人胚胎干细胞

人胚胎干细胞

人胚胎干

202414上海市第85医院儿科

1998年11月，美国James和JohnGearhart领导的2个科学小组分别阐

述如何利用囊胚和原始的胚胎生殖细胞培育出可能的人全能型胚胎干细胞（ESce

lls）和胚胎生殖细胞系（EGcells）［1，2］。ES细胞最引人关注的2条特征

是:ES细胞能在体外条件下生长，在原始的去分化条件下能够无限地分裂;同时在体

外培育的全部时间内都能保持胚胎来源细胞的一个关键性特征—全能性，即发育成

成体中各种细胞的力量。

ES细胞的应用前景非常令人鼓舞。胚胎干细胞可以作为讨论人类胚胎发育、出

生缺陷及胚胎瘤等疾病的新的手段;可以用于至今为止尚未进行的关于的方法;制造

人类疾病模型以利用于基础讨论、药物开发和毒理学讨论，假如克隆技术可以从患

者自体组织中获得干细胞，则它们可解决用于治疗退行性疾病的组织短缺以及结束

在移植治疗中使用免疫抑制剂;另外干细胞还可以用来作为基因治疗的一种新的基

因运载系统。总之，其前景非常广泛。

1胚胎干细胞的一般定义特征

考虑到ES或EG细胞的特性，可以认为有一些表型是全部的ES细胞都应当具有的

，其他一些特点可能是属于从不同种属或不同组织中分别出来的某种特定全能性细

胞所特有，或表现出在胚胎发育过程中某个特定阶段所具有的特征。一般认为全能

性干细胞所应具有的特征如下:（1）来源于一个全能性的细胞群体;（2）具有正常

的细胞核型;（3）具永生性，在胚胎状态下能无限制的分裂;（4）培育的细胞株在

体外或在畸胎瘤中能自发分化成胚胎外组织（extraembryonictissues）和分属所

有3种胚层的体细胞。但到目前为止，全部已培育胜利的哺乳动物细胞中，除小鼠

外，灵长类动物ES细胞只满意上述4条标准的前3条。一些讨论人员将ES细胞的定义

限定为那些能分化成包括生殖细胞在内的全部的细胞。但出于伦理上的缘由，来源

于人的ES细胞不行能进行试验以验证是否满意这一标准。因此，假如来源于人的细

胞能满意其他3条关于ES细胞的一般定义，我们就认为它属于ES细胞。需要指出的

是，要从体外培育或畸胎瘤试验验证一个ES细胞能否分化成全部组织类型的细胞是

非常困难的，由于不论在体外培育条件下或畸胎瘤中，一些组织都是非常罕见的。

2胚胎干细胞的最新讨论

JamesThomson和同事于1998年报道利用治疗不孕症所遗弃的囊胚分别出ES细

胞。他们所使用的技术与分别小鼠ES细胞相像:将可能抑制ES细胞培育的滋养外胚

层去除，内层细胞团移植到小鼠胚胎来源的成纤维细胞饲细胞层上，经过短暂的粘

附和绽开的过程，将细胞重新分散（disaggregated）并转移到另外的饲细胞层，

在培育基和培育系统与方面，培育人ES细胞与小鼠ES细胞并没有太大的不同，而且

人ES细胞的胜利率相对还要高一些。Thomson等人培育猴ES细胞的工作无疑对他们

首先胜利培育人ES细胞是有很大关心的。灵长类的全能性干细胞在许多方面与小鼠

ES细胞是不同的，特殊是在形状上，且灵长类全能性干细胞不简单分散成单个的细

胞。因此，要正确辨认出所需的ES细胞并在传代过程中做到正确处理是非常重要的

。但还有一个重要的条件，即人胚胎培育过程的改进，其包括不同发育阶段使用不

同的培育基的两步培育系统，这使得能高效地得到高质量的人囊胚［4］。

Shamblott和同事［2］在《美国科学院论文集》上，报道从受精

5～9周的胚胎和胎儿性腺中分别出全能性细胞。尽管人们对人体中原始生殖细胞的

成熟过程的小细节知之甚少，但科学家们的确知道这个过程包括生殖母细胞迁移至

性腺并开头扩增，随后性腺消失明显的性别分化。在这个阶段的胚胎和胎儿性腺中

已经可以发觉有表达生殖母细胞标志性分子的细胞［5］。Shamblott小组所使

