干细胞的应用及研究方向

干细胞的应用及研究方向

摘要

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。

干细胞（stem cells）是一类具有自我更新、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分裂维持自身细胞群的大小，同时又可以进一步分化成为各种不同的组织细胞，从而医学界称之为“万用细胞”。1981年英国的Evans和Kaufman用延缓着床的胚泡首次成功地分离了小鼠胚胎干细胞,从而在全球掀起了有关干细胞的研究热潮。1997年2月英国苏格兰罗斯林研究所威尔穆特博士等成功克隆出“多利”绵羊，1998年11月,美国Thomson［1］和Gearhart［2］分别用不同的方法获得人胚胎干细胞及胚胎生殖细胞,此后,干细胞的研究便进入了一个全新的时代。1999年，有关干细胞的研究被Science评为1999年度十大科学进展之首。2000年12月干细胞研究再次被《科学》杂志评为该年度世界十大科学成就之一。本文就近几年来干细胞的研究进展综述如下。

1干细胞的生物学特性

根据干细胞的发育阶段，可将其分为胚胎干细胞和成体干细胞（Adult Stem Cell，AS）。胚胎干细胞即具有分化为机体任何一种组织器官潜能的细胞,包括胚胎干细胞、胚胎生殖细胞（Embryonic Germ Cell，EG）。成体干细胞即具有自我更新能力,但通常只能分化为相应组织器官组成的“专业”细胞,它是存在于成熟个体各种组织器官中的干细胞,包括神经干细胞、血液干细胞,骨髓间充质干细胞、表皮干细胞、肝干细胞等。

1.1胚胎干细胞的生物学特性

胚胎干细胞最早是直接从小鼠早期胚胎分离建系的,它们具有其自身的生物学特性。与其他细胞系相比较, 胚胎干细胞的特点在于:（1）具有不断增殖分化的能力，所以，在体外培养条件下可以建立稳定的干细胞系，并保持高度未分化状态和发育潜能性。1999年Soiter等［3］利用这个特性将ES/EBs及其分化细胞作为有关药物的针对筛选系统,进行药物毒性检测实验。（2）具有高度的发育潜能和分化潜能。体内外可分化出外、中、内三个胚层的分化细胞，可以诱导分化为成体细胞内各种类型的组织细胞。胚胎干细胞含有正常二倍染色体，具有种系传递功能,能广泛参与宿主胚胎各组织器官的生长发育,并形成包括生殖系在内的合体后代生殖细胞。1995年Pacacio等［4］利用骨髓基质细胞或其培养液,将胚胎干细胞在体外诱导分化为造血干细胞。1997年Baker等［5］在缺乏新霉素(geneticin,g418)的条件下,将Rosaβ-geo基因转染胚胎干细胞后能在体外诱导分化为软骨细胞。同年Deni等报告将胚胎干细胞通过悬滴培养可分化出脂肪细胞。（3）能进行体外培养扩增,还可以对其进行遗传操作选择, 如导入异源基因、报告基因或标志基因，诱导某个基因突变等。扩增、遗传操作及冻存均不丧失其多能性。冻存的细胞可在需要时随时解冻,继续培养不失其原有特性。

1.2成体干细胞的生物学特征

干细胞在分化为特化细胞之前常产生一种或几种祖细胞，然后由祖细胞分化产生特化细胞。与胚胎干细胞相比较，成体干细胞有以下几个特点：(1)成体干细胞体积小，细胞器稀少，RNA含量较低，在增殖过程中处于相对静止状态，在组织结构中位置相对固定。(2)成体干细胞数量很少，其基本功能是参与组织更新，创伤修复及维持机体内环境稳定。研究结果表明，即使在含量丰富的骨髓中，每10，000～15，000个骨髓细胞中只有一个造血干细胞［6］，人和动物皮肤中的干细胞含量仅为7%～8％［7］。Reynolds等［8］实验证明成体哺乳动物脑内的神经干细胞数量极少，仅占室下带区中相对静止

细胞数的0.1%～1%。(3)成体干细胞常处于一个有干细胞细胞基质，对干细胞的增殖和分化起调控作用的各种信号分子的特定微环境或称生物位（nich）中，干细胞是自我复制还是分化为功能细胞取决于所在的微环境和自身的功能状态。(4)成体干细胞没有确定的来源。有科学家推测，成体干细胞是胚胎发育过程中保存下来的未分化的细胞［6］，这揭示成体干细胞与胚胎干细胞可能会有更多的相似性与同源性。

