1 第十三章 干细胞

 干细胞的定义、特点、分类与应用  干细胞分离培养诱导分化

 细胞分化：同一来源的细胞，通过细胞分裂在细胞 间产生形态结构、生化特征和生理功能有稳定性差 异的过程。  细胞分化是个体发育中组织器官形成的基础，是发 育生物学的中心问题。

 在分化过程中，大部分细胞往往由于高度分化而完 全丧失了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发 展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未 分化的原始细胞，这种原始细胞称为干细胞。一旦 生理需要，这些干细胞可按照发育途径通过分裂而 产生分化细胞。

5 什么是干细胞？  干细胞是一类具有自我更新与分化潜能的细胞  能产生表现型和基因型与自己完全相同的子细胞， 同时还能分化为祖细胞。

自我更新：  自我更新是指干细胞具有分裂和自我复制能力  子代细胞维持干细胞的原始特征  子细胞的自我更新可通过对称分裂和不对称分裂 两种形式进行

 干细胞有对称与不对称两种分裂方式： 干细胞 对称分裂 干细胞 不对称分裂 分化细胞（祖细胞）

增殖：  增殖的缓慢性：一般情况下，干细胞处于休眠或缓慢 增殖状态。缓慢增殖还可以减少基因发生突变的可能 性。  增殖的自稳性：干细胞会自我更新维持自身数目的恒 定，主要是通过不对称分裂来实现。

干细胞的分类：  按照分化潜能的大小：单能干细胞、多能干细胞、 全能干细胞；  按照发育阶段：胚胎干细胞、成体干细胞

分化潜能：  单能干细胞  多能干细胞  全能干细胞

 单能干细胞是只能分化为单一类型细胞的干细胞。 例如表皮的基质细胞（即表皮干细胞）只能分化产 生角化表皮细胞

 多能干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但失 去了发育成完整个体的能力，发育潜能收到一定限 制。  例如：骨髓造血干细胞就是典型的多能干细胞，可 以分化成红细胞、巨噬细胞、粒细胞（中性、嗜碱 性、嗜酸性）、巨核细胞（发育成血小板）、淋巴 细胞（至少 6 种以上的淋巴细胞）等多种类型细胞。

 全能干细胞具有形成完整个体的分化潜能，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。 如胚胎干细胞

根据其发育阶段可分为两类：  胚胎干细胞：一种高度未分化细胞，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。  成体干细胞：分布在成体组织中尚未分化的、具 有自我更新、并能构建和补充相应组织的各种类 型细胞潜能的干细胞。

16 干细胞研究的历史   1981 年次由小鼠中分离得到鼠的胚胎干细胞。  分离得到人的胚胎干细胞（ 1998 ）  分离得到人的胚胎生殖细胞（ 1998 ）  目前不断报道成年组织来源的的干细胞

 1 ９６７年，美国华盛顿大学发表报告称，如果将正 常人的骨髓移植到病人体内，可以治疗造血功能障 碍。  １９９８年１１月，美国威斯康星大学的科学家在 美国《科学》杂志报告说，他们已成功地使人类胚 胎干细胞在体外生长和增殖。评述：这带动了世界 范围内的干细胞研究热潮。此项进展使科学家们看 到了干细胞生物工程的曙光：在体外培育所需的组 织细胞，取代病人体内的坏损组织细胞.

胚胎干细胞（ ESC ）  生物体个体发生的调控，也即单个受精卵细胞如何 可以如此精确地分化成各种完全不同的细胞、组织 和器官并最终发育成为一个完整的生物体，一直是 生命科学中的难解之谜。  与生命起源、意识产生 ( 即中枢神经系统的信息加工 ) 并列的生命科学的３大难题。

 受精卵在分裂期的早期，尚未植入子宫之前形成一 个称为囊胚的结构，它由大约１４０个左右的细胞 组成。

 囊胚的 “ 外壳 ” 为单层细胞组成的 “ 滋养层 ” ，与以后囊 胚植入子宫及胎盘形成有关；  囊胚内部的一端，有一个 “ 内细胞群 ” ，他们在胚胎 发育过程中，可以进一步分化为内胚层、中胚层和 外胚层，并最终分化为不同的组织、器官，成为一 个完整的人体。  将这种内细胞群取出，在体外进行培养，可以无限 增殖，并保持全能性。就成为 “ 胚胎干细胞 ” 。

胚胎干细胞的获取：  直接由动物体内获取囊胚再分离内细胞群，从而获 得 ES 细胞；  1995 年 J.A. 汤姆森等从恒河猴的囊胚中分离建立 了世界上第一株灵长类胚胎干细胞；  1998 年，他们从接受不孕症的夫妇所捐献的处于 囊胚阶段的早期胚胎中分离出人的胚胎干细胞。

 从从终止妊娠的胎儿组织中分离出胚胎干细胞  克隆技术  2001 年马萨诸赛州的科学家宣布, 他们将卵细胞 去核细胞核, 转入体细胞核，体外培养，获得高质 量的去透明带囊胚，由此囊胚进一步分离得到了 胚胎干细胞

胚胎干细胞的体外培养： 1 、 ESC 在体外需在饲养层细胞上培养才能维持其未分 化状态，一旦脱离饲养层就自发地进行分化。  饲养层细胞指一些特定细胞（如颗粒细胞、成纤维 细胞、输卵管上皮细胞等已在体外培养的细胞）， 经有丝分裂阻断剂（常用丝裂霉素）处理后所得的 细胞单层。它能分泌多种细胞因子, 促进 ESC 增殖并 阻止其分化，提供 ESC 生长的环境和信号。

