干细胞综述

动物发育生物学论文

干细胞综述

摘要：

干细胞(Stem cell)乃指具有无限制分裂能力，同时亦可分化成特定组织细胞，在细胞生物发育阶段属于较原始时期期阶段之细胞称之。依干细胞可分化之能力限制，又可分为全能干细胞(totipotent stem cell)和多能干细胞(pluripotent stem cells)。

本文以干细胞的概念为起点，接着从成熟干细胞、胚胎干细胞、干细胞的获得、干细胞的潜在应用等五个方面对干细胞进行了论述。 关键词：干细胞 成熟干细胞 胚胎干细胞 获得 应用 正文：

干细胞

干细胞具有经培养不定期地分化并产生特化细胞的能力。在正常的人体发育环境中，它们得到了最好的诠释。人体发育起始于卵子的受精，产生一个能发育为完整有机体潜能的单细胞，即全能性的受精卵。受精后的最初几个小时内，受精卵分裂为一些完全相同的全能细胞。这意味着如果把这些细胞的任何一个放入女性子宫内，均有可能发育成胎儿。实际上，当两个全能细胞分别发育为单独遗传基因型的人时，即出现了各方面都完全相同的双胞胎。大约在受精后四天，经过几个循环的细胞分裂之后，这些全能细胞开始特异化，形成一个中空环形的细胞群结构，称之为胚囊，胚囊由外层细胞和位于中空球形内的细胞簇(称为内细胞群)所构成。

外层细胞继续发展，形成胎盘以及胎儿在子宫内发育所需的其它支持组织。内细胞群细胞亦继续发育，形成人体所须的全部组织。尽管内细胞群可形成人体内的所有组织，但它们不能发育为一个单独的生物体，因为它们不能形成胎盘以及子宫内发育所需的支持组织。这些内细胞群细胞是多能性的----它们能产生许多种类型的细胞，但并非胎儿发育所需的全部细胞类型。因为它们不是全能性的，不是胚胎，没有完全的发育潜能。如果内细胞群被放入女性子宫，它不会发育成胎儿。

多能性干细胞经历进一步的特异分化，发展为参与生成特殊功能细胞的干细胞。如造血干细胞，它能产生红细胞、白细胞和血小板。又如皮肤干细胞，它能产生各种类型的皮肤细胞。这些更专门化的干细胞被称为专能干细胞。

干细胞对早期人体的发育特别重要，在儿童和成年人中也可发现专能干细胞。举我们所最熟知的干细胞之一，造血干细胞为例，造血干细胞存在于每个儿童和成年人的骨髓之中，也存在于循环血液中，但数量非常少。在我们的整个生命过程中，造血干细胞在不断地向人体补

充血细胞——红细胞、白细胞和血小板的过程中起着很关键的作用。如果没有造血干细胞，我们就无法存活。干细胞按照生存阶段分为胚胎干细胞和成熟干细胞 。

胚胎干细胞

胚胎干细胞是在人胚胎发育早期——囊胚（受精后约5—7天）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。内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化。每个胚层将分别分化形成人体的各种组织和器官。如外胚层将分化为皮肤、眼睛和神经系统等，中胚层将形成骨骼、血液和肌肉等组织，内胚层将分化为肝、肺和肠等。由于内细胞群可以发育成完整的个体，因而这些细胞被认为具有全能性。当内细胞群在培养皿中培养时，我们称之为胚胎干细胞。

研究证实：分离的小鼠胚胎干细胞在体外可以分化成各种细胞，包括神经细胞，造血干细胞（血细胞的前体）和心肌细胞。令人惊奇的是，这些细胞还具有自发发育成某些原始结构的趋势。如在一定的培养条件下，一部分胚胎干细胞会分化为胚状体（与小的跳动的心脏具有奇异的相似之处），而另一些细胞会发育成包含造血干细胞的卵黄囊。形成胚状体和卵黄囊的比例可通过改变培养基而改变，但至今还没有诱导胚胎干细胞发育为一纯的分化细胞群的报道。从理论上讲，小鼠胚胎干细胞具有发育成某一器官的能力，但还没有用干细胞体外培养成器官的报道。不过，如果将小鼠胚胎干细胞移植到重度复合免疫缺损小鼠（SCID，