2干细胞的可塑性

干细胞的可塑性主要是指成体干细胞的可塑性。人们把成体干细胞具有分化为其他类型组织细胞的能力的这种现象称为干细胞的可塑性［9］，横向分化［10］或转决定［11］。1995年，Pereira等［12］证明，小鼠骨髓细胞在体外培养后具有向骨、软骨和肺基质转化的能力。1999年,Bjornson等［13］将胚胎和成年小鼠神经干细胞,以及在体外克隆的神经干细胞移植给亚致死剂量照射的小鼠,结果证明神经干细胞可转化为造血细胞。同年Jackson等［14］用

Hoechst333422-lowSP纯化的小鼠造血干细胞进一步证明它可迁移到肌肉损伤部位,在参与肌肉

再生的同时也参与血管的再生。2002年Vescovi 等［15］报道神经干细胞除有向神经元、星形细胞与少突胶质细胞分化能力以外,还可分化为造血细胞谱系。

肝干细胞也是干细胞可塑性的主要可靠证据之一。2000年Alison等［16］和Lagasse等［17］分别报道HSC可在体内分化成肝细胞。2001年Shen等［18］在骨髓移植的试验中发现,肝脏干细胞能表达供体造血细胞的遗传标志。

这一系列的证据表明干细胞存在可塑性。然而，近几年来，部分研究学者对干细胞的可塑性提出了不同的

看法:(1)细胞自发融合导致“可塑性”。英国科学家2002年,Ying等［19］的研究结果表明, 胚胎干细胞在体外与神经或HSC共同培养时,能自发地发生神经或HSC与胚胎干细胞之间的融合,诱导NSC或HSC“横向分化”为胚胎样干细胞,然后展现出胚胎干细胞的表型特征与相应功能。同年美国科学家Terada等［20］用充分的证据证明,骨髓细胞的多向分化是因为与胚胎干细胞融合所致,而不是骨髓细胞直接横向分化的结果。这两者的研究结果都表明，是由于发生了细胞融合，使所谓的成年组织干细胞具有了“可塑性”潜能。(2)成体干细胞的横向分化是成体组织中余存的胚胎原始干细胞所致。2002年jiang等［21］的研究结果证实,在成体组织中余存着一种数量稀少的胚胎样原始干细胞,表达胚胎干细胞的标志如Oct-4、Rex-1及SSEA-1,体外培养条件也类似于胚胎干细胞,所谓的成体组织干细胞的“可塑性”很可能是这些细胞所为。(3)2002年，在Science和Nature上连续刊发的几篇文章指出，成体干细胞可塑性可能是实验设计不严谨，判断错误所致，认为所谓的成体干细胞可塑性缺乏科学依据。

3干细胞的分离培养

由于干细胞的数目很少，因此需要在体外对干细胞进行非分化性增殖。干细胞的分离培养的理论基础是其生物学特征，包括形态和结构特征及其生物学表型。

干细胞的分离培养实验主要是建立在老鼠的实验上，早在二十世纪七八十年代就已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养成功。近年来，国内在这方面的研究也取得了一定的进展，主要是在神经干细胞等成体干细胞的研究上。2002年陈雷等［22］应用无血清培养技术从胎鼠脊髓分离到的神经系统的干细胞具有不断分裂增殖的能力, 可被神经干细胞特异性抗体所标记,

并在血清条件下分裂为神经系统多种细胞。2004年冯玉萍等［23］用胰酶消化加机械吹打分离大鼠大脑皮质及皮质下组织,之后用悬浮培养法、有限稀释法获得来源于同一细胞的亚细胞系克隆; 2005年肖美玲等［24］用同样的方法分离新生昆明种小鼠(出生24 h 内) 的大脑组织，利用无血清培养基悬浮培养细胞,获得具有自我增殖能力的细胞克隆,两者经用免疫细胞化学法鉴定为

