干細胞研究進展

1、分子免疫學課程論文8 / 8文檔可自由編輯打印干細胞商量進展張現(xiàn)寧（山東農(nóng)業(yè)高校，生命科學學院，山東 泰安 270000）摘要：干細胞是一類具有自我更新和增殖分化能力的細胞，是各種組織器官的最初來源。通過幾十年的商量進展，干細胞工程已經(jīng)廣泛應用于生命科學及醫(yī)藥學中的多個領域。目前商量的干細胞種類眾多，本文綜述了干細胞的來源、基礎生物學特征和應用，以及胚胎干細胞和成體干細胞的商量進展。關鍵詞：干細胞 來源 生物學特征 胚胎干細胞 成體干細胞前言：干細胞猶如植物細胞或組織經(jīng)組織培育后再生新植株一樣，能夠分化形成一個新的動物生命體。這打破了科學界對細胞的命運在胚胎期就已經(jīng)確定并不行逆轉的生疏，為動物

2、組織器官的再生供應了可能性，也為器官移植供應了新的來源，并且對攻克人類重大疾病如心腦血管疾病、癌癥、老年性疾病等供應了新的方法和思路。20世紀90年月以來，分離和體外培育各種來源的干細胞技術不斷成熟，干細胞生物學商量激起了生命科學界強烈反響，世界各國都專門設立專項用于干細胞的商量,有關干細胞的理論也不斷被完善。1 干細胞基礎1.1 干細胞的來源與進展干細胞（stem cell ,SC）是一類具有自我更新和增殖分化能力的細胞，能產(chǎn)生表現(xiàn)型和基因型與自己完全相同的干細胞。干細胞這個詞最初是在19世紀的生物學文獻中消失，1896年，在論述細胞生物學文獻中第一次應用干細胞一詞，專門用以描述存在于寄生蟲

3、，如蠕蟲、線蟲、蛔蟲等生殖系的祖細胞。1983年，Sulston在文獻中記錄，從對線蟲細胞系商量中，表明生殖系祖細胞的早期細胞分裂物仍保持有關親代分裂球特性，并證明具有自我更新能力。這種觀點與目前所生疏的干細胞特性較接近。1967年，美國華盛頓高校的多納爾托馬斯發(fā)表論文稱，如果將正常人的骨髓移植到病人體內(nèi)，可以治療 造血功能障礙，從而開頭干細胞應用于血液系統(tǒng)臨床疾病治療。1998年11月，美國科學家Thomason在“科學”雜志上報道，他們成功地在體外培育和擴增了人體胚胎干細胞。由于胚胎干細胞可以在肯定條件下分化成各種組織，所以，可能被用來取代病人體內(nèi)壞損的組織細胞，達到治病的目的，從而帶動了

4、世界范圍內(nèi)干細胞商量的熱潮。一年后的1999年3月，美國科學家Goodell發(fā)現(xiàn)小鼠肌肉組織干細胞可以橫向分化成血細胞。這一發(fā)現(xiàn)立即被世界各國科學家證實，并且發(fā)現(xiàn)，人成體干細胞同樣具有橫向分化功能1。自21世紀以來，世界各國紛紛投入大量資金用于干細胞商量，其商量種類眾多，進展迅速，理論和技術被不斷完善。1999年，Science將干細胞商量評為21世紀最重要的10項商量領域之首，2007年三位科學家因在胚胎干細胞與哺乳動物DNA重組方面的商量而獲得諾貝爾醫(yī)學和生理學獎，2012年，日本科學家山中伸彌和英國科學家約翰咯噔因在在體細胞重編為干細胞方面的商量而獲得諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。在將來中干細胞

5、照舊是生命科學與醫(yī)學領域的商量熱點，終將為人類重大疾病的根治供應新的技術支持。1.2 干細胞的生物學特性1.2.1 干細胞的生化和形態(tài)特性：各種干細胞在形態(tài)上有一些共性，細胞較小，通常呈圓形或橢圓形，核質比較大。細胞核染色質分布較彌散，核仁較明顯。細胞質內(nèi)除含有游離核糖體外，其它細胞器均少且小。不同種類的干細胞生化特征有所差異，但都具有比較高的端粒酶活性，這與其增殖能力親密相關。1.2.2 干細胞的增殖特征：干細胞的增殖具有緩慢性和自穩(wěn)定性。緩慢性是干細胞進入分化程序之前，首先要經(jīng)過一個短暫的增殖期，產(chǎn)生界于干細胞與分化細胞之間的過渡放大細胞，經(jīng)若干次分裂后產(chǎn)生分化細胞。這樣有利其對特定的外界

