干細(xì)胞的研究進(jìn)展(一)

1、干細(xì)胞的研究進(jìn)展 (一 )【摘要】干細(xì)胞是一類具有自我更新和多向分化潛能的細(xì)胞群體。近 年來干細(xì)胞的應(yīng)用幾乎涉及到所有生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。本文概 述了干細(xì)胞的生物學(xué)特性，并綜述了干細(xì)胞的可塑性、別離培養(yǎng)及其 在根底研究及臨床上的應(yīng)用的研究進(jìn)展。最后，展望了今后研究的方 向?！娟P(guān)鍵詞】干細(xì)胞；生物學(xué)特性；可塑性；別離培養(yǎng)；應(yīng)用 Advancesinstudyofstemcells【 Abstract 】 Stemcellsarenon-specializedcellswhichhavetheabilityofself-renewalandmul tipledifferentiationpot

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

3、researchandclinicalapplication.Theprospectsofstemcellsa realsodiscussed.【 Keywords 】 stemcells;biologicalcharacteristic;plasticity;isolation;cultureinvitro;applicat ion干細(xì)胞(stemcells)是一類具有自我更新、高度增殖和多向分化潛能的細(xì)胞群體，即這些細(xì)胞可以通過細(xì)胞分裂維持自身細(xì)胞群的大小，同 時(shí)又可以進(jìn)一步分化成為各種不同的組織細(xì)胞，從而醫(yī)學(xué)界稱之為 “萬用細(xì)胞 1981年英國(guó)的Eva ns和Kaufman用延緩著床的胚

4、泡首次成功地別離了小鼠胚胎干細(xì)胞 ,從而在全球掀起了有關(guān)干細(xì)胞的研究熱潮。1997年 2月英國(guó)蘇格蘭羅斯林研究所威爾穆特博士等成功克隆出 “多利綿羊，1998年11月，美國(guó)Thomson 1和Gearhart 2分別用不同 的方法獲得人胚胎干細(xì)胞及胚胎生殖細(xì)胞,此后,干細(xì)胞的研究便進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。1999年，有關(guān)干細(xì)胞的研究被 Scienee評(píng)為1999 年度十大科學(xué)進(jìn)展之首。 2000年 12月干細(xì)胞研究再次被 ?科學(xué)?雜志 評(píng)為該年度世界十大科學(xué)成就之一。本文就近幾年來干細(xì)胞的研究進(jìn) 展綜述如下。1 干細(xì)胞的生物學(xué)特性根據(jù)干細(xì)胞的發(fā)育階段， 可將其分為胚胎干細(xì)胞 (Embryonic

5、StemCell,E)S 和成體干細(xì)胞(AdultStemCell, AS。胚胎干細(xì)胞即具有分化為機(jī)體任 何一種組織器官潛能的細(xì)胞,包括胚胎干細(xì)胞、胚胎生殖細(xì)胞(EmbryonicGermCell, EG)。成體干細(xì)胞即具有自我更新能力，但通常 只能分化為相應(yīng)組織器官組成的 “專業(yè)細(xì)胞,它是存在于成熟個(gè)體各種 組織器官中的干細(xì)胞，包括神經(jīng)干細(xì)胞(NeuralStemCe11, NSQ、血液 干 細(xì) 胞 ( HematopoieticStemCell, HSC)、 骨 髓 間 充 質(zhì) 干 細(xì) 胞(MesenchymalStemCel, MSC)、表皮干細(xì)胞(EPidexmisStemCe)、肝

6、干細(xì)胞( HepaticStemCel)l 等。1.1 胚胎干細(xì)胞的生物學(xué)特性胚胎干細(xì)胞最早是直接從小鼠早期胚胎 別離建系的 ,它們具有其自身的生物學(xué)特性。 與其他細(xì)胞系相比擬 ,胚胎干細(xì)胞的特點(diǎn)在于 :(1)具有不斷增殖分化的能力，所以，在體外培養(yǎng) 條件下可以建立穩(wěn)定的干細(xì)胞系，并保持高度未分化狀態(tài)和發(fā)育潛能 性。1999年Soiter等3利用這個(gè)特性將ES/EBs及其分化細(xì)胞作為 有關(guān)藥物的針對(duì)篩選系統(tǒng) ,進(jìn)行藥物毒性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。 ( 2)具有高度的發(fā) 育潛能和分化潛能。 體內(nèi)外可分化出外、 中、內(nèi)三個(gè)胚層的分化細(xì)胞， 可以誘導(dǎo)分化為成體細(xì)胞內(nèi)各種類型的組織細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞含有正 常二倍染色