神经干细胞。

虽然老鼠的干细胞体外培养实验已经取得了可喜的进展，但人的干细胞的体外培养直到1995年,Thomson等从恒河猴的囊胚中分离,建立了第一个灵长类动物的胚胎干细胞株后，才获得成功并得到迅速的发展。1998年,Thomson［1］和Gearhart［2］分别用胚胎干细胞和胚胎生殖细胞建立了人的胚胎干细胞系,在体细胞与生殖细胞间架起了桥梁,为研究胚胎干细胞的发育,在体外培养人体细胞和组织,利用ES细胞治疗疾病提供了广阔的发展前景。在报道分离了人的胚胎干细胞这一重大成果后不久,美国Advance Cell Technology (ACT, Worcester, M)的研究者宣称,他们通过使人的皮肤细胞和牛的卵细胞杂交,培育出了人的胚胎干细胞。所用的方法与克隆实验中采用的方法相似,基本上是对人的细胞重新编程并使其回到它最初的原始状态。该发现可能导致许多新方法的产生,如通过移植和细胞治疗来医治疾病。2002年李巍等［25］采用无血清培养技术, 成功地分离培养了人胚胎大脑皮层神经干细胞，且能被诱导分化成神经元和神经胶质细胞。经传12代后仍具干细胞特性。2004年王共先等［26］以器官捐献者的正常前列腺为研究对象,

利用免疫磁珠细胞成功从前列腺基底细胞中分离前列腺干细胞。同年汪泱等［27］和罗树伟等［28］均成功分离培养了人胚脑神经干细胞，并进行进一步的检测和研究。

4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。

4.1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。

4.2在医学上的应用理论上讲，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。

1999年Horwitz等［29］用骨髓间充质干细胞（BMSC）治疗遗传性骨缺陷病，并取得了一定效果。2004年9月，意大利一名5岁、患有地中海贫血症的男孩卢卡，科学家通过从其弟弟的胎盘血中提取干细胞移植到卢卡身上，使其战胜病魔，完全治愈。

4.3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［30］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。

4.4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。

4.5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。

5问题与展望

近年来,随着生物细胞实验技术及分子生物学的发展,干细胞研究领域取得了突破性进展,某些方面已有初步的临床应用。但是目前干细胞的研究尚处于初期阶段，许多理论问题亟待解决：

（1）干细胞的许多机制还没完全清楚，比如在干细胞可塑性机理的研究上还存在着分歧。如何使干细胞在体外大量扩增,并诱导其分化是干细胞在医学临床上应用的关键。

（2）干细胞如何到达不同的靶目标，并分化为正确的细胞类型及正确的细胞数量、比例以及在正确的位置与正确的靶组织建立正确的联系而无任何错误连接等。

（3）干细胞移植的安全性问题:胚胎干细胞移植时会发生不适宜的分化,产生免疫排斥作用，但成体干细胞则没有这个问题，其主要的机理还没完全明白，因此干细胞在临床应用前需要进行全面的评估。

6 结束语

相信随着细胞分子生物学技术的应用,不久的将来干细胞许多相关机制将被逐渐阐明，人类将有可能人为地控制影响干细胞分化的各项因素，但我们也应该清楚的认识到，仍有许多悬而

未决的问题，干细胞的临床应用还有很长的路要走。干细胞用于治疗许多疑难症状在动物实验已经取得了可喜的成就，如果经人体临床试验成功，其潜在的效益将溢现出来，造福人类。

目前，我国在干细胞研究上相对落后，国家已经重视干细胞的研究，将干细胞的研究列入973项目，并成立了干细胞研究所，加强干细胞的基础知识与临床应用方面的研究，这将使我国在此领域的理论和实践应用上得到更大的发展，在世界上占有一席之地。

【参考文献】

1 Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS,et al.Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science， 1998，282(5391): 1145-1147.

2 Gearhart J .New potential for human embryonic stem cells. Science， 1998，282(5391): 1061-1062.

3 Soiter D, Gearhart J. Putting stem cells to work. Science， 1999， 283: 1486.

4 Pacacios R, Golunski E, Samaridis J. In vitro generation of hematopoetic stem cells from an embryonic stem cell line. Proc Natl Sci USA，1995， 92: 7530-7534.

5 Baker RK, Haendel MA, Swanson BJ,et al. In vitro preselection of gene-trapped embryonic stem cell clones for characterizing novel developmentally regulated genes in the mouse. Dev Biol，1997， 185: 201-214.

6 Weissman I L . Stem cells: units of development, units of regeneration, and units in evolution. Cell， 2000,100(1):157-168.