用的培育系统利用了已知能支持小鼠生殖母细胞在体外存活和有丝分裂的一些因子

，即STO成纤维细胞饲细胞层、成纤维细胞生长因子、白血病抑制因子（LIF）和f

orskolin［6］。由以上2种方法培育出的细胞在多大程度上能符合ES或EG细胞

的一般标准?2种培育物都来源于全能性的细胞群，都能在体外培育过程中保持有正

常的细胞核型。Thomson小组培育出的细胞株已经传代很多次，且细胞含有端粒酶

活性，这2点都提示这个细胞株是永生的。Shamblott的EG细胞虽没有培育那么久，

但也没有迹象显示这些细胞将会死亡。从囊胚中分别出的细胞能形成包含全部3个

胚层组织的畸胎瘤，且个别组织表现为高级的组织结构性（例如可以形成神经管）

。但是在体外状况下，细胞分化的证据只能限定于能表达一些滋养层和内皮层形成

的某些标志性分子（如人绒毛膜促性腺激素和α-甲胎蛋白）;从生殖细胞来源的细

胞株中没有能在体内形成畸胎瘤的证据，但是的确观看到了在胚状体（embry

oidbodies）中存在细胞进行分化的状况。胚状体是一种在不相宜干细胞生长的条

件下，由全能性干细胞在三维方向上生长所形成的一种结构。小鼠中胚状体包括两

层，一层是胚胎外的内皮层，一层是外胚层。两种细胞之间的联接可能使外胚层细

胞分化成多种细胞类型，这种现象类似于体内状况下胚胎培植早期的状况［2］

。Shamblott将培育出来的胚状体切片，用免疫化学方法讨论，发觉不同细胞类型

表达分别代表中胚层、内胚层和外胚层的单个标志分子。

人的干细胞的表型，即形状、抗原表达及培育条件等方面与其他种类的全能型

细胞如小鼠的ES细胞或EC细胞相比有自己的特点。人EC细胞，猴和人的ES细胞在表

型上非常相像，与小鼠细胞或人EG细胞极易区分开来。灵长类动物细胞在单层培育

条件下呈扁平的克隆，细胞边界较清显;而小鼠ES细胞成堆生长，细胞更圆，细胞

边界不清。灵长类动物全能型干细胞表达一系列特异性的表面抗原。小鼠ES细胞的

自我更新可以被白血病抑制因子（LIF）或相关的细胞因子促进［7］但对人的

ES细胞却没有这种作用［1，2］。

在Thomson和Shamblott这2个小组的胜利带动下，目前对人ES细胞的讨论消失

一股热潮。假如胜利，将给人类带来福音。如果科学家最终能够胜利诱导和调控体

外培育的胚胎干细胞正常地分化，这将对基础讨论和临床应用产生巨大的影响。有

可能在以下领域发挥作用:体外讨论人胚胎的正常发生发育，非正常发育（通过改

变细胞系的靶基因），新的人类基因的发觉，药物筛选和致畸试验，以及作为组织

移植、细胞治疗和基因治疗的细胞源等。

3胚胎干细胞应用前景探讨

人胚胎干细胞供应了在细胞和分子水平上讨论人体发育过程中的及早期时期的

良好条件，这种讨论不会引起与胚胎试验相关的伦理问题。采纳基因芯片等技术

，比较人胚胎干细胞以及不同发育阶段的干细胞和分化细胞的基因转录和表达，可

以确定胚胎发育及细胞分化的分子机制，发觉新的人类基因。结合基因打靶技术，

可发觉不同基因在生命活动中的功能等。该应用有利于新药的发觉及筛选，人胚胎

干细胞使新药的药理、药效、毒理及药代等讨论达到了细胞水平，极大削减了药物

试验所需的动物数量。目前药物试验使用的细胞系基本上来自其他的种属，其结果

常不能真正代表正常的人体细胞对药物的反应。人胚胎干细胞还可用来讨论人类疾

病的发病机制和进展结果，从而可找到特效和永久的治疗方法。

人胚胎干细胞最有价值的应用是用来修复甚至替换已丢失功能的组织和器官，

由于它具有发育分化成全部类型组织细胞的力量。任何导致丢失正常细胞的疾病都

可以通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异组织细胞来治疗，如用神经细胞治疗神

经变性疾病（帕金森综合征、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默病等），用造血干细胞重