7、體，具有種系傳遞功能 ,能廣泛參與宿主胚胎各組織器官的 生長(zhǎng)發(fā)育 ,并形成包括生殖系在內(nèi)的合體后代生殖細(xì)胞。1995 年 Pacacio等 4利用骨髓基質(zhì)細(xì)胞或其培養(yǎng)液 ,將胚胎干細(xì)胞在體外誘導(dǎo)分化為 造血干細(xì)胞。1997年Baker等5在缺乏新霉素(geneticin,g418)的條 件下，將Rosa旳eo基因轉(zhuǎn)染胚胎干細(xì)胞后能在體外誘導(dǎo)分化為軟骨細(xì) 胞。同年 Deni 等報(bào)告將胚胎干細(xì)胞通過懸滴培養(yǎng)可分化出脂肪細(xì)胞。 (3)能進(jìn)行體外培養(yǎng)擴(kuò)增 ,還可以對(duì)其進(jìn)行遺傳操作選擇 ,如導(dǎo)入異源 基因、報(bào)告基因或標(biāo)志基因，誘導(dǎo)某個(gè)基因突變等。擴(kuò)增、遺傳操作 及凍存均不喪失其多能性。凍存的細(xì)胞可在需要

8、時(shí)隨時(shí)解凍,繼續(xù)培養(yǎng)不失其原有特性。1.2 成體干細(xì)胞的生物學(xué)特征干細(xì)胞在分化為特化細(xì)胞之前常產(chǎn)生一 種或幾種祖細(xì)胞，然后由祖細(xì)胞分化產(chǎn)生特化細(xì)胞。與胚胎干細(xì)胞相 比擬，成體干細(xì)胞有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)成體干細(xì)胞體積小，細(xì)胞器稀 少， RNA 含量較低，在增殖過程中處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，在組織結(jié)構(gòu)中 位置相對(duì)固定。 (2)成體干細(xì)胞數(shù)量很少， 其根本功能是參與組織更新，創(chuàng)傷修復(fù)及維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。研究結(jié)果說明，即使在含量豐富的骨髓中，每10, 00015, 000個(gè)骨髓細(xì)胞中只有一個(gè)造血干細(xì)胞 6， 人和動(dòng)物皮膚中的干細(xì)胞含量?jī)H為 7%8% 7。Reyn olds等8實(shí) 驗(yàn)證明成體哺乳動(dòng)物腦內(nèi)

9、的神經(jīng)干細(xì)胞數(shù)量極少，僅占室下帶區(qū)中相 對(duì)靜止細(xì)胞數(shù)的 0.1%1%。 (3)成體干細(xì)胞常處于一個(gè)有干細(xì)胞細(xì)胞基 質(zhì)，對(duì)干細(xì)胞的增殖和分化起調(diào)控作用的各種信號(hào)分子的特定微環(huán)境 或稱生物位(nich)中，干細(xì)胞是自我復(fù)制還是分化為功能細(xì)胞取決于 所在的微環(huán)境和自身的功能狀態(tài)。(4)成體干細(xì)胞沒有確定的來源。有科學(xué)家推測(cè)，成體干細(xì)胞是胚胎發(fā)育過程中保存下來的未分化的細(xì)胞6，這揭示成體干細(xì)胞與胚胎干細(xì)胞可能會(huì)有更多的相似性與同源 性。2 干細(xì)胞的可塑性 干細(xì)胞的可塑性主要是指成體干細(xì)胞的可塑性。人們把成體干細(xì)胞具 有分化為其他類型組織細(xì)胞的能力的這種現(xiàn)象稱為干細(xì)胞的可塑性(plasticity) 9

10、，橫向分化( transdifferentiation )10或轉(zhuǎn)決定 (transdetermination)11。1995年，Pereira等12證明，小鼠骨髓細(xì)胞在體外培養(yǎng)后具有向骨、 軟骨和肺基質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力。1999年,Bjornson等13將胚胎和成年小 鼠神經(jīng)干細(xì)胞 ,以及在體外克隆的神經(jīng)干細(xì)胞移植給亞致死劑量照射的 小鼠，結(jié)果證明神經(jīng)干細(xì)胞可轉(zhuǎn)化為造血細(xì)胞。同年Jackson等14用Hoechst333422-lowSP屯化的小鼠造血干細(xì)胞進(jìn)一步證明它可遷移到肌肉損傷部位 ,在參與肌肉再生的同時(shí)也參與血管的再生。2002 年Vescov i等15報(bào)道神經(jīng)干細(xì)胞除有向神經(jīng)元、星形細(xì)

