干细胞研究的历史、进展与未来

1、干细胞研究的历史、进展与未来中国科学技术大学生命科学学院2004级 胡文宝 干细胞是尚未分化发育的，能生成各种器官组织的全能细胞。它是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体，即这些细胞可以通过细胞维持自身细胞群大小，同时又可以进一步分化成为各种不同的组织细胞，从而构成机体各种复杂的组织和器官。干细胞可以来自胚胎、胎儿或成体。根据其来源不同，干细胞可分胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞的分化和增殖构成动物发育的基础，即由单个受精卵发育成为具有各种组织器官的个体，成体干细胞的进一步分化则是成年动物体内组织和器官修复再生的基础。干细胞研究的历史：1959年，美国首次报道了通过体外受精（IVF

2、）动物。60年代，几个近亲种系的小鼠睾丸畸胎瘤的研究表明其来源于胚胎生殖细胞（embryonic germ cells, EG细胞）,此工作确立了胚胎癌细胞（embryonic carcinoma cells, EC细胞）是一种干细胞。1968年，Edwards 和Bavister 在体外获得了第一个人卵子。70年代，EC细胞注入小鼠胚泡产生杂合小鼠。培养的SC细胞作为胚胎发育的模型，虽然其染色体的数目属于异常。1978年，第一个试管婴儿，Louise Brown 在英国诞生。1981年，Evan, Kaufman 和Martin从小鼠胚泡内细胞群分离出小鼠ES细胞。他们建立了小鼠ES细胞体外

3、培养条件。由这些细胞产生的细胞系有正常的二倍型，像原生殖细胞一样产生三个胚层的衍生物。将ES细胞注入上鼠，能诱导形成畸胎瘤。19841988年，Anderews 等人从人睾丸畸胎瘤细胞系Tera-2中产生出多能的、可鉴定的（克隆化的）细胞，称之为胚胎癌细胞（embryonic carcinoma cells, EC细胞）。克隆的人EC细胞在视黄酸的作用下分化形成神经元样细胞和其他类型的细胞。1989年，Pera 等分离了一个人EC细胞系，此细胞系能产生出三个胚层的组织。这些细胞是非整倍体的（比正常细胞染色体多或少），他们在体外的分化潜能是有限的。1994年，通过体外授精和病人捐献的人胚泡处于2

4、-原核期。胚泡内细胞群在培养中得以保存其周边有滋养层细胞聚集 ，ES样细胞位于中央。1998年，Thomoson等从治疗不育症的夫妇捐献的正常人胚泡中分离得到内细胞群。细胞经培养可多次传代，保持正常核型，具有高水平的端粒酶活性，表达人ES细胞而灵长类ES细胞的特征。当将几种非克隆化细胞系的细胞注入免疫缺陷小鼠内后可形成畸胎瘤。畸胎瘤含有来源于原始胚层的多种细胞类型，这证明了人ES细胞的多能性。2000年，由Pera、 Trounson 和 Bongso 领导的新加坡和澳大利亚科学家从治疗不育症的夫妇捐赠的胚泡内细胞群中分离得到人ES细胞，这些细胞体外增殖，保持正常的核型，自发分化形成来源于三个

5、胚层的体细胞系。将其注入免疫缺陷小鼠错开内产生畸胎瘤。2003，建立了人类皮肤细胞与兔子卵细胞种间融合的方法，为人胚胎干细胞研究提供了新的途径。2004年，Massachusetts Advanced Cell Technology 报道克隆小鼠的干细胞可以通过形成细小血管的心肌细胞修复心衰小鼠的心肌损伤。这种克隆细胞比来源于骨髓的成体干细胞修复作用更快、更有效，可以取代40%的瘢痕组织和恢复心肌功能。这是首次显示克隆干细胞在活体动物体内修复受损组织。干细胞研究的进展：1. 干细胞的来源胚胎干细胞主要来源于胚胎组织，而用于治疗的应该是人的胚胎干胚胎干细胞，由于人胚胎干细胞很难获得，而且人的胚胎