建筑血功能，用胰岛细胞治疗糖尿病，专心肌细胞修复已坏死的心肌等。尤其是对

于后2项，胚胎干细胞可能会有特殊疗效，至今认为成年人的心脏和胰岛几乎没有

干细胞，自身无法得到修复。用于基因治疗和防止免疫排异反应，还可以对胚胎干

细胞的基因做适当的修改。干细胞是基因治疗较抱负的靶细胞，由于它可以自我复

制更新，治疗基因通过它带入人体中，能够长久地发挥作用，而不象分化的细胞那

样，在细胞更新中可能丢失治疗基因的结果。通过胚胎干细胞和基因治疗技术，可

以矫正缺陷基因。例如，假如发觉早期胚胎有某种基因缺陷而会患基因病如囊性纤

维化—一种30岁以前便会致人死亡的疾病，可以收集部分或全部胚胎干细胞，通过

基因工程技术将正常的基因替代干细胞中的缺陷基因，再将修复后的胚胎干细胞嵌

入胚胎中，将会诞生一个健康的婴儿。由于伦理和某些技术问题，现在还未开展此

类试验。转变胚胎干细胞的某些基因的另一目的是创建“万能供者细胞”，即破坏

细胞中表达组织相容性复合物的基因，躲避受者免疫系统的监视，从而达到防止免

疫排异反应的发生。但这种方法需要破坏和转变细胞中很多基因，而且这种细胞发

育成的组织和器官是否有生理缺陷?如免疫力量状况还不得而知。

另一种克服移植免疫排异的途径就是结合克隆技术创建患者特异性的胚胎干细

胞。为避开患者自身对外源细胞的免疫排异反应，ES细胞的获得还有另一种方法，

即从患者自身成熟细胞中取出细胞核，移植入去核的卵细胞中（即体细胞核转移技

术SCˉNT），经过一系列的培育在体外分化成患者所需要的细胞或组织类型。这种

包含与患者完全相同的遗传物质的杂合卵细胞在体外培育发育成囊胚，若将囊胚植

入假孕妇女的子宫中，将会克隆出与供应体细胞的人基因相同的个体，即所谓的“

克隆人”。但是假如从获得的囊胚中分别并扩增所谓的“人胚胎干细胞（ES）”，

并体外诱导它们分化成胰岛细胞、神经元、心肌细胞等，将这些细胞移植至发病部

位，则能够修复患者的组织或器官，从而使患者得到康复。用这种胚胎干细胞培育

获得的细胞、组织或器官，其基因和细胞膜表面的主要组织相容性复合体与供应体

细胞的患者完全全都，不会导致任何免疫排异反应。假如能成为现实，这将是人类

医学史上一项划时代的成就，它将使器官培育专业化，全面解决供体器官来源不足

的问题;并达到器官供应专一化，供应给患者相应性器官。人体中的任何器官和组

织一旦消失特别，则医生可赐予更换和修复。

利用核转移克隆技术以猎取ES细胞，人卵子来源不足是目前的主要难题。至今

为止，非人类哺乳动物的克隆效率特别低，大约100个以上的卵细胞才能得到1个有

活力的克隆［8，9］。要解决这个问题，一是尽快找出卵细胞中使体细胞去分

化的因子;二是查找其他来源的卵细胞如尸体或废弃的胎儿，但这需要进展卵细胞

在体外成熟的技术。曾经有人提出将人细胞核转入去核的牛卵子以猎取胚胎干细胞

，这项技术基于一种假设，即牛细胞质中的蛋白很快被人类的蛋白所取代，从而不

会形成杂种细胞。

4面对的挑战

要使上述设想变为现实，还需要对人胚胎干细胞做深化讨论，还需要解决很多

技术上的因素，这些问题包括:（1）人胚胎干细胞极易分化成其他细胞。如何维持

体外扩增时不细胞异化?虽然在防止体外培育时干细胞分化方面已取得了很大成果

，如在培育基中加入白血病抑制因子等可抑制干细胞分化，但仍需进一步讨论干细

胞的培育条件。（2）如何定向诱导干细胞分化［10］?细胞分化是多种细胞因

子相互作用引起细胞一系列简单的生理生化变化的过程。要诱导产生某种特异类型

的组织，就需要了解各种因子在何时何地开头作用，以及何时何地停止作用。但是

科学家相信只要将胚胎干细胞诱导分化为所需组织细胞的前提（祖细胞），将祖细

胞移植到适当的环境中就能够产生所需的组织，由于机体能够分泌全部指导细胞正