7 Tani H, Morris R J, Kaur P. Enrichment for murine kera tinocyte stem cells on cell surface phenotype. Proc Natl Acad Sci USA， 2000, 97(20): 10960-10965.

8 Reynolds B A, Weiss R S. Generation of neurons and astrocytes form isolated cells of the adult mammalian central nervous system. Science， 1992， 255:1707-1710.

9 Krause DS, Theise ND, Collector MI,et al. Multi-organ, multi-lineage engraftment by a single bone marrow-derived stem cell. Cell， 2001,105(3):369-377.

10 Anderson DJ, Gage FH, Weissman IL. Can stem cells cross lineage

boundaries ? Nal Med， 2001， 7: 393-395.

11 Clarke DL, Johansson CB, Wilbertz J,et al. Generalized potential of adult neural stem cells. Science，2000， 288:1661.

12Pereira RF, Halford KW, O’Hara MD,et al. C ultured adherent cells from marrow can serve as long-lasting precursor cells for bone, cartilage, and lung in irradiated mice. Proc Natl Acad Sci USA， 1995 May 23; 92(11):4857-4861.

13 Bjornson CR, Rietze RL, Reynolds BA,et al. Turning brain into blood: a hematopoietic fate adopted by adult neural stem cells in vivo. Science， 1999, 283(5401): 534-537.

14 Jackson KA, Mi T, Goodell MA. Hematopoietic potential of stem cells isolated from murine

skeletal muscle. Proc Natl Acad Sci USA， 1999, 96(25): 14482-14486.

15 Vescovi AL, Rietze R, Magli MC,et al. Hematopoietic potential of neural stem cells. Nat Med， 2002 Jun; 8(6):535.

16 Alison MR, Poulsom R, Jeffery R,et al. Hepatocytes from non-hepatic adult stem cells. Nature， 2000 Jul 20; 406:257.

17 Lagasse E, Connors H, Al-Dhalimy M,et al. Purified hematopoietic stem cells can differentiate into hepatocytes in vivo. Nat Med， 2000 Nov; 6(11):1229-1234.

18 Shen H, Cheng T, Olszak I,et al. CXCR-4 desensitization is associated with tissue localization of hemopoietic progenitor cells. J Immunol， 2001 Apr 15; 166(8): 5027-5033.

19 Ying QL, Nichols J, Evans EP,et al. Changing potency by spontaneous fusion. Nature， 2002 Apr 4; 416(6880):545-548.

20 Terada N, Hamazaki T, Oka M,et al. Bone marrow cells adopt the phenotype of other cells by spontaneous cell fusion. Nature， 2002 Apr 4; 416(6880):542-545.

21 Jiang Y, Jahagirdar BN, Reinhardt RL,et al. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow. Nature， 2002 Jul 4; 418(6893): 41-49.

22陈雷,路来金,孟晓婷,等.胎鼠脊髓神经干细胞的分离、培养和鉴定.吉林大学学报( 医学版)， 2002, 28(6): 580-582 .

23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.

24肖美玲,罗焕敏,王成蹊，等.新生小鼠神经干细胞的分离、培养和鉴定.暨南大学学报(医学版) ，

2005,26(2):215-220.

25李巍,蔡文琴,吴康,等.人胚胎大脑皮层神经干细胞的分离培养.解剖学报，

2002,33(3):241-244.

26王共先,傅斌,汪泱,等.人前列腺干细胞的分离培养.江西医学院学报，

2004,44(1):1-4.

27汪泱,邓志锋,赖贤良,等.人脑神经干细胞的分离培养及鉴定的研究.江西医学检验，2004,22(1): 11-12.

28罗树伟,谢常青,卢光.人胚神经干细胞的分离培养和鉴定.中南大学学报(医学版)，2004,29(2):129-131.

29 Horwitz EM, Prockop DJ, Fitzpatrick LA,et al. Transplantability and therapeutic effects of bone marrow-derived mesenchymal cells in children with osteogenesis imperfecta. Nat Med， 1999 Mar 5;(3):309-313.

30 Wakayama T, Rodriguez I, Perry AC,et al. Mice cloned from embryonic stem cells. Proc Natl Acad Sci USA，1999 Dec 21; 96(26):14984-14989.

学号:11110130128

A1121班叶家涛