6、信息作出反應，以決定其是進行增殖或是進入特定的分化程序，還可以削減基因發(fā)生突變的危險，使其有更多時間發(fā)現(xiàn)和校正復制錯誤。自穩(wěn)定性是干細胞可以在生命個體中自我更新和維持數(shù)目的穩(wěn)定。干細胞分裂時，如兩個子代細胞都是干細胞或都是分化細胞時，稱對稱分裂；如產(chǎn)生一個子代干細胞和一個子代分化細胞時，則稱不對稱分裂。對無脊椎動物而言，不對稱分裂是干細胞維持自身數(shù)目恒定的方式。但是，大多數(shù)哺乳動物可自我更新的組織中，干細胞分裂產(chǎn)生的兩個子代細胞既可能是兩個干細胞，也可能是兩個特定分化細胞。當組織處于穩(wěn)定狀態(tài)時，每一個干細胞產(chǎn)生一個子代干細胞和一個穩(wěn)定分化細胞。因此，哺乳動物的干細胞是種群（而不是單個干細胞）意

7、義上的不對稱分裂，稱種群不對稱分裂。這樣使得機體對干細胞的調控更具有敏捷性，可以更敏捷地應對機體生理變化的需要2。1.2.3 干細胞的可塑性：干細胞的可塑性一般指的成體干細胞，即特定部位的成體干細胞有分化為發(fā)育上無關的細胞組織的潛力。一種組織類型的干細胞在適當條件下可分化為另一種組織類型的細胞，稱干細胞的橫向分化。干細胞的微環(huán)境對其轉化具有特別重要的作用，一些內(nèi)在和外在的信號調節(jié)著這些干細胞的命運，這具有重要的理論意義和有用價值，將為干細胞定向培育和應用帶來新的前景。1.2.4 干細胞增殖與分化的微環(huán)境：干細胞生存在肯定的微環(huán)境中，這種微環(huán)境稱干細胞壁龕（niche）, 在壁龕中，全部掌握干細

8、胞增殖與分化的外部信號構成了干細胞生存的微環(huán)境。在高等脊椎動物，干細胞生存的微環(huán)境在維護干細胞自我更新、決定干細胞分化命運至關重要，但是干細胞微環(huán)境對干細胞命運的設定并不是不行逆的。當干細胞被置于新的生存環(huán)境后，干細胞的特性會發(fā)生轉變而帶有新環(huán)境的烙印，從而體現(xiàn)出干細胞的可塑性3。1.3 干細胞的應用及難題綜合來看，干細胞的應用主要分為兩部分：胚胎干細胞的應用和成體干細胞的應用。胚胎干細胞用于生產(chǎn)轉基因動物和克隆動物、發(fā)育生物學商量、新型藥物商量和組織器官的修復治療商量;而成體干細胞的商量主要用于治療疾病及組織的再生，如用造血干細胞治療白血病、間充質干細胞治療軟骨病、神經(jīng)干細胞治療帕金森綜合癥

9、等；用于干細胞的橫向分化商量；腫瘤干細胞及腫瘤治療的商量4。干細胞應用商量主要集中在以下幾個熱點領域：帕金森綜合征、脊柱損傷等疾??； 心臟?。?糖尿?。?肝臟疾病； 燒傷和皮膚潰瘍； 眼科疾??； 肌肉萎縮等。上述疾病基本上都是既往傳統(tǒng)醫(yī)學認定的疑難病或者缺乏特效療法的疾病。盡管干細胞的商量給人類疾病的治療帶來了福音，但卻面臨很多問題。主要有：由于干細胞在組織中僅存在微量而無法大量獲得；如何定向誘導干細胞的分化及如何選擇誘導分化所需的微環(huán)境；由胚胎干細胞的商量而引發(fā)的一系列倫理問題；臨床應用或實驗結果的精確性存在不嚴謹現(xiàn)象；一些學者為達到某些目的而夸大或造假；政府對干細胞方面的商量沒有系統(tǒng)的管理

