干细胞的研究进展

干细胞的研究进展 生物技术 江珊 2010016001 摘要：如今，干细胞和再生医学研究呈现三种路径和两个基本点。三种路径，一是在实验 室中先让干细胞长出相应的组织和器官，再移植到患者体内；二是直接把干细胞注入到病 患者相应的受损伤部位，长出相应的组织和器官；三是诱导患者体内的干细胞直接修复或 重建受损部位。两个基本点，一是利用胚胎干细胞（ES 细胞）作为再生来源，二是使用诱 导的多能干细胞（iPS 细胞）作为再生来源。而它们的立足点都在于，让干细胞定性定量 重新生长出不同的组织、肌肉或器官，以修复或重建受损的组织和器官。 关键字：干细胞 研究 生命科学 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。 一、干细胞的概念及生物学特性 1.1 概念 目前科学界公认的干细胞的定义是：干细胞是这样一类细胞，它们可以自我更新， 即通过细胞分裂产生的两个子细胞中至少有一个仍是干细胞；同时它们在特定的条件下可 以分化成不同类型的功能细胞，与之相关的一个衡量标准是可以形成有功能的器官或整个 个体。它具有较强的再生能力，在干细胞因子和多种白细胞介素的联合作用下可扩增出各 类的细胞。 1.2 生物学特性 干细胞本身不是终末分化细胞( 即干细胞不是处于分化途径的终端)； 干细胞能无限增殖分裂； 干细胞可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态； 干细胞分裂产生的于细胞只能在两种途径中迭择其一或保持亲代特征，仍作为 干细胞；或不可逆地向终末分化。 由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，使得一个子细胞不可逆地走向分化的终 端成为功能专一的分化细胞；另一个保持亲代的特征，仍作为干细胞保留下来。分化细胞 的数目受分化前干细胞的数目和分裂次数的控制，可以说，干细胞是具多向潜能和自我更 新特点的增殖速度较缓慢的细胞。 二、干细胞的可塑性及使用价值 可塑性（plasticity）造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞等成体干细胞具有 一定跨系、甚至跨胚层分化的特性，称其为干细胞的“可塑性”。 干细胞可塑性的揭示具有重要的理论意义和实用价值: 组织间叶干细胞可塑性的揭示，提示成年人组织干细胞可能存在广泛的分化潜能； 人类组织工程细胞的来源除去胚胎干细胞外，还可以从自体的体细胞中获得，而且不受组 织相容性和伦理方面的限制。 造血干细胞的概念需要更新，造血干细胞不仅是 CD34+CD34- 细胞，而且还应考 虑来自体内其它组织的干细胞，这些细胞在体外能长期培养和扩增，增殖潜能强，因而有 可能用于骨髓移植；造血干细胞和非造血干细胞共移植(Co-transplantation)有可能用于器 官再生。 成年组织干细胞可塑性的研究证明，干细胞的微环境(壁龛)对其转化具有非常重要 的作用，一些内在和外在的信号调节着这些干细胞的命运，这将为干细胞定向培养和应用 带来新的前景。 干细胞的转化常发生于病理情况，向病理部位迁移，成为病理损伤的前体细胞，并 分化为终末成熟细胞。因此，不仅可利用它来修复组织的损伤，而且还可把它作为基因治 疗的理想载体。 三.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。 3.1 胚胎干细胞 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。 3.2 在医学上的应用 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。 3.3 生产克隆动物的高效材料胚胎干细胞是动物克隆的优良核供体 胚胎干细胞可以无限传代和增殖而不失去其基因型和表现型,以其作为核供体进行核移 植后在短期内可获得大量基因型和表现型完全相同的个体。胚胎干细胞与胚胎嵌合生产克 隆动物可解决哺乳动物远缘杂交的困难问题。另外,由于体细胞克隆动物存在成功率低、早 衰、易缺陷易突变等问题，且多是致命的,使胚胎干细胞的克隆研究仍十分重要。1999 年 Wakayaama 等用长期传代的小鼠胚胎干细胞克隆出 31 只小鼠，14 只存活，存活率比体细 胞克隆高。 3.4 药物的发现 高效新型药物的发现、筛选及动物和人类疾病的模型胚胎干细胞提供了新药物的药理 药效、毒理及药物代谢等研究的细胞水平的研究手段，利用胚胎干细胞体外分化的细胞组 织检验筛选新药，可大大减少药物实验所需实验动物的数量及其人群数量，胚胎干细胞还 可用来研究动物和人类疾病的发生机制和发展过程以便找到有效和持久的治疗方法。 