强大的干细胞

干细胞是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的原始的未分化细胞,是形成哺乳类动物的各组织器官的原始细胞。干细胞在形态上具有共性,通常呈圆形或椭圆形,细胞体积小,核相对较大,细胞核多为常染色质,具有较高的端粒酶活性。

 

stem-cells

 

干细胞的分类:

干细胞有两种分类方法,一是根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES细胞)和成体干细胞(somatic stem cell)。第二种分类方法是根据干细胞的发育潜能分为三类:全能干细胞(totipotent stem cell,TSC)、多能干细胞(pluripotent stem cell)和单能干细胞(unipotent stem cell)。胚胎干细胞的发育等级较高,是全能干细胞,而成体干细胞的发育等级较低,是多能或单能干细胞。

 

一、按干细胞所处的发育阶段分类:

 

1、胚胎干细胞(Embryonic Stem cell,ESC)。

2004年2月12日韩国汉城国立大学公布的一张显微照片显示了新近克隆的8个人类胚胎的早期阶段。2月11日,韩国和美国科学家成功克隆出了人类早期胚胎,并从中提取出胚胎干细胞。这是科学家首次利用克隆技术获得人类胚胎干细胞。当受精卵分裂发育成囊胚时,内层细胞团(Inner Cell Mass)的细胞即为胚胎干细胞。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。早在1970年Martin Evans已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。进一步说,胚胎干细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性,能分化出成体动物的所有组织和器官,包括生殖细胞。研究和利用胚胎干细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。目前许多研究工作都是以小鼠胚胎干细胞为研究对象展开的,如:德美医学小组在2011年成功的向试验鼠体内移植了由胚胎干细胞培养出的神经胶质细胞。此后,密苏里的研究人员通过鼠胚细胞移植技术,使瘫痪的猫恢复了部分肢体活动能力。随着胚胎干细胞的研究日益深入,生命科学家对人类胚胎干细胞的了解迈入了一个新的阶段。在98年末,两个研究小组成功的培养出人类胚胎干细胞,保持了胚胎干细胞分化为各种体细胞的全能性。这样就使科学家利用人类胚胎干细胞治疗各种疾病成为可能。然而,人类胚胎干细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议,出于社会伦理学方面的原因,有些国家甚至明令禁止进行人类胚胎干细胞研究。无论从基础研究角度来讲还是从临床应用方面来看,人类胚胎干细胞带给人类的益处远远大于在伦理方面可能造成的负面影响,因此要求展开人类胚胎干细胞研究的呼声也一浪高似一浪。

 

2.成体干细胞(somatic stem cell,SSC)

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。成体干细胞在其中起着关键的作用。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。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明,以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞,说明成体干细胞普遍存在,问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞经常位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体,与干细胞相互作用,控制干细胞的更新和分化。

(1)造血干细胞

造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源,它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的有效方法。在临床治疗中,造血干细胞应用较早,在20世纪五十年代,临床上就开始应用骨髓移植(BMT)方法来治疗血液系统疾病。到八十年代末,外周血干细胞移植(PBSCT)技术逐渐推广开来,绝大多数为自体外周血干细胞移植(APBSCT),在提高治疗有效率和缩短疗程方面优于常规治疗,且效果令人满意。与两者相比,脐血干细胞移植的长处在于无来源的限制,对HLA配型要求不高,不易受病毒或肿瘤的污染。脐血干细胞移植技术的不断完善为全世界更多的血液病及恶性肿瘤的患者带来福音。

(2)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,关于神经干细胞研究起步较晚。理论上讲,任何一种中枢神经系统疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。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:给帕金森氏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,可治愈部分患者症状。除此之外,神经干细胞的功能还可延伸到药物检测方面,对判断药物有效性、毒性有一定的作用。

(3)肌肉干细胞(muscle stem cell,MSC)可发育分化为成肌细胞(myoblasts),后者可互相融合成为多核的肌纤维,形成骨骼肌最基本的结构。

 

二、按干细胞的发育潜能分类:

1、全能性干细胞(Totipotent stem cells)

它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞(Embryonic stem cells,ESC),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。

 

2、多能性干细胞(Pluripotent stem cells)

这种干细胞具有分化出多种组织细胞的潜能,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12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

也称专能或偏能干细胞(Unipotent stem cells)。这类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叫卫星细胞。从干细胞到成熟细胞有许多分化阶段:最原始的干细胞是全能性干细胞,具有自我更新和分化为任何类型组织的能力。迄今为止,只在受精卵才符合这样的定义,囊胚期的胚胎干细胞是否具有全能性仍存在很大争议。分化方向已确定的干细胞叫做多能干细胞,它们将分化为特定的组织,例如造血干细胞将分化为血细胞,肝脏干细胞将分化为肝细胞。这些多能干细胞继续向前分化则成为定向祖细胞(Committed progenitor)。持续停留在某种组织中的干细胞被称为组织特异性干细胞,如造血干细胞(Hematopoietic stem cell,HSC)、肌肉干细胞、表皮层干细胞等都属于此类。随着机体的发育,干细胞逐渐分化为特定类型并行使特定功能。很多成年人组织含有干细胞,当组织受到外伤、老化、疾病等的损伤时,这些细胞就增殖分化。产生新的组织来代替它们,以保持机体的稳态平衡。

 

 研 究 历 程:

干细胞的研究被认为开始于1960年代,在加拿大科学家恩尼斯特·莫科洛克和詹姆士·堤尔的研究之后。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。

1984—1988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-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年美国有两个小组分别培养出了人的多能(pluripotent)干细胞:James A. Thomson在Wisconsin干细胞大学领导的研究小组从人胚胎组织中培养出了干细胞株。他们使用的方法是:人卵体外受精后,将胚胎培育到囊胚阶段,提取 inner cell mass细胞,建立细胞株。经测试这些细胞株的细胞表面marker 和酶活性,证实他们就是全能干细胞。用这种方法,每个胚胎可取得15-20干细胞用于培养。John D. Gearhart在Johns Hopkins大学领导的另一个研究小组也从人胚胎组织中建立了干细胞株。他们的方法是:从受精后5-9周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞(primordial germ cell)。由此培养的细胞株,证实具有全能干细胞的特征。

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。

实际上,到目前为止,人们对干细胞的了解仍存在许多盲区。2000年年初美国研究人员无意中发现在胰腺中存有干细胞;加拿大研究人员在人、鼠、牛的视网膜中发现了始终处于“休眠状态的干细胞”;有些科学家证实骨髓干细胞可发育成肝细胞,脑干细胞可发育成血细胞。随着干细胞研究领域向深度和广度不断扩展,人们对干细胞的了解也将更加全面。21世纪是生命科学的时代,也是为人类的健康长寿创造世界奇迹的时代,干细胞的应用将有广阔前景。

 

jieweitu

 

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