诱导性多功能干细胞，即iPS细胞。

iPS是由一些多能遗传基因导入皮肤等受体细胞中制造而成，然后进一步进行体外诱导分化，得到理想的细胞模型。

8.iPS

细胞

肿瘤干细胞学说

肿瘤组织中仅有比例极小的少数细胞具有形成肿瘤的能力，这些肿瘤细胞亚群在表型特征和功能上和正常干细胞存在相似之处，称为肿瘤干细胞。

由肿瘤干细胞分化形成的大多数肿瘤细胞具有增殖的能力，但失去自我更新和形成新的肿瘤的能力。随着FACS技术的发展和NOD/SCID小鼠模型的建立，1997年JonhDick等定义了第1个肿瘤干细胞－急性髓细胞性白血病（AML）的白血病干细胞（Leukemiastemcell,LSC);2003年Clarke等鉴定了第1个实体瘤干细胞－乳腺癌干细胞；2004年Dirksj界定了脑肿瘤干细胞。大多数实体瘤的肿瘤干细胞并未得到分离和鉴定，这些肿瘤是否存在肿瘤干细胞还未明确，肿瘤干细胞的本质和起源也还未完全阐明。

关于肿瘤形成需要明确两个问题：1.是否存在肿瘤干细胞？这已在白血病和部分实体瘤中得到证实；2.肿瘤干细胞的起源是任何正常细胞或仅是正常组织干细胞能够转化为肿瘤干细胞？目前的研究资料显示，成体干细胞和早期定向祖细胞均有可能转化为肿瘤干细胞。

肿瘤干细胞学说对传统的疗效评价及药物筛选提出了挑战。传统的疗效评价和药物筛选以肿瘤体积的缩小程度评价治疗的有效性。针对快速增殖的非致瘤性肿瘤细胞的药物可以使肿瘤体积迅速缩小，可能被评价为有效药物，但因为对肿瘤干细胞没有作用，肿瘤干细胞可再次形成肿瘤，造成肿瘤复发。而仅作用于肿瘤干细胞的药物由于无法在短期内使肿瘤缩小，在筛选中可能被认为对肿瘤无效，但这些物质可能正是能使肿瘤得到有效治疗的药物。干细胞在医学领域中的应用前景

目前