10、政策5。2 干細胞分類及商量進展 干細胞具有自我更新的能力，在肯定條件下，可分化成各種功能細胞。干細胞按其分化潛能的大小可分三種類型：全能性干細胞即具有形成完整個體的分化潛能，如胚胎干細胞可無限增殖并分化成為全身200多種細胞類型，進一步形成機體的全部組織器官；多能性干細胞即失去發(fā)育成完整個體的能力，發(fā)育潛能受到肯定限度，如骨髓多能干細胞可分化出至少12種血細胞，但不能分化出造血系統(tǒng)以外的細胞；單能干細胞即只能向一種類型或親密相關的兩種類型的細胞分化，如上皮組織的基底層干細胞、肌肉中的成肌細胞。 通常將干細胞分為胚胎干細胞和存在于成熟個體組織器官內(nèi)的成體干細胞。2.1 胚胎干細胞 胚胎干細胞（

11、embryonic stem cell,ESC）是一種從哺乳動物早期胚胎的囊胚內(nèi)細胞團細胞經(jīng)分離、體外抑制分化培育得到的具有發(fā)育全能性( 或多能性) 的一類干細胞。與已經(jīng)成熟分化的體細胞一樣，ES細胞也是一分為二地分裂增殖，且ESC具有體外培育無限增殖、自我更新和多向分化的特性。在肯定的培育條件下，ES細胞可以在體外長期和穩(wěn)定地自我復制。無論在體外還是體內(nèi)環(huán)境，ES細胞都能被誘導分化為內(nèi)、中、外3個胚層的幾乎全部類型細胞。ES細胞的發(fā)現(xiàn)始于商量胚胎瘤細胞，而有關人胚胎干細胞商量最多的是從囊胚期內(nèi)細胞群中直接分離胚胎干細胞。2.1.1 胚胎干細胞的生物學特性 ES細胞具有與早期胚胎細胞相像的形態(tài)

12、結構，細胞體積小，核大，核質比高，有一個或多個明顯的核仁，核型正常，具有整倍性。在體外分化抑制性生長時ES細胞呈克隆狀生長，細胞緊密聚集在一起，形似鳥巢，細胞界限不清，用堿性磷酸酶染色，ES細胞呈棕紅色，而周圍的成纖維細胞呈淡黃色。ES細胞具有正常的二倍體核型和高度分化潛能。在體外需在飼養(yǎng)層細胞或抑制分化因子作用下才能保其未分化狀態(tài)，一旦脫離飼養(yǎng)層就會自發(fā)地進行分化。在不同物質、不同刺激因素的作用下，ES細胞可向不同方向分化，表現(xiàn)出高度分化潛能。時相專一性胚胎抗原Oct-4基因的表達蛋白為ESC發(fā)育全能性的標志，另外，ES細胞中 AFP及端粒酶活性較高，可用于ES細胞分化與否的鑒定。2.1.2

13、 胚胎干細胞的商量進展目前ES細胞主要商量方向是不同哺乳動物ESC的建系和體外定向分化。ES細胞建系，來自由分離的內(nèi)細胞群細胞、從5-9周的胚胎生殖腺中分離ES細胞；也用克隆技術將體細胞核移植到去核卵母細胞中，使之發(fā)育成囊胚，再分離其內(nèi)細胞群細胞，由這種方法獲得的細胞或組織，遺傳物質和供體全都，故移植后不會產(chǎn)生免疫排斥反應。1981年，Evans等首先建立了小鼠的ES細胞系，在此之后近20年里，人們相繼自早期胚胎建立了倉鼠、豬、兔、水貂、大鼠、魚類、鳥類、牛、靈長類動物(恒河猴、狨)和人的類ES細胞系。ES細胞的培育體系主要分為含飼養(yǎng)層細胞培育法和無飼養(yǎng)層細胞培育法。含飼養(yǎng)層細胞培育法中常用的

