第09章-干细胞术

第九章干细胞技术

1967年，多纳尔·托马斯报道，如果将正常人的骨髓移植到病人体内，可以治疗造血功能障碍。1970年，小鼠胚胎干细胞在体外培养获得成功。1999年，MargarelGoodell发现，小鼠肌肉组织干细胞可以“横向分化”成血液细胞，人成体干细胞同样具有“横向分化”的功能。第一节干细胞概述

干细胞（stemcells）是一类未分化的或原始的、具有自我更新能力（self-renewing）的多潜能细胞，在一定条件下，可以分化成机体内的多功能细胞，形成任何类型的组织和器官，以实现机体内部构建和自我康复能力。干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。目前，人类胚胎干细胞可成功地在体外培养，成体干细胞可以横向分化为其他类型的细胞和组织，为干细胞的应用奠定了基础。

一、干细胞的分类与来源（一）干细胞的分类1．按照生存阶段分类干细胞可分为胚胎干细胞（ESC）和成体干细胞（ASC）。胚胎干细胞包括胚胎干细胞和胚胎生殖细胞（EGC）。成体干细胞包括骨髓间充质干细胞（MSC）、血液干细胞（HSC）、表皮干细胞和神经干细胞（NSC）等。

2．按分化潜能分类干细胞可分为全能干细胞、胚胎干细胞、多能干细胞和单能干细胞

（1）全能干细胞：具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞，具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，进一步形成机体的所有组织、器官，最终发育成一个完整的个体。受精卵就是一个最初始的全能干细胞。

（2）多能干细胞：具有分化出多种细胞组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。骨髓多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少十二种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。

（3）单能干细胞：也称专能、偏能或定向干细胞，只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞或卫星细胞。

（二）干细胞的来源

1．胚胎干细胞可来源于畸胎瘤细胞、桑椹球细胞、囊胚内细胞团、拟胚体细胞、生殖原基细胞等。

ESC是在人胚胎发育早期——囊胚（受精后5~7d）中未分化的细胞。囊胚含有约140个细胞，外表是一层扁平细胞，称滋养层，可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中心的腔称囊胚腔，腔内一侧的细胞群，称内细胞群，这些未分化的细胞可进一步分裂、分化，发育成个体。将内细胞团分离出来进行培养，在一定条件下，这些细胞可在体外“无限期”地增殖传代，同时还保持其全能性，因此被称为ESC。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。

2．成体干细胞成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。成体干细胞可以由下列几个方面得到：胚胎细胞——由ESC定向分化或移植分化而成。胚胎组织——由分离胚胎组织、细胞分离或培养而成。成体组织——由脐血、骨髓、外周血、骨髓间质和脂肪细胞等得到。

二、干细胞的应用研究1．胚胎干细胞育出心脏组织

以色列科学家从胚胎干细胞培养出的人类心脏组织，可以自然跳动，并且有新生心脏组织的电特性和机械性。实验证明，以细胞移植治疗心脏病是可能的。德国医生使用病人自身的干细胞治疗心肌梗塞取得了可喜的成果。

2．骨髓干细胞育出肾脏组织

英国科学家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，医生可通过修补受损肾脏达到治疗的目的。同时，也证明了成人骨髓干细胞可以发育成成熟的肾脏细胞。

3．脐血干细胞

由干脐带血和胎盘含有大量的干细胞，因而受到越来越多的重视和利用。1979年，医学界首次发现脐带血中含有恢复白血病患者造血功能的细胞。自1998年以来，从胎盘和脐带血中提取出来的血液，已挽救了数百人的生命。

4．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，利用它在一定药剂调控下，能使烧伤的皮肤原位再生，修复如初。这是我国在皮肤干细胞研究及其临床应用上的重大突破。

5．胰岛干细胞美国Ramiya等从尚未发病的糖尿病小鼠胰岛导管中分离出胰岛干细胞，在体外诱导分化成产生胰岛素的β细胞。实验表明，接受移植的糖尿病鼠血糖浓度控制良好，而对照组小鼠死于糖尿病，为干细胞治疗糖尿病奠定了实验基础。

6．神经干细胞由于分离神经干细胞所需的胎儿脑组织较难取材，加之胚胎细胞研究尚存在争议，神经干细胞的研究仍处于初级阶段。脑和脊髓由于血脑屏障的存在，使之在干细胞移植到中枢神经系统后不会产生免疫排斥反应，如给帕金森综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经干细胞，可缓解部分患者症状。

三、干细胞应用平台技术1．技术原理细胞分化过程中，往往由于高度分化而完全失去再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了祢补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞，称为干细胞。一旦生理需要，这些干细胞可按照发育途径通过分裂而产生分化细胞，即干细胞充当了分化细胞“预备队”的角色。在动物体内，多数组织含有干细胞，甚至在进化的早期，最初级的后生动物——海绵也含有称之为“始祖母细胞”的干细胞。

（1）干细胞的特点：①干细胞本身不是处于分化途径的终端。②干细胞能无限的增殖分裂。③干细胞可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态。

（2）干细胞的分裂方式：一是对称分裂，形成两个相同的干细胞。二是非对称分裂，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的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控制。可以说，干细胞是具有多潜能和自我更新特点的、增殖速度较缓慢的细胞。

2．技术方向凡需要不断产生新的分化细胞和分化细胞本身不能再分裂的细胞或组织，都要通过干细胞所产生的具有分化能力的细胞来维持机体细胞的数量。生命体是通过干细胞的分裂，实现细胞的更新而保证持续生长。随着基因工程、胚胎工程、细胞工程等生物技术的发展，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，将成为干细胞应用的主要方向。3．技术突破

一是人类胚胎干细胞在体外培养成功。1998年，JamesThomson和JohnGearhart从人囊胚的内层细胞团中取得胚胎干细胞，将胚胎干细胞与小鼠的骨髓间质细胞进行共培养，结果表明胚胎干细胞可以进行长达5个月的非分化增殖，同时还保持着分化为滋养层组织及三种胚层组织的能力，为胚胎干细胞的应用奠定了基础。另一个重大突破是成体干细胞的横向分化。1999年，Goodell等用肌肉来源的干细胞在小鼠体内分化成各种血细胞，这表明成体干细胞在一定的微环境作用下，可以横向分化为需要的细胞和组织，从而起到极为有效的治疗作用。4．干细胞的分离与纯化体外干细胞分离的方法，首先是从已被证明含有干细胞的胚胎或成年哺乳动物的器官中取材，然后将所取的