干细胞研究进展

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在美国《科学》杂志评选出的1999年世界十大科技成果中，干细胞的研究与应用名列榜首。科学家发现，取自人胚胎或骨髓的干细胞可用于培育不同的人体细胞、组织或器官，这有望成为移植器官的新来源。组织器官移植有可能成为21世纪人类攻克某些重大疾患（如心脑血管疾病、癌症、老年性疾病等）的根本措施。如果这种移植手段被人们普遍接受的话，有朝一日，干细胞将能用来治疗各种人类的疾病，包括神细损伤、心脏病、肝脏病等。
   干细胞是具有自我更新，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护自身细胞群的大小，同时又可以进一步分化成为各种不同的组织细胞，从而构成机体各种复杂的组织器官，如造血干细胞、神经干细胞、皮肤干细胞、肠上皮干细胞、间充质干细胞和胚胎干细胞等。随着干细胞技术的发展以及干细胞本身所具有的特性，使得人类有可能在体外培养某些干细胞，定向诱导分化为我们所需要的各种组织细胞以供临床所需。以此为目的的干细胞工程学几乎涉及人体所有的重要组织和器官，也涉及人类面临的大多数医药费这难题，如心血管疾病，如心血管疾病、自身免疫性疾病，糖尿病、骨质疏松、恶性肿瘤，肌肉，骨及软骨缺损，老年性疾呆，帕金森病、严重烧伤、脊髓损伤和遗传性缺陷等疾病的治疗。美国\"患者紧急调研机构\"（PCUR）的调查表明：上述相关疾病中，直接受益于干细胞研究与应用，并有望治愈的患者达1.28亿人（见下表1）。而我国的患者人数远远超过这个数字。干细胞工程除了将成为今后细胞治疗、组织器官移植和基因治疗的主角外，还将成都为发现新基因和基因功能研究，动植物发育与品种改造研究、新药开发研究、新药及化学产品的毒性、效能、致畸、致瘤作用的评价等的有效手段和主要模型。因此，干细胞工程具有极其重要的理论意义和巨大的社会需求与市场价值。目前，这一领域的研究与开发受到欧，美、日等发达国家及我国政府与医疗卫生部门的高度重视，在世界范围内投入的人力和经费正在迅猛增加，也正在吸引更多的科研究机构和生物医学高技术企业参与研究与开发。

   表1通过干细胞研究与应用有望治愈的疾病及人数
   （美国华盛顿PCUR， 中国的病例数远远超过此表所列数字）

疾病种类       受累人数（百万）   疾病种类    受累人数（百万）
心血管疾病     58                 老年性痴呆  4
自身免疫性疾病 30                 帕金森病    1. 5
糖尿病         16                 严重烧伤    2. 0.3
骨质疏松       10                 脊髓损伤    3. 0.25
癌症           8.2                先天性缺陷  4. 0.15
共计           5. 128.4