11、胞與少突膠質(zhì) 細(xì)胞分化能力以外 ,還可分化為造血細(xì)胞譜系。肝干細(xì)胞也是干細(xì)胞可塑性的主要可靠證據(jù)之一。2000年Alison等16 和Lagasse等17分別報(bào)道HSC可在體內(nèi)分化成肝細(xì)胞。2001年Shen 等 18在骨髓移植的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) ,肝臟干細(xì)胞能表達(dá)供體造血細(xì)胞的 遺傳標(biāo)志。這一系列的證據(jù)說明干細(xì)胞存在可塑性。然而，近幾年來，局部研究 學(xué)者對(duì)干細(xì)胞的可塑性提出了不同的看法 :(1)細(xì)胞自發(fā)融合導(dǎo)致 “可塑 性英國(guó)科學(xué)家2002年,Ying等19的研究結(jié)果說明，胚胎干細(xì)胞在 體外與神經(jīng)或HSC共同培養(yǎng)時(shí)，能自發(fā)地發(fā)生神經(jīng)或HSC與胚胎干細(xì)胞 之間的融合，誘導(dǎo)NSC或 HSC橫向分化為胚

12、胎樣干細(xì)胞，然后展現(xiàn)出胚 胎干細(xì)胞的表型特征與相應(yīng)功能。同年美國(guó)科學(xué)家Terada等20用充分的證據(jù)證明 ,骨髓細(xì)胞的多向分化是因?yàn)榕c胚胎干細(xì)胞融合所致 , 而不是骨髓細(xì)胞直接橫向分化的結(jié)果。這兩者的研究結(jié)果都說明，是 由于發(fā)生了細(xì)胞融合，使所謂的成年組織干細(xì)胞具有了 “可塑性潛能。 (2)成體干細(xì)胞的橫向分化是成體組織中余存的胚胎原始干細(xì)胞所致。 2002年Jia ng等21的研究結(jié)果證實(shí)，在成體組織中余存著一種數(shù)量 稀少的胚胎樣原始干細(xì)胞 ,表達(dá)胚胎干細(xì)胞的標(biāo)志如 Oct-4、 Rex-1 及 SSEA-1體外培養(yǎng)條件也類似于胚胎干細(xì)胞，所謂的成體組織干細(xì)胞的可塑性很可能是這些細(xì)胞所為。(

13、3)2002年，在Scienee和Nature上 連續(xù)刊發(fā)的幾篇文章指出， 成體干細(xì)胞可塑性可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)， 判斷錯(cuò)誤所致，認(rèn)為所謂的成體干細(xì)胞可塑性缺乏科學(xué)依據(jù)。3 干細(xì)胞的別離培養(yǎng)由于干細(xì)胞的數(shù)目很少， 因此需要在體外對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行非分化性增殖。 干細(xì)胞的別離培養(yǎng)的理論根底是其生物學(xué)特征，包括形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征 及其生物學(xué)表型。干細(xì)胞的別離培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)主要是建立在老鼠的實(shí)驗(yàn)上，早在二十世紀(jì)七 八十年代就已從小鼠中別離出胚胎干細(xì)胞并在體外進(jìn)行培養(yǎng)成功。近 年來，國(guó)內(nèi)在這方面的研究也取得了一定的進(jìn)展，主要是在神經(jīng)干細(xì) 胞等成體干細(xì)胞的研究上。 2002 年陳雷等 22應(yīng)用無血清培養(yǎng)技術(shù) 從胎鼠脊髓

14、別離到的神經(jīng)系統(tǒng)的干細(xì)胞具有不斷分裂增殖的能力,可被神經(jīng)干細(xì)胞特異性抗體所標(biāo)記 ,并在血清條件下分裂為神經(jīng)系統(tǒng)多種細(xì) 胞。2004 年馮玉萍等 23用胰酶消化加機(jī)械吹打別離大鼠大腦皮質(zhì) 及皮質(zhì)下組織 ,之后用懸浮培養(yǎng)法、有限稀釋法獲得來源于同一細(xì)胞的 亞細(xì)胞系克隆 ;2005 年肖美玲等 24用同樣的方法別離新生昆明種小 鼠出生 24h 內(nèi)的大腦組織，利用無血清培養(yǎng)基懸浮培養(yǎng)細(xì)胞 ,獲得具 有自我增殖能力的細(xì)胞克隆 ,兩者經(jīng)用免疫細(xì)胞化學(xué)法鑒定為神經(jīng)干細(xì) 胞。雖然老鼠的干細(xì)胞體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展，但人的干細(xì) 胞的體外培養(yǎng)直到1995年Thomson等從恒河猴的囊胚中別離，建立了 第