3.5 生产转基因动物的高效载体 利用胚胎干细胞作载体使外源基因的整合筛选等工作能在细胞水平上进行,使操作简 便可靠。 四、干细胞研究历史 在 99 年末的年度世界十大科技成果评选中，“干细胞研究的新发现“ 荣登榜首。干细胞 研究有不可估量的医学价值。分离、保存并在体外人工大量培养使之成长为各种组织和器 官成为干细胞研究的首要课题。当前，对干细胞的分离和培养技术获得了重大进展，利用 单克隆免疫吸附能识别细胞类型或细胞谱系的表面抗原，其分离纯度和细胞活力都很高。 99 年以色列魏茨曼科学院将白介素-6 与干细胞内的受体分子合并研制出一种新分子， 可使干细胞在维持原本特性的基础上进行自我增殖且细胞寿命也有所延长。在临床运用中， 造血干细胞应用较早，在五十年代，临床上就开始应用骨髓移植来治疗血液系统疾病。到 八十年代，外周血干细胞移植技术逐渐推广。美国 StmlellsCsliifornia 公司用血液干细胞在 小鼠体内培育出成熟的肝细胞。胚胎干细胞目前许多研究工作都是以小鼠胚胎干细胞为研 究对象，神经干细胞的研究仍处于初级阶段。 五、我国干细胞研究 我国干细胞研究也取得了丰硕成果。我国的干细胞研究和应用已有一定的基础，尤其 是造血干细胞。早在 20 世纪 60 年代，我国就开始了骨髓移植的研究，目前建立了脐血干 细胞库，并已应用于临床。到 70 年代末 80 年代初，临床骨髓移植治疗血液病在我国的主 要城市陆续开展，20 世纪 90 年代以来，除骨髓移植外，外周血和脐血干细胞移植也逐步 普及应用治疗血液病和肿瘤。据不完全统计，到目前为止，我国各地共进行了近 2000 例造 血干细胞移植，许多白血病和其它疾病患者接受了干细胞移植治疗并已完全治愈。 如中国医学科学院早在 20 世纪 90 年代初就开始了有关干细胞可塑性的研究，并在国 际上报道了肌源性干细胞转化为造血干细胞，早于国际同类研究。目前已从胰腺、骨髓、 肝脏、皮肤、骨骼肌和肺等多种人胚胎组织中分离出具有多系分化潜能的原始干细胞，具 有向成骨、软骨、脂肪、肌肉和神经分化的能力。上海第二医科大学建立了人类皮肤细胞 与家兔卵细胞种间融合的方法，为人胚胎干细胞研究提供了新途径。中南大学湘雅医学院 人类生殖工程研究中心采用人类成纤维细胞作为饲养层，建立了在人饲养细胞层上培养人 类胚胎干细胞的培养体系。目前人类胚胎干细胞已经在这个培养系统中成功传代。2003 年， 中国科学家周琪领衔的中法联合研究小组成功克隆大鼠的报告占据了头条地位。克隆大鼠 的研究远远早于“多莉” 羊，被公认为动物克隆领域的难点。这次中法科学家成功克隆大鼠 在世界上还是第一例，它也是自“多莉”羊诞生后人类创造的第种体细胞克隆动物。北京 大学干细胞研究中心科研工作者与北京大学第一医院合作，开展了国内首例骨髓间充质细 胞羊膜片移植手术，此手术国外文献也未见有报道。南京市第一医院和中国医学科学院组 织工程研究中心合作，为 34 例病人进行了将骨髓干细胞向心肌移植的临床研究，与对照组 相比，对急性心梗的疗效非常显著。江苏省人民医院也为 9 例病人进行了肌卫星细胞治疗 急性心梗的临床研究，随访 624 个月，患者的左室射血分数等心功能指标均有改善。首 都医科大学宣武医院共进行了 12 例下肢缺血病人的干细胞治疗，85.7%的患者疼痛明显减 轻。 我国现已掌握了脐血干细胞分离、纯化、冷冻保存以及复苏的一整套技术，并开始在 上海筹建我国第一个脐血库。在北京，北京医科大学人民医院细胞治疗中心也正在筹建全 世界最大的异基因脐带血干细胞库，计划到 2002 年完成冷冻 5 万份异基因脐带血干细胞， 为全世界华人患者提供脐带血干细胞做移植用。2000 年初，我国东北地区首例脐血干细胞 移植成功。 六、国内外干细胞研究现状与展望 6.1 研究现状 当前，干细胞和再生医学的研究已成为自然科学中最为引人注目的领域，其理论的日 臻完善和技术的迅猛发展必将在疾病治疗和生物医药等领域产生划时代的成果，是对传统 医疗手段和医疗观念的一场重大革命。 采用干细胞治疗有着多种优势：低毒性（或无毒 性） ，即使不完全了解疾病发病的确切机理治疗也可达到较好的治疗效果，自身干细胞移植 可避免产生免疫排斥反应，对传统治疗方法疗效较差的疾病多有惊人的效果。 6.2 发展方向 随着基因工程、胚胎工程、细胞工程等各种生物技术的快速发展，按照一定的目的， 在体外人工分离、培养干细胞已成为可能，利用干细胞构建各种细胞、组织、器官作为移 植器官的来源，这将成为干细胞应用的主要方向。 参考文献 【1】 冯玉萍,李倬,刘建雄.大鼠神经干细胞的分离培养和分化.中国兽医科技，2004,34(3): 56-59. 【2】 肖美玲,罗