   灵长类动物每一独特的生命个体都是由受精卵细胞发育而来，即受精卵是所有体细胞的源泉。鉴于此，一些重大医学研究都涉及一个共同话题：个体发育之初是否蕴藏着可为人类利用的资源？回答是肯定的。胚胎干细胞（ES细胞）的研究是一个十分诱人的领域，小鼠模型积累的大量经验，使灵长类动物（如人类）胚胎干细胞的研究思路逐渐清晰：人的石油胎干细胞可建系，建系后能定向诱导分化，分化前，后的细胞能为人类所利用（图1）。1998年，Thomson借助Gardner发明的G1.2培养基，解决了早期胚胎对输卵管环境的依赖性问题，从而将新鲜或冰冻的人体外受粗卵由4-8细胞阶段培养至囊胚期，分离内细胞团细胞后逐渐传代建系为ES细胞系；同期，Gearheart从人原始生殖细胞中建立了与ES细胞功能相似的多能干细胞生活费--胚胎生殖细胞系（EG细胞）。这两个实验小组的结果在《科学》和PNAS上一经刊出，立即引起了研究者们的极大兴趣，目前，欧，美，日等发达国家投入了巨大的人力和经费，加紧进行研究与开发，并在部分领域取得了明显的进展。ES细胞具有胚胎发育的全能性，在特定条件下能够向三个胚层（内、中、外胚层）的组织和细胞分化。因此，ES细胞是哺乳支物胚胎发育、分化与遗传等研究的理想模型，并可从根本上揭示人及动物发育过程中的决定基因。ES细胞具有种系传递的功能，即若将ES细胞在体外注射至另一囊胚内，使之与受体囊胚相混合，再植入受体子宫，参与体内胚胎发育，可获得嵌合体或嵌合动物。利用这一特性，结合核移植，外源DNA导入等技术，可以克隆出大量高产优质的转基因动物。ES细胞可在体外进行遗传操作，如：体外导入报告基因，标志基因或异源性基因；额外加入原有基因使之表达或过表达；通过质粒DNA与染色体上有关基因序列发生同源重组，剔除该基因或诱导某个基因的突变等，已经成为发现新基因和基因功能研究的有效手段。
   此外，科学家们还从动物和人体许多组织器官中分离出多种干细胞，某些干细胞具有更广泛的分化潜能?quot;可塑性\"，即不同的干细胞间可以发生分化\"命运\"的转变。其中骨髓来源的干细胞最为人们所关注，已成为继胚胎干细胞后新的研究热点。目前的动物实验已证实，骨髓中除造血胞外还存在着具有多向分化潜能的干细胞，这种于细胞移植人体内后可分化为骨、软骨、肌肉、韧带、脂肪、血管骨皮，肝脏、神经、皮肤等多种组织细胞，因此被誉为\"万能细胞\"。Eglitis等将小鼠骨髓细胞移植到另一小鼠体内，发现其中一些骨髓细胞转化成中枢神经系统的小胶质细胞和星形胶质细胞；此后，Petersen等将雄性小鼠骨髓细胞移植到受照雌性小鼠体内，在受鼠肝内发现供鼠来源的肝卵圆细胞；Ferrari等将标记的小鼠骨髓细胞移植给肌肉损伤小鼠，结果发现再生的肌肉细胞为供鼠来源；Jackson等将成年小鼠肌细胞和骨髓细胞同时移植给受照小鼠，重建的造血细胞有肌细胞来源，将重建造血小鼠的骨髓再次移植给受照成年小鼠，重建的造血细胞仍有最初供鼠的来源；Shi和Raffii等将人骨髓和脐带血中的造血干细胞在体外诱导分化后可形成血管内皮细胞，这一现象在骨髓移植的狗体内也得到了证实，提示骨髓内存在着内皮系的祖细胞，或者造血细胞与血管骨皮细胞同源；哈佛大学发育生物学家Dowin将正常情况下能分化为肌纤维和其他间充质的骨髓基质细胞移植到小鼠脑内，也观察到基质细胞向胶质细胞的转化；Bjornson将鼠的神经干细胞移植到经放射线照射的小鼠体内后转化成了血液细胞；最近，日本的科学家从骨髓细胞培养出皮肤细胞用于烧伤后的皮肤再生。这些研究结果提示；成年动物体内存在多向分化    潜能的干细胞，且不同胚层起源的干细胞在一定条件下可相互转化，这种来源的干细胞在体外可诱导分化为许多重要的组织细胞，而又完全是自身的遗传背景，不受细胞来源和移植免疫或排斥的限制，也无伦理学方面的困扰，更易于临床应用，这为组织缺损、功能障碍、遗传缺陷等的细胞替代治疗提供了全新的细胞来源和技术方法。
   总之，干细胞工程的研究与应用几乎涉及了所有的生命科学和生物医药学领域，并将在细胞治疗、组织器官移植，基因治疗、新基因发掘与基因功能分析，发育生物学模型、机关报药开发与药效，毒性评估等领域产生极其重要的影响。