6、干细胞很难培养，因此如何获得人的胚胎干细胞和保存胚胎细胞都是研究热点。自从1998年建立了第一株人的胚胎干细胞，到现在为止大约有几十株了，但真正公开出售的约有11株。因此各国科学工作者都要用不同的方法建立自己国家的胚胎干细胞系。国外常用孤雌干细胞来建立细胞系。国内盛惠珍实验室采用核移植方法建立人的胚胎干细胞系，采用兔去核卵细胞现人的细胞核进行融合而成。韩国则采用冷冻的胚胎和丢弃的胚胎来获得干细胞，从而建立了胚胎干细胞系，这一研究为找到胚胎干细胞资源提供了新的来源。不过，从胎儿中获得干细胞，在伦理上仍存在很大的争议，许多国家和地区法律不允许这样的行为。因此科学家试图通过新的手段获得具有全能性的类

7、似胚胎干细胞功能的细胞。成体干细胞的来源来源问题也是热点之一，如不同组织的成体干细胞的发现和应用，以及干细胞的表面标记的研究。目前至少发现心脏、胰腺、肝脏、神经、皮肤、牙齿、头发、骨髓等中存在干细胞，尤其是像神经和心脏被认为是终末组织，不具有再生能力，它们的干细胞研究发现，为神经再生和心脏再生提供了良好的前景。而干细胞的表面标记一直是争议的问题，目前鉴定干细胞十分困难，需要很多实验支持。如果能找到通用的标记，这样便能很快鉴定出干细胞。2干细胞的增殖分化增殖与分化是干细胞研究的关键性内容，明确发育过程中，遗传等对胚胎细胞增殖分化为三胚层细胞的调控机制对体外研究干细胞有重要意义。干细胞增殖分化的具

8、体过程、调控因素及周围环境的关系尚未完全明了，胚胎干细胞和胚胎生殖细胞在体外大量增殖而不分化的具体机制也引起了学者的广泛重视，通过分析人多能干细胞的基因，可有助于明确细胞处于未分化状态的具体机制，对于成体干细胞，如何增加其体外增殖能力以满足移植需要也是干细胞研究的重点。3干细胞的应用研究近几年世界各国科学家对于干细胞的临床应用研究已经取得很大的进展。目前大量实验研究已证明，干细胞可用来治疗心脏病、老年痴呆、帕金森氏综合症、中风、糖尿病等疾病。现举例如下：（1）.胚胎干细胞育出心脏组织 以色列工学院最近宣布，科学家首次从胚胎干细胞中培养出人类心脏组织。他们培育出的心脏组织，可以自然跳动，并且有新

9、生心脏组织的电生理特性和机械性。（2）.造血干细胞育出肾脏组织 英国科学家报道，他们已经用骨髓干细胞培育出了肾脏组织，这在器官移植手术中是一个重大突破。这一突破，使那些等待器官移植的病人不必再依赖于器官捐献，医生可通过修补受损肾脏来达到治疗的目的。同时也是第一次证明了成人骨髓干细胞可以发育成为成熟的肾脏细胞。（3）.神经干细胞 瑞典神经学家Biorklund 及其同事应用从流产胎儿脑中分离的神经干细胞，移植入患者的脑中来治疗帕金森氏综合症。经术后对病人进行跟踪研究，发现移植的神经元仍然存活，并继续产一多巴胺，而且口才的症状得到明显改善。（4）.胰岛干细胞 美国佛罗里达大学教授Ramiya 及其

10、同事从尚未发病的糖尿病小鼠的胰岛导管中分离出胰岛干细胞，并在体外诱导这些细胞分化成为产生胰岛素的细胞。移植实验表明，接受移植的糖尿病鼠血糖尝试控制良好，而对照的小鼠死于糖尿病。干细胞的未来：已经有许多有关各种干细胞新发现和和特性的报道。重要的是，这些细胞是研究工具，它们为生物医学研究创造了很多机会。1 干细胞移植研究重建机体功能正是干细胞的这种潜在价值引起了广泛的研究兴趣。诸如帕金森病、糖尿病、慢性心脏、终末肾病、肝脏衰竭和癌症等是适合干细胞治疗的几种疾病。对于许多缩短生命的疾病，虽然没有有效的治疗，但是可以通过发现代替自然过程的方法来治疗。例如，今天科学已经使我们免疫的反应弱化，从而可以将一