它不会排斥移植的细胞）体内时，胚胎干细胞则能够发育成肌肉、软骨、骨骼、牙齿和毛发。但无论如何，如果直接将分离的小鼠胚胎干细胞植入子宫内，它们不会发育成个体小鼠，因为没有着床必需的滋养层细胞。这种条件下，胚胎干细胞被认为是多能的（pluripotent），而不是全能的（totipotent）。尽管如此，如果将胚胎

干细胞植入不能发育成个体的四倍体胚胎中，再将该胚胎植入小鼠子宫中，那么可以获得完全是由培养的胚胎干细胞产生的正常个体小鼠。这表明了胚胎干细胞具有难以置信的全能性。

成熟干细胞

如前所述，在某些成年组织中可以发现专能干细胞。实际上，在我们体内有些细胞会消耗掉，需要干细胞来补充细胞供应，例子之一便是前面提到的造血干细胞。专能干细胞尚未在所有成年组织中发现，但在该研究领域的发现正日益增多。例如，不久前人们还认为成年神经系统中没有干细胞，但近几年，人们却从大鼠和小鼠的神经系统中分离出神经干细胞。在这方面，对于人类的认识更为有限。已从人类的胎儿组织中分离出神经干细胞；另外，从手术治疗癫痫切除的成人脑组织中已分离出一种细胞，它可能是一种神经干细胞。

时至今日，只有少数证据表明，在哺乳动物中，如造血干细胞那样的专能干细胞能改变分化程序，生成皮肤细胞、肝细胞或非造血干细胞，甚至是某一特定的血细胞。但是，在动物实验中的发现促使科学家们开始探究这个观点。动物实验表明，参与某些特定细胞系发展的成熟干细胞能发育成其它类型的细胞。最近的小鼠实验表明，当神经干细胞置入骨髓时，它们可产生多种类型的血细胞。此外，大鼠实验显示，在骨髓中的干细胞能够形成肝细胞。 这些令人激动的发现说明，即使干细胞已经专门化，在某些条件下，他们有可能比人们最初所想像的更为变化多端。同时，成熟干细胞的多变性仅见于某些动物，且局限于为数不多的几种类型的组织。

人类成熟干细胞研究表明，这些专能干细胞在细胞疗法的研究和发展中具有极大的利用价值。例如，利用成熟干细胞进行移植有诸多优势。如果能从病人身上分离出成熟干细胞，诱使它们分化并指导它们进行特化发育，而后将它们移植回病人体内，这样的细胞不可能发生排斥现象。使用成熟干细胞进行这样的治疗，显然会降低、甚至避免使用来源于人体胚胎或人体胎儿的干细胞（这些来源往往会给人们带来伦理上的麻烦）。成熟干细胞显示出真正的希望，但仍有一些重要的因素限制了它们的利用。首先，人们尚未从承认体内的全部组织中分离出成熟干细胞。尽管多种不同类型的专能干细胞已得到确定，但所有类型细胞和组织

的成熟干细胞尚未在成人体内发现。例如，人们尚未发现人类的成熟心脏干细胞或成熟胰岛干细胞。 其次，成熟干细胞含量极微，很难分离和纯化，且数量随年龄增长而降低。比如，成人的脑细胞有可能是神经干细胞的情况，只是在移除癫痫患者的部分脑组织时才可见，而这一点价值甚微。如果尝试使用患者自身的干细胞进行治疗，那么首先必须从患者体内分离干细胞，并体外培养，只至有足够数量的细胞才可用于治疗。对于某些