2 、 ES 细胞可进行诱导分化 在特定的体外培养条件和诱导剂的作用下， ESC 可 分化成其它类型的细胞。 常用的诱导剂有：视黄酸（ RA ）、二甲基亚砜 （ DMSO ）

胚胎干细胞的应用：  生产克隆动物  用于组织器官移植：人 ES 细胞经过免疫排斥基因剔 除后，再定向诱导终末器官以避免不同个体间的移 植排斥；基因剔 除 可以将病人皮肤细胞核转至去核卵细胞中，再从囊 胚中获取胚胎干细胞，分化培养成所需要的组织、 器官，且没有免疫排斥。

 疾病治疗：任何涉及丧失正常细胞的疾病 ，都可以 通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异组织细胞来 治疗 。如用神经细胞治疗神经退行性疾病 ( 帕金森 病、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默病等 ) ，用胰岛细 胞治疗糖尿病 ，用心肌细胞修复坏死的心肌等

存在问题：  来源  培养困难  伦理问题

成体干细胞  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。

 机体的多种成熟分化的组织中普遍存在成体干细胞， 如造血干细胞、皮肤干细胞、间质干细胞、肌肉干 细胞，肝脏干细胞、神经干细胞等。

 成体干细胞含量极微，很难分离和纯化，且数量随 年龄增长而降低。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。  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。

干细胞生物工程  胚胎干细胞已经成为基因功能研究的有效手段  可从最根本上揭示人及动物发育过程中的决定基因  可作为评价新药及化学产品的毒性及效能的检测系 统  有可能成为今后细胞替代疗法和组织器官移植的最 佳来源

案例：  法国研究人员从两个严重免疫缺陷的婴儿的骨髓中 取出基因缺陷的干细胞，在 DNA 中加入一个拷贝的 正常基因，然后将干细胞注射回婴儿体内，结果提 高了它们的免疫力。

 Florida 大学的研究人员宣称他们用成体胰腺干细胞 逆转的小鼠的糖尿病。他们取出成体胰腺干细胞培 养，在培养基中干细胞形成了微小的有功能的器官， 即胰岛。再将这些细胞注射至糖尿病小鼠皮下。 7 － 10 天内，小鼠的血糖水平已经得到了控制。

 哈佛大学医学院在对小鼠的研究中发现，神经干细 胞能整体取代受损的脑组织。他们将新生小鼠的神 经干细胞移植入 “ 震颤 ” 小鼠脑部。神经干细胞能迁 移至整个脑部并修复受损组织。受治小鼠表现出震 颤减少。

干细胞的临床应用及其困难  有诸多理由可说明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

 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，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

 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。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。

存在困难：  胚胎干细胞极易分化为其他细胞，如何维持体外扩 增时不分化？  虽然在防止体外培养时干细胞分化方面已取得了 很大成绩，如在培养基中加入白血病抑制因子等 可抑制干细胞分化，但仍需进一步研究干细胞的 培养条件。

 分化细胞的增殖是个瓶颈问题  如何获得组织工程所需的种子细胞的数量很值得 研究；  而如何得到纯化的分化细胞也有很多工作要做。

 如何定向诱导干细胞分化？  细胞分化是多种细胞因子相互作用引起一系列复 杂的生理生化反应的过程，因而要诱导产生某种 特异类型的组织，需要了解各种因子在何时何地 开始作用，以及何时何地停止作用。

 由胚胎干细胞在体外发育成一完整的器官尤其是像 心、肝、肾、肺等大型精细复杂的器官这一目标还 需要技术上的突破。

 如何克服移植排斥反应  胚胎干细胞的安全性如何

干细胞应用的法律、伦理道德问题  尽管人类干细胞尤其是胚胎干细胞有着巨大的医学 应用潜力，但围绕该研究的伦理道德问题也随之出 现。  一是如何看待胚胎  胚胎干细胞研究的 “ 治疗性克隆 ” 是否必然滑向 “ 生殖 性克隆 ” 。

各国对于干细胞研究的态度  美国  2001 年，布什总统颁布了限制干细胞研究的政策。  2005 年 5 月 24 日，美国国会众议院以 238 票对 194 票通过 了 810 议案，拟推翻布什总统在 2001 年实施的限制人类胚 胎干细胞研究的政策，希望将人类胚胎干细胞研究列入 美国的研究日程。  2006 年 7 月 18 日，参议院在经过两天的辩论后以 63 票对 37 票通过了 810 议案，但是，就在参议院通过这项议案后 不到 24 小时，它就被布什总统否决了。 奥巴马政府支持人胚胎干细胞研究。

 欧盟  英国第一个将克隆研究合法化  德国方面，胚胎受到极为严格的法律保护。德国 1990 年通过的胚胎保护法规定生命从怀孕之时开 始，每一个受精卵都有生存的权利，由于干细胞 采集自存活的人体胚胎，因此 “ 克隆 ” 干细胞或为 采集干细胞而破坏胚胎在德国是非法的。因此德 国政府下令终止一切涉及人类胚胎组织，包括干 细胞在内的研究工作。

 小结