14、飼養(yǎng)層為小鼠胚胎成纖維細胞（PMEF），不過由于存在異體污染的風險，科技人員更多選擇開發(fā)用于無飼養(yǎng)層細胞培育的培育液。目前已經(jīng)有較多商業(yè)化的無飼養(yǎng)層、無異源污染的成分明確的培育液消失，但是已被報道可用于HES建系的培育液僅有TeSR1，尚處試驗階段未被商業(yè)化.ES細胞可在體外定向誘導為多種細胞類型，如神經(jīng)細胞、成骨細胞、脂肪細胞等。其誘導方法有很多，常用的有：外源性生長因子誘導ES細胞分化、轉基因誘導ES細胞分化、ES細胞與其他細胞共培育的方式誘導ESC分化。并且ES細胞的分化受內(nèi)源性因素和外源性因素的共同調節(jié)。ES細胞及其體外分化模型能夠模擬胚胎正常發(fā)育進程，在發(fā)育生物學、轉基因動物的生產(chǎn)、

15、克隆動物、動物和人類疾病模型的建立、藥物的開發(fā)和篩選、基因治療、細胞組織和器官的修復和移植治療等方面都有廣泛的應用前景6。2.1.3 胚胎干細胞面臨的問題 在ES細胞的商量中，仍然存在著很多問題，如誘導分化效率低、定向細胞分離和純化困難、培育條件滯后、定向分化的機制、臨床應用與轉基因的平安性、交叉污染、免疫排斥等，但最主要的還是涉及到的倫理問題。人胚胎干細胞的來源大約有四種：人工流產(chǎn)后的人類胎兒組織；通過體外受精產(chǎn)生的人類胚胎；用捐贈者的配子通過體外受精產(chǎn)生的人類胚胎；通過體細胞核轉移技術以無性生殖方法產(chǎn)生的人類胚胎，這一項遭到強烈的反對。圍繞胚胎干細胞商量的倫理道德問題，主要包括人胚胎干細胞

16、的來源是否合乎法律與道德，其應用是否會引起倫理及法律問題，引起的爭議已成為世界性的話題。禁止生殖性克隆已成為普遍共識，而治療性克隆的商量被多數(shù)科學家所認同。倫理問題將是制約ES細胞商量進展的最大障礙。2.2 成體干細胞 成體干細胞（adult stem cell,AS）長期以來沒有一個明確的定義。傳統(tǒng)的觀念認為，成體干細胞是存在于成熟個體組織器官內(nèi)的干細胞，具有不斷增殖、自我更新和組織特異性定向分化潛能的一類特別細胞群體。2001年，斯坦福高校的Blau提出一個全新的成體干細胞概念：成體干細胞是一種細胞狀態(tài)，它可以來自很多不同類型的細胞，包括已分化細胞，它不只是存在于特定組織中，還可以通過過血

17、液循環(huán)到達軀體各處，參加各種組織的修復和再生。即使是高度分化的組織細胞，如多核肌細胞和中樞神經(jīng)細胞也能逆轉其分化狀態(tài)成為干細胞?，F(xiàn)在一般認為，成體干細胞即處于干細胞狀態(tài)的組織細胞，它不僅來源于成年動物，而且還包括未成年動物組織干細胞。成體干細胞在自然條件下傾向于分化成所在組織的各種細胞，用于維持機體的新陳代謝，但在特定的外界條件誘導下，一種組織的成體干細胞可以“橫向”成其它組織的功能細胞，參加組織的損傷修復。 2.2.1 成體干細胞的生物學特性 成體干細胞存在的生理意義是負責更新正常年輕死亡細胞，以維持機體正常組織的結構和功能，一旦生理需要，這些干細胞可依據(jù)發(fā)育途徑通過分裂而產(chǎn)生分化細胞。 A

18、S的主要有三種特征：通常處于靜止狀態(tài)，分裂緩慢，在組織結構中的位置相對固定，在形態(tài)上表現(xiàn)細胞體積小、細胞器稀有、細胞內(nèi)RNA含量低。細胞周期緩慢，具有自我更新和分化潛能。據(jù)估量，體內(nèi)可能存在著從胚胎干細胞向成熟細胞分化的不同階段的干細胞或前體細胞，這些細胞不是分化途徑的終端，而是具有肯定增殖分裂能力，可連續(xù)分裂，也可在較長時間內(nèi)處于靜止狀態(tài)。成體干細胞主要以對稱分裂和不對稱分裂兩種方式生長。干細胞在增殖過程中處于相對靜止狀態(tài)，通常等數(shù)分裂為干細胞和定向祖細胞，當受到損傷情況時，成體干細胞的分裂方式會發(fā)生變化，以適應機體的需要。 另外，AS在特定的微環(huán)境下能夠進行橫向分化，這點在上文中干細胞可塑

