2022年干細胞的基礎(chǔ)知識

1、干細胞的根底知識 干細胞的根底知識干細胞的概念干細胞是一類具有自我更新和分化潛能的細胞。它包括胚胎干細胞和成體干細胞。干細胞的發(fā)育受多種內(nèi)在機制和微環(huán)境因素的影響。目前人類胚胎干細胞已可成功地在體外培養(yǎng)。最新研究發(fā)現(xiàn)，成體干細胞可以橫向分化為其他類型的細胞和組織，為干細胞的廣泛應(yīng)用提供了根底。在胚胎的發(fā)生發(fā)育中，單個受精卵可以分裂發(fā)育為多細胞的組織或器官。在成年動物中，正常的生理代謝或病理損傷也會引起組織或器官的修復(fù)再生。胚胎的分化形成和成年組織的再生是干細胞進一步分化的結(jié)果。胚胎干細胞是全能的，具有分化為幾乎全部組織和器官的能力。而成年組織或器官內(nèi)的干細胞一般認為具有組織特異性，只能分化成特

2、定的細胞或組織。然而，這個觀點目前受到了挑戰(zhàn)。最新的研究說明，組織特異性干細胞同樣具有分化成其他細胞或組織的潛能，這為干細胞的應(yīng)用開創(chuàng)了更廣泛的空間。干細胞具有自我更新能力Self-renewing，能夠產(chǎn)生高度分化的功能細胞。干細胞按照生存階段分為胚胎干細胞和成體干細胞。 1.1 胚胎干細胞胚胎干細胞Embryonic Stem cell, ES細胞當受精卵分裂發(fā)育成囊胚時，內(nèi)層細胞團Inner Cell Mass的細胞即為胚胎干細胞。胚胎干細胞具有全能性，可以自我更新并具有分化為體內(nèi)所有組織的能力。早在1970年Martin Evans已從小鼠中別離出胚胎干細胞并在體外進展培養(yǎng)。而人的胚胎

3、干細胞的體外培養(yǎng)直到最近才獲得成功。進一步說，胚胎干細胞ES細胞是一種高度未分化細胞。它具有發(fā)育的全能性，能分化出成體動物的所有組織和器官，包括生殖細胞。研究和利用ES細胞是當前生物工程領(lǐng)域的核心問題之一。ES細胞的研究可追溯到上世紀五十年代，由于畸胎瘤干細胞EC細胞的發(fā)現(xiàn)開場了ES細胞的生物學研究歷程。目前許多研究工作都是以小鼠ES細胞為研究對象展開的，如：德美醫(yī)學小組在去年成功的向試驗鼠體內(nèi)移植了由ES細胞培養(yǎng)出的神經(jīng)膠質(zhì)細胞。此后，密蘇里的研究人員通過鼠胚細胞移植技術(shù)，使癱瘓的貓恢復(fù)了局部肢體活動能力。隨著ES細胞的研究日益深入，生命科學家對人類ES細胞的了解邁入了一個新的階段。在98年

4、末，兩個研究小組成功的培養(yǎng)出人類ES細胞，保持了ES細胞分化為各種體細胞的全能性。這樣就使科學家利用人類ES細胞治療各種疾病成為可能。然而，人類ES 細胞的研究工作引起了全世界范圍內(nèi)的很大爭議，出于社會倫理學方面的原因，有些國家甚至明令制止進展人類ES細胞研究。無論從根底研究角度來講還是從臨床應(yīng)用方面來看，人類ES細胞帶給人類的益處遠遠大于在倫理方面可能造成的負面影響，因此要求展開人類ES細胞研究的呼聲也一浪高似一浪。1.2 成體干細胞成年動物的許多組織和器官，比方表皮和造血系統(tǒng)，具有修復(fù)和再生的能力。成體干細胞在其中起著關(guān)鍵的作用。在特定條件下，成體干細胞或者產(chǎn)生新的干細胞，或者按一定的程序

5、分化，形成新的功能細胞，從而使組織和器官保持生長和衰退的動態(tài)平衡。過去認為成體干細胞主要包括上皮干細胞和造血干細胞。最近研究說明，以往認為不能再生的神經(jīng)組織仍然包含神經(jīng)干細胞,說明成體干細胞普遍存在，問題是如何尋找和別離各種組織特異性干細胞。成體干細胞經(jīng)常位于特定的微環(huán)境中。微環(huán)境中的間質(zhì)細胞能夠產(chǎn)生一系列生長因子或配體，與干細胞相互作用，控制干細胞的更新和分化。1.3 造血干細胞造血干細胞是體內(nèi)各種血細胞的唯一來源，它主要存在于骨髓、外周血、臍帶血中。今年年初，協(xié)和醫(yī)大血液學研究所的龐文新又在肌肉組織中發(fā)現(xiàn)了具有造血潛能的干細胞。造血干細胞的移植是治療血液系統(tǒng)疾病、先天性遺傳疾病以及多發(fā)性和