急性病症，恐怕没有足够的时间进行培养。在另一些遗传缺陷疾病中，遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中，这样的干细胞不适于移植。有证据表明，成人身上获得的干细胞，可能没有年轻人的干细胞那样的增殖能力。此外，由于日常生活的暴露，包括日光、毒素、以及在一生中DNA复制过程中的某些错误，成熟干细胞可能包含更多的DNA异常。这些潜在的弱点将限制成熟干细胞的使用。在成熟干细胞上可能无法研究细胞特化的早期阶段，因为它们的特化性比多能干细胞强。此外，一个成熟干细胞系能形成几个，可能是3 或4个组织类型，但目前，还没有明显的证据表明成熟干细胞具有多能性，无论是人类还是动物。为了确定众多人体特化的细胞和组织的最佳来源，为新疗法乃至治愈方法服务，进行成熟干细胞发展潜能研究及其与多能干细胞的对比研究将是非常重要的。

干细胞的获得

目前，人类多能性干细胞系的建立有两个来源，其方法与以往在动物模型中建立的方法相同。

（1） 在Dr. Thomson进行的工作中，他从人类胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离多能干细胞。Dr. Thomson从IVF（体外受精）临床实验室得到胚胎，这些胚胎是不育症临床治疗不需要的，用于繁殖，而非研究目的。从捐献者夫妇处获得知情同意书后，Dr. Thomson分离了内细胞群，将这些细胞进行培养，产生一个多能性干细胞系。

（2） 与此相反，Dr. Gearheart从终止妊娠的胎儿组织中分离出多能性干细胞。捐献者自行决定了终止妊娠，从他们那儿获得了知情同意书后，Dr. Gearheart从原本要发育成睾丸或卵巢的胎儿部位取得细胞。尽管Dr. Thomson 实验室和Dr. Gearheart实验室使用的细胞系来源不同，但发育成熟的细胞看起来非常相似。

体细胞核转移（SCNT）是得到多能性干细胞的另一种途径。在SCNT的动物研究中，研究者将一个正常的动物卵细胞去除细胞核（含染色体的细胞结构）。存留在卵细胞内的物质含营养成分和对胚胎发育非常重要的能量物质。而后，在非常精细调控的实验室条件下，将单个体细胞——除卵细胞或精子细胞之外的任一种细胞——与除去核卵细胞放在一起，使两者相融合。融合细胞以及其子细胞具有发育成一个完整个体的潜能，因此是全能性的。正如图I所示，这些全能性细胞不久将形成胚囊，从理论上来说，可利用胚囊的内细胞群来建立多能性干细胞系。实际上，任何一种可生成人类胚囊细胞的方法都有可能成为人体多能性干细胞的来源。

干细胞的潜在应用

有诸多理由可说明多能干细胞对科学和人类健康的进展的重要性。最基本的，多能干细胞可以帮助我们理解人类发育过程中的复杂事件。该项工作的首要目标是，确定参与导致细胞特化的决定因素。虽然我们已知基因的启动和关闭是该进程的核心，但我们对这些“决定”基因以及使之启动或关闭的因素知之甚少。人类最严重的医学难题，如癌症和先天缺陷就是因异常的细胞特化和细胞分化所导致。如果能更好地了解正常细胞的分化发育过程，从而能更深刻地理解其中的基本错误，了解这些致死疾病的成因。

人体多能干细胞研究也能大大地改变研制药品和进行安全性实验的方法。例如，新的药物/治疗方法可以先用人类细胞系进行实验，如目前的癌细胞系就是为了这种实验而建立的。多能干细胞则使更多类型的细胞实验成为可能。这不会取代在整个动物和人体身上进行实验，但这会使药品研制的过程更为有效。只有当细胞系实验表明药品是安全的，并有好的效果时，才有资格在实验室进行动物和人体的进一步实验。