确分化的因子;并且不必在体形状成结构精确的多细胞组织后再移植，只需要将已

诱导的分散的胚胎细胞或细胞悬液注射到发病部位就可发挥作用，这些移植的细胞

与四周细胞及胞外基质相互作用便可有机地整合至受体组织中［11］。（3）要

使胚胎干细胞在体外发育成一完整的器官尤其是像心、肝、肾、肺等大型精细简单

的器官，这一目标还需要技术上的突破。由于器官的形成是一个特别简单的三维过

程。许多器官是两个不同胚层的组织相互作用而形成的。例如，肺中的肌组织、血

管和结缔组织来源于中胚层，而上皮组织源自内胚层。每个细胞要获得养分和排泄

代谢产物，分化的组织中需要产生血管，组织血管化目前还处于起步讨论阶段。就

目前的水平来说对来自自然机体的器官要离体培育并维持其正常的生理功能还无法

做到。器官的体外保存和维持仍是器官移植中的难题。一种可能的方法是将干细胞

注射到重度免疫缺陷动物的脏器中，让移植的人干细胞逐步替代动物细胞，使其脏

器人源化，成为可供人体的器官移植。（4）如何克服移植后的问题?前面提到的改

变基因创建“万能供者细胞”的方法是否可行还不清晰。核移植后的卵细胞能否激

活缄默基因，启动DNA的合成，会不会转变染色体的结构等等问题，还有待进一步

讨论。而且，胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向，必需对胚胎干细胞及其衍生细胞的

移植的平安性做一全面、客观、深化的评价，极需人们对此作更深化的讨论。

5其他替代胚胎干细胞应用的技术

由于目前胚胎干细胞的讨论存在伦理与法律上的部分难点无法解决，因此人们

正在乐观查找替代胚胎干细胞的细胞的来源和技术。例如，依据现阶段的讨论可以

认为只有很少的几个信号途径参加掌握细胞更新和维持其全能性，那么在只有有限

分化力量的成体干细胞中激活这些途径是否能使它们保持在全能性的状态?在一些

早期胚胎的已分化细胞可以看到这种去分化的现象，例如，小鼠和大鼠卵黄囊的内

皮层细胞可以在invivo由异体分化（transdifˉferentiate）状态转变成全能性细

胞［12］，将小鼠和人的生殖母细胞用一些信号分子处理可以转变成可自我更

新的全能性细胞［1～3］。但目前主要的讨论仍集中在将成体干细胞（adult

stemcells）替代胚胎干细胞的讨论上。成体干细胞是指从成熟机体组织中分别出

来的干细胞，能在体外长期培育，在肯定条件下能产生与所来源组织类型相同的细

胞。至今为止已在多种组织中发觉并分别出干细胞，甚至在像脑、肝脏这些更新较

慢的组织中同样存在干细胞。在大部分组织中，必需通过特定的分子标志才能将干

细胞与四周无关的细胞区分开来。这些分子标志物也能为如何掌握干细胞的表型提

供重要的线索。例如，表皮干细胞表达高水平的β1-integrins，而β1-inte

grins介导的细胞与胞外基质的粘附可以抑制干细胞终末分化的发生［13～16］

。据原先的推想，成体干细胞只能分化为与来源组织类型相同的细胞，即血液干

细胞只能分化出各种血液细胞，而神经干细胞只能分化出神经细胞。但是最近的一

系列讨论发觉说明:通过掌握四周环境，成体干细胞也能够分化成多种不同类型的

细胞，表现出肯定的多能性［17～20］。

Bjornson等人报道，将从小鼠前脑中的神经干细胞移植到用放射线照耀处理后

的小鼠的循环系统中，可以产生出包括骨髓细胞和淋巴细胞在内的多种血液细胞，

这个结果说明神经干细胞具有比最初预想的更大的分化潜力［21］。Margaret

A.Goodell领导的小组从小鼠骨骼肌中分别出一种干细胞，它能够分化成几乎全部

种类的血液细胞，而且效力比完全的骨髓成分高10～14倍［22］。此外，间续

还有一些发觉如大鼠肝脏中的干细胞可以在体内分化成心肌细胞［23］;小鼠血

液干细胞分化成