6、轉(zhuǎn)移性惡性腫瘤疾病的最有效方法。在臨床治療中，造血干細胞應(yīng)用較早，在20世紀五十年代，臨床上就開場應(yīng)用骨髓移植BMT方法來治療血液系統(tǒng)疾病。到八十年代末，外周血干細胞移植PBSCT技術(shù)逐漸推廣開來，絕大多數(shù)為自體外周血干細胞移植APBSCT，在提高治療有效率和縮短療程方面優(yōu)于常規(guī)治療，且效果令人滿意。與兩者相比，臍血干細胞移植的長處在于無來源的限制，對HLA配型要求不高，不易受病毒或腫瘤的污染。在今年初，東北地區(qū)首例臍血干細胞移植成功，又為中國造血干細胞移植技術(shù)注入新的活力。隨著臍血干細胞移植技術(shù)的不斷完善，它可能會代替目前APBSCT的地位，為全世界更多的血液病及惡性腫瘤的患者帶來福音1.4

7、 神經(jīng)干細胞 關(guān)于神經(jīng)干細胞研究起步較晚，由于別離神經(jīng)干細胞所需的胎兒腦組織較難取材，加之胚胎細胞研究的爭議尚未平息，神經(jīng)干細胞的研究仍處于初級階段。理論上講，任何一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病都可歸結(jié)為神經(jīng)干細胞功能的紊亂。腦和脊髓由于血腦屏障的存在使之在干細胞移植到中樞神經(jīng)系統(tǒng)后不會產(chǎn)生免疫排斥反響，如：給帕金森氏綜合癥患者的腦內(nèi)移植含有多巴胺生成細胞的神經(jīng)干細胞，可治愈局部患者病癥。除此之外，神經(jīng)干細胞的功能還可延伸到藥物檢測方面，對判斷藥物有效性、毒性有一定的作用。 實際上，到目前為止，人們對干細胞的了解仍存在許多盲區(qū)。2000年年初美國研究人員無意中發(fā)現(xiàn)在胰腺中存有干細胞；加拿大研究人員在人、

8、鼠、牛的視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)了始終處于“休眠狀態(tài)的干細胞 ；有些科學家證實骨髓干細胞可發(fā)育成肝細胞，腦干細胞可發(fā)育成血細胞。隨著干細胞研究領(lǐng)域向深度和廣度不斷擴展，人們對干細胞的了解也將更加全面。21世紀是生命科學的時代，也是為人類的安康長壽創(chuàng)造世界奇跡的時代，干細胞的應(yīng)用將有廣闊前景。干細胞應(yīng)用的根底調(diào)控干細胞的調(diào)控是指給出適當?shù)囊蜃訔l件，對干細胞的增值和分化進展調(diào)控，使之向指定的方向開展。2.1 內(nèi)源性調(diào)控干細胞自身有許多調(diào)控因子可對外界信號起反響從而調(diào)節(jié)其增殖和分化，包括調(diào)節(jié)細胞不對稱分裂的蛋白，控制基因表達的核因子等。另外，干細胞在終末分化之前所進展的分裂次數(shù)也受到細胞內(nèi)調(diào)控因子的制約。1細胞

9、內(nèi)蛋白對干細胞分裂的調(diào)控干細胞分裂可能產(chǎn)生新的干細胞或分化的功能細胞。這種分化的不對稱是由于細胞本身成分的不均等分配和周圍環(huán)境的作用造成的。細胞的構(gòu)造蛋白，特別是細胞骨架成分對細胞的發(fā)育非常重要。如在果蠅卵巢中，調(diào)控干細胞不對稱分裂的是一種稱為收縮體的細胞器，包含有許多調(diào)節(jié)蛋白，如膜收縮蛋白和細胞周期素A。收縮體與紡錘體的結(jié)合決定了干細胞分裂的部位，從而把維持干細胞性狀所必需的成分保存在子代干細胞中。2轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控在脊椎動物中，轉(zhuǎn)錄因子對干細胞分化的調(diào)節(jié)非常重要。比方在胚胎干細胞的發(fā)生中，轉(zhuǎn)錄因子Oct4是必需的。Oct4是一種哺乳動物早期胚胎細胞表達的轉(zhuǎn)錄因子，它誘導(dǎo)表達的靶基因產(chǎn)物是FG

10、F-4等生長因子，能夠通過生長因子的旁分泌作用調(diào)節(jié)干細胞以及周圍滋養(yǎng)層的進一步分化。Oct4缺失突變的胚胎只能發(fā)育到囊胚期，其內(nèi)部細胞不能發(fā)育成內(nèi)層細胞團 1。另外白血病抑制因子LIF對培養(yǎng)的小鼠ES細胞的自我更新有促進作用，而對人的成體干細胞無作用，說明不同種屬間的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是不完全一致的。又如Tcf/Lef轉(zhuǎn)錄因子家族對上皮干細胞的分化非常重要。Tcf/Lef是Wnt信號通路的中間介質(zhì)，當與-Catenin形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物后，促使角質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化為多能狀態(tài)并分化為毛囊。干細胞應(yīng)用的根底調(diào)控干細胞的調(diào)控是指給出適當?shù)囊蜃訔l件，對干細胞的增值和分化進展調(diào)控，使之向指定的方向開展。2.2 外源性調(diào)控除內(nèi)