也许人体多能干细胞最为深远的潜在用途是生产细胞和组织，它们可用于所谓的“细胞疗法”。许多疾病及功能失调往往是由于细胞功能障碍或组织破坏所致。如今，一些捐赠的器官和组织常常用以取代生病的或遭破坏的组织。遗憾的是，受这些疾病折磨的病人数量远远超过了可供移植的器官数量。多能干细胞经刺激后可发展为特化的细胞，使替代细胞和组织来源的更新成为可能，从而可用于治疗无数的疾病、身体不适状况和残疾，包括帕金森氏病、Alzheimer’s病（痴呆症）、脊髓损伤、中风、烧伤、心脏病、糖尿病、骨关节炎和类风湿性关节炎。几乎没有一个医学领域是这项发明没有涉及到的，举其中两例说明如下：

１、 健康心肌细胞的移植可为慢性心脏病病人提供新的希望，这些病人的心脏已无法正常跳动。这种希望在于，从人体多能干细胞中发育出心肌细胞，并移植到逐渐衰退的心脏

肌肉，以便增加衰退的心脏功能。在小鼠和其它动物身上进行的初期工作已表明，植入心脏的健康心肌细胞成功地进驻心脏，并与宿主细胞一起工作。这些实验表明这种类型的移植是切实可行的。

２、 在许多患有I型糖尿病的人身上，特异的胰腺细胞，即胰岛细胞的生成胰岛素的功能遭到破坏。已有证据表明，移植完整的胰腺或分离的胰岛细胞可减少胰岛素的注射量。人体多能干细胞中分化胰岛细胞系可用于糖尿病研究，最终可用于移植。

虽然这项研究有着极为诱人的前景，要使其成为现实，尚有许多工作和技术挑战等着我们去解决。只有当这些问题解决之后，才能将这些发明用于临床实践。尽管技术挑战意义重大，却也不是难以超越的。

首先我们必须做些基础研究，以理解导致人体中细胞特化的细胞事件，从而能够指导这些多能干细胞发育成移植所需的特殊组织类型。

其次，在利用这些细胞进行移植之前，还必须克服免疫排斥问题。由于来自胚胎或胎儿组织的人体多能干细胞与移植受者在遗传上有差异，因此将来的研究将集中于改变人体多能干细胞，将组织不相容性降到最低，或是创建具有通用组织类型的组织库。

体细胞核转移（SCNT）方法是克服某些病人的组织不相容的另一方法。如，假如病人患有进行性心力衰竭，利用SCNT技术，从该病人身上的任何一个体细胞中取出细胞核，与捐献者的去核卵细胞相融合。经过适当的刺激，细胞发育为胚囊：从内细胞群中取得的细胞可建立多能性细胞系，随后诱导其分化为心肌细胞。由于绝大多数遗传信息包含在细胞核中，这些细胞与心力衰竭病人具相同的遗传性。当这些心肌细胞移植回病人身体时，不会出现排斥现象，病人也无须服用免疫抑制药物，而这些药物是有毒副作用的。

参考文献：

1、干细胞技术/裴雪涛主编.-北京：化学工业出版社，2002.01 19cm；169页

2、干细胞研究进展与未来/基尔希斯坦,斯基尔布尔(美)主编/陈英, 原林主译.-北京：人民卫生出版社，2003.02 312页：彩图；21cm

3、干细胞移植：机理与临床/霍(德)等编著/吴际 主译.-北京：科学出版社，2008.06 242页；26cm.-(现代生物技术前沿)

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5、干细胞生物学= Stem cell biology/马沙克(美),甘德(英),戈特利布(美)主编/刘景生，张均田等译.-北京：化学工业出版社：现代生物技术与医药科技出版中心，2004.02 469页, [8] 页图版：图；24cm

6、 干细胞理论与技术/王廷华等主编.-北京：科学出版社，2005.03 201页, 14页图版：图 (部分彩图)；26cm.-(21世纪生物技术丛书)

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