15、一個(gè)靈長(zhǎng)類動(dòng)物的胚胎干細(xì)胞株后， 才獲得成功并得到迅速的開展。1998年Thomson 1和Gearhart 2分別用胚胎干細(xì)胞和胚胎生殖 細(xì)胞建立了人的胚胎干細(xì)胞系 ,在體細(xì)胞與生殖細(xì)胞間架起了橋梁 ,為 研究胚胎干細(xì)胞的發(fā)育 ,在體外培養(yǎng)人體細(xì)胞和組織 ,利用 ES 細(xì)胞治療 疾病提供了廣闊的開展前景。在報(bào)道別離了人的胚胎干細(xì)胞這一重大 成果后不久，美國(guó) AdvanceCellTechnology(ACT,Worcester,M的研究者宣 稱,他們通過使人的皮膚細(xì)胞和牛的卵細(xì)胞雜交,培育出了人的胚胎干細(xì)胞。所用的方法與克隆實(shí)驗(yàn)中采用的方法相似 ,根本上是對(duì)人的細(xì)胞 重新編程并使其回到它最初

16、的原始狀態(tài)。該發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致許多新方法 的產(chǎn)生 , 如通過移植和細(xì)胞治療來醫(yī)治疾病。 2002 年李巍等 25采用 無血清培養(yǎng)技術(shù) ,成功地別離培養(yǎng)了人胚胎大腦皮層神經(jīng)干細(xì)胞，且能 被誘導(dǎo)分化成神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。經(jīng)傳 12 代后仍具干細(xì)胞特性。 2004 年王共先等 26以器官捐獻(xiàn)者的正常前列腺為研究對(duì)象 ,利用免 疫磁珠細(xì)胞成功從前列腺基內(nèi)幕胞中別離前列腺干細(xì)胞。同年汪泱等 27和羅樹偉等 28均成功別離培養(yǎng)了人胚腦神經(jīng)干細(xì)胞，并進(jìn) 行進(jìn)一步的檢測(cè)和研究。4 干細(xì)胞的應(yīng)用胚胎干細(xì)胞是細(xì)胞的源頭 ,具有多能或全能性 ,并能夠無限分化 ,能夠制 造機(jī)體需要的全部細(xì)胞 ,因此在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)上具有

17、巨大潛力 ,應(yīng)用前 景廣闊。但它存在著移植免疫排斥的限制和倫理學(xué)方面的困擾 ,而成體 干細(xì)胞只能在體外有限擴(kuò)增 ,多系分化效力低 ,通過體外的擴(kuò)增培養(yǎng)雖 能夠提高轉(zhuǎn)化效率 ,然而體外轉(zhuǎn)化是否會(huì)引起干細(xì)胞遺傳特性的改變尚 不清楚。 但這類干細(xì)胞存在于宿主體內(nèi) ,可直接從患者自身獲得 ,故無移 植免疫排斥的限制也無倫理學(xué)方面的困擾 ,因此胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì) 胞的研究對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域而言 ,都具有極重要的意義。4.1 為發(fā)育生物學(xué)研究提供良好的體外模型系統(tǒng)哺乳動(dòng)物胚胎體積較 小，而且在子宮內(nèi)進(jìn)行發(fā)育，因此很難在動(dòng)物體內(nèi)連續(xù)動(dòng)態(tài)地研究其 早期胚胎發(fā)育、細(xì)胞組織分化及基因表達(dá)調(diào)控，而來源于胚胎的胚胎 干

18、細(xì)胞具有發(fā)育全能性、可操作性及無限擴(kuò)增的特性，因此胚胎干細(xì) 胞提供了在細(xì)胞和分子水平上研究個(gè)體發(fā)育過程中極早期事件的良好 材料和方法。隨著分子生物學(xué)的開展，通過比擬胚胎干細(xì)胞不同發(fā)育 階段的干細(xì)胞和分化細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，可確定胚胎發(fā)育及細(xì)胞 分化的分子機(jī)制、發(fā)現(xiàn)新基因。結(jié)合基因打靶技術(shù)，可發(fā)現(xiàn)不同基因 在生命活動(dòng)中的功能等。4.2 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用理論上講， 干細(xì)胞可以用于臨床細(xì)胞移植治療各種 疾病和構(gòu)建人工組織或器官，其最適合的疾病主要是組織壞死性疾病 如缺血引起的心肌壞死、腫瘤，退行性病變?nèi)缗两鹕C合征，自體免 疫性疾病如胰島素依賴型糖尿病等。應(yīng)用干細(xì)胞治療疾病較傳統(tǒng)方法 具有很多優(yōu)點(diǎn)：低毒性或無毒性，一次藥有效；不需要完全了解疾病 發(fā)病確實(shí)切機(jī)理；不存在傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)：還可能應(yīng)用自身干細(xì)胞移 植，防止產(chǎn)生免疫排斥反響。1999年Horwitz等29用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞BMSQ治療遺傳性骨 缺陷病，并取得了一定效果。 2004年 9月，意大利一名 5歲、患有地 中海貧血癥的男孩盧