11、源性調(diào)控外，干細胞的分化還可受到其周圍組織及細胞外基質(zhì)等外源性因素的影響。1分泌因子間質(zhì)細胞能夠分泌許多因子，維持干細胞的增殖，分化和存活。有兩類因子在不同組織甚至不同種屬中都發(fā)揮重要作用，它們是TGF家族和Wnt信號通路。比方TGF家族中至少有兩個成員能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)嵴干細胞的分化。最近研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)細胞衍生的神經(jīng)營養(yǎng)因子GDNF不僅能夠促進多種神經(jīng)元的存活和分化，還對精原細胞的再生和分化有決定作用。GDNF缺失的小鼠表現(xiàn)為干細胞數(shù)量的減少，而GDNF的過度表達導(dǎo)致未分化的精原細胞的累積3。Wnts的作用機制是通過阻止-Catenin分解從而激活Tcf/Lef介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄，促進干細胞的分化。比方在

12、線蟲卵裂球的分裂中，鄰近細胞誘導(dǎo)的Wnt信號通路能夠控制紡錘體的起始點和內(nèi)胚層的分化。2膜蛋白介導(dǎo)的細胞間的相互作用有些信號是通過細胞-細胞的直接接觸起作用的。-Catenin就是一種介導(dǎo)細胞粘附連接的構(gòu)造成分。除此之外，穿膜蛋白Notch及其配體Delta或Jagged也對干細胞分化有重要影響。在果蠅的感覺器官前體細胞，脊椎動物的胚胎及成年組織包括視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮、骨骼肌和血液系統(tǒng)中，Notch信號都起著非常重要的作用。當Notch與其配體結(jié)合時，干細胞進展非分化性增殖；當Notch活性被抑制時，干細胞進入分化程序，發(fā)育為功能細胞4。3整合素Integrin與細胞外基質(zhì)整合素家族是介導(dǎo)干細胞與

13、細胞外基質(zhì)粘附的最主要的分子。整合素與其配體的相互作用為干細胞的非分化增殖提供了適當?shù)奈h(huán)境。比方當1整合素喪失功能時，上皮干細胞逃脫了微環(huán)境的制約，分化成角質(zhì)細胞。此外細胞外基質(zhì)通過調(diào)節(jié)1整合素的表達和激活，從而影響干細胞的分布和分化方向。2.3 干細胞的可塑性越來越多的證據(jù)說明，當成體干細胞被移植入受體中，它們表現(xiàn)出很強的可塑性。通常情況下，供體的干細胞在受體中分化為與其組織來源一致的細胞。而在某些情況下干細胞的分化并不遵循這種規(guī)律。1999年Goodell等人別離出小鼠的肌肉干細胞，體外培養(yǎng)5天后，與少量的骨髓間質(zhì)細胞一起移植入承受致死量輻射的小鼠中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌肉干細胞會分化為各種血細胞

14、系。這種現(xiàn)象被稱為干細胞的橫向分化trans-differentiation5。關(guān)于橫向分化的調(diào)控機制目前還不清楚。大多數(shù)觀點認為干細胞的分化與微環(huán)境密切相關(guān)。可能的機制是，干細胞進入新的微環(huán)境后，對分化信號的反響受到周圍正在進展分化的細胞的影響，從而對新的微環(huán)境中的調(diào)節(jié)信號做出反響。干細胞應(yīng)用平臺技術(shù)3.1 技術(shù)原理在細胞的分化過程中，細胞往往由于高度分化而完全失去了再分裂的能力，最終衰老死亡。機體在開展適應(yīng)過程中為了禰補這一缺乏，保存了一局部未分化的原始細胞，稱之為干細胞stem cell。一旦生理需要，這些干細胞可按照發(fā)育途徑通過分裂而產(chǎn)生分化細胞，也可以這樣說，這些干細胞充當了分化細胞預(yù)備隊的角色。在動物體中，多數(shù)組織含有干細胞，甚至在進化的早期，最初級的后生動物-海綿也含有稱之為始祖母細胞的干細胞。干細胞有以下特點：1干細胞本身不是處于分化途徑的終端。2干細胞能無限的增殖分裂。3干細胞可連續(xù)分裂幾代，也可在較長時間內(nèi)處于靜止狀態(tài)。4干細胞通過兩種方式生長，一種是對稱分裂形成兩個一樣的干細胞，另一種是非對稱分裂由于細胞質(zhì)中的調(diào)節(jié)分化蛋白不均勻地分配，使得一個子細胞不可逆的走向分化的終端成為功能專一的分化細胞；另一個保持親代的特征，仍作為干細胞保存下來。分化細胞的數(shù)目受分化