19、性中已闡述。 2.2.2 成體干細胞的分類及商量進展早期干細胞商量的重點集中在胚胎干細胞。近年來，越來越多的注意力轉向了成體干細胞7。目前，已經(jīng)在諸多器官和組織中發(fā)現(xiàn)和鑒別了不同的成體干細胞，包括腦、骨髓、外周血、血管、骨骼肌、皮膚、心臟、胃腸道、肝臟、睪丸等，對于成體干細胞的商量也越來越深化。綜合來看，科研人員主要商量的方向是尋找不同成體干細胞的標志物和橫向分化的誘導。 最早商量的成體干細胞是位于骨髓的造血干細胞（HSC），可分化形成血液中各種成熟血細胞。其具有高度自我復制能力、多分化能力和細胞的不均一性，HSC表面標志是CD43。主要臨床應用是基因治療和干細胞的移植，目前移植技術已經(jīng)成熟，

20、而基因治療正在探究8。成體干細胞年輕是組織器官老化的重要緣由之一,越來越多的證據(jù)顯示，免疫系統(tǒng)的年輕起始于造血干細胞(HSC)功能的下降，即造血干細胞的年輕直接影響免疫系統(tǒng)的功能9. 間充質干細胞(MSC)是骨髓上的另外一種干細胞.在不同誘導條件下MSC可以分化為骨組織、軟骨細胞、脂肪細胞、神經(jīng)元細胞、心肌細胞、肝細胞、胰島細胞等。其具有多向分化能力、自我更新能力、免疫抑制作用和趨化性。目前MSC并沒有找到抱負的特異性標志，Kaltz等分析了體外培育MSC的3種膜相關蛋白的轉錄產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)了89種新的表面標志NOTCH3、JAG1、ITGA11，并觀察到NOTCH3+細胞具有成骨、成脂能力，而I

21、TGA11+細胞不能有效地向脂肪細胞分化。組織修復和免疫調節(jié)是MSC的商量熱點10。 神經(jīng)干細胞（NSCs）存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，能夠自我更新并具有多向分化潛能。目前懸浮細胞培育法已經(jīng)成為NSC細胞體外培育的主要方法，鑒定NSC主要用特異性抗原巢蛋白進行11.近年來，NSC療法為一些難以治療的神經(jīng)系統(tǒng)疾病帶來了盼望。隨著轉分化技術的進步，NSC來源更加廣泛，但由于移植治療對NSC有很高的要求，其來源是否能滿足移植的需要，也尚未明白。目前，NSC尚未有普遍認可的組織來源，各種NSC來源都有肯定的缺陷，包括實際應用的取材限制0不同來源的功能差異等，NSC 的應用主要集中在非臨床商量階段12。我國科

22、學家成功從人尿液細胞中獲得了平安性好的神經(jīng)干細胞, 為這些病患者進行神經(jīng)干細胞移植治療供應了一種新途徑, 有望直接用于臨床治療。 腫瘤干細胞（CSC）腫瘤組織中存在的極少量具有自我更新、無限增殖能力及多向分化潛能的細胞，是腫瘤發(fā)生、進展、侵襲、轉移的根源。因此，分離鑒定這類細胞對于進行腫瘤干細胞靶向治療、徹底摧毀腫瘤的母體、以及惡性腫瘤的最終治愈、有著深遠意義13。近日，京都高校消化內(nèi)科教授千葉勉領導的商量小組發(fā)現(xiàn)腫瘤干細胞標志蛋白Dclk1；中科院健康所時玉舫課題組的商量首次揭示了作為腫瘤基質重要組成部分的腫瘤基質干細胞促進原位腫瘤生長的機制, 為目前臨床腫瘤治療供應了新的途徑14。 這四種成體干細胞是現(xiàn)在的熱門商量