11、个人器官和组织移植给另一个人，取代那个患病的器官。但是，尽管移植科学的最新进步，由于捐献器官的短缺，通过捐助器官战略满足取代器官以挽救生命的日益增长的需要是不可能的。使用干细胞替换组织治疗神经疾患是研究的主要焦点。脊髓损伤、多发硬化症、帕金森病和AD的治疗都是在脑或脊髓中用干细胞代替破坏或者无功能的细胞。2基础研究应用 胚胎干细胞是基础应用研究中关键的研究工具，可以理解胚胎发育的基本过程，在某一天也许能够解释胎儿畸形的原因及预防修正畸形。另一个相关发育生物学和干细胞生物学研究的重要领域是了解胎儿的发育期间所起作用的基因和类似生长因子和营养物分子，这样，它们能被用来培养实验室里的干细胞，指导它们

12、定向发育成为物化的细胞。3.治疗转移系统 干细胞已经被研究作为载体把基因传输给身体的按特定的组织。基于干细胞的疗法是癌症研究中的主要方面。多年来，恢复血液和免疫系统功能在使用化疗的癌症病人治疗上已经是治疗的一个组成部分。现在，研究人员在努力设计用来自干细胞的特异细胞来靶定癌细胞，直接施与破坏或者修正它们的治疗。4. 药物筛选模型的建立与评价体系建立干细胞研究将大大改进药品研制和进行安全性实验的方法。 多能干细胞使更多类型的细胞实验成为可能。新的药物治疗方法可以先用人类细胞系进行实验，如目前的癌细胞系就是为这种实验建立的。虽然这些实验不可能取代在动物和人体进行的实验，但这会使药品研抽的过程更为有

13、效，胚胎干细胞提供了新药的药理、药效、毒理及药物代谢等细胞水平的研究手段，大大减少了药物实验所需动物的数量。胚胎干细胞还可以用来研究人类疾病发生的机制和发展过程，以便找到持久有效的治疗方法。 存在的问题：关于干细胞的研究还有许多问题需要解决。什么机制决定胚胎干细胞（ES）和胚胎生殖细胞（EG）而不分化？ Oct4是第一个与维持干细胞全能性相关的基因。Oct4体外表达是维持ES细胞多能但不分化状态的必要条件。若培养小鼠ES细胞时抑制Oct4表达，则细胞产生滋养外胚层；若人为增加细胞Oct4表达，小鼠ES细胞即分化为原始内胚层与中胚层。因此，Oct4表达水平高低是小鼠胚胎发育水平的标志，其诱导蛋白

14、为ES细胞多能性的主要调控因子。2003年，Chambers 和Mstsui 报道了另一个能维持干细胞多能性的基因Nanog. Nanog是转录激活子，能激活Oct4的表达。但Nanog与其他多能性基因（如CDX2,Gata6,Gata4）间的相互作用还没有搞清楚。控制干细胞分化的内部机制是什么？干细胞沿着特别的路径定向分化形成一种特化细胞的内部调控机制是什么？这种内部机制如何在微环境的影响下转变？干细胞通常位于什么地方？什么是重要的细胞和分子的信号，激活人的多能的干细胞开始分化为特化细胞？无论对研究人员还是对患者而言，在干细胞方面尚有许多的疑问需要解决。还需要多长时间才能用多能干细胞（人或其他）来治疗帕金森病和糖尿病？仅使用成体干细胞就能满足所有治疗需求了吗？有多少种干细胞能在短期内产生并用于治疗？在干细胞生物学的早期阶段预测干细胞的应用前景是困难的。到现在为止，来源于胚胎、胎儿及成人的哪种干细胞或哪种处理方法能更好地应用于基础研究及临床应用都有待于进一步研究。感兴趣的问题：高等生物，特别是哺乳动物，它们是从一个受精卵发育成一个完整的个体的。在这个过程中，细胞要经过很多次分裂，并发生分化，形成各种各样的器官和组织。那么，在这个过程中有什么样的机制使得一个小小的细胞能够准确无误地形成这样复杂的个体呢？对于这个个问题已经有了很多成果，但也有大量的工作要做。可以用干