第二十四章干细胞 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握干细胞的概念和基本特性。 熟悉干细胞的分类及其特点。 了解干细胞临床应用及与医学的关系。 干细胞(stem cl)即为起源细胞，它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，是在生物个体发育过程中存在于各种组织中的未成熟的或未分化的原始细胞。干细胞是调节个体 的生长发有，组织器官结构和功能的动态平衡，以及组织器官损伤后的修复再生等生命现象的细胞基 础。干细胞可分为胚胎干细胞和成体干细胞。 第一节干细胞的基本概念 干细胞是一类原始且未特化的多潜能细胞，具有自我复制的能力。在一定条件下，它可以分化成多 种功能细胞。在个体发育中，人类或哺乳动物所有的组织或器官中都有干细胞存在。虽然存在于不同 组织器官中的干细胞其生物学特性差异较大，但这些干细胞都具有自我更新的能力和分化产生特定功 能细胞的潜能，而且也都承担着调节相应组织器官结构和功能的动态平衡的作用。因此，认识它们的基 本特征，有助于了解各种干细胞在所在组织中的功能行为及其调控机制。 “stem c©”一词，早在1896年就首次出现在美国生物学家Wilson的一篇关于蠕虫发有的研究论文 中，用来描述存在于寄生虫生殖系的祖细胞（具有产生子代细胞的能力）。然而，直到最近的半个多世 纪，干细胞研究才得以迅猛发展。1998年，美国威斯康星大学Thomson等分离人的内细胞团细胞并成 功建立了人的胚胎干细胞系。与此同时，美国约翰·霍普金斯大学Gearhart等从人的原始生殖细胞中 建立了胚胎生殖细胞系。随后，以色列、澳大利亚、日本、新加坡等国家的科学家先后从体外受精卵建立 了人胚胎干细胞系，并诱导胚胎干细胞分化为神经细胞、造血细胞、肌肉细胞、胰岛细胞等，使得胚胎干 细胞的研究更加令人关注，并带动了世界范围内的干细胞研究热潮。这些研究也让人们看到干细胞生 物工程的曙光：可以在体外培育所需的细胞、组织甚至是器官，用来修复患者体内损伤的组织器官。 2006年，日本科学家Shinya Yamanaka通过逆转录病毒携带四种转录因子0ct3/4、Sox2、KI件和 c-Myc,将成纤维细胞重编程为胚胎干细胞样细胞，即诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cell,iPS cell)。2007年，Yamanaka和美国科学家Thomson几乎同时报道，利用Ps技术同样可以诱导人皮肤成 纤维细胞去分化为几乎与人胚胎干细胞完全一样的多能干细胞。所不同的是Yamanaka依然采用逆转 录病毒引入Oct4,Sox2、c-Mye和K4四种因子组合，而Thomson采用慢病毒载体引人0ct4,Sox2、Nanog 534
第二十四章干细胞人 和Lin28四种因子组合。这两项研究成果，分别被Science和Nature杂志列为2007年十大科技进展中的 第一位和第二位。日本科学家Yamanaka也因在细胞重编程研究领域的开创性贡献，获得2012年诺贝 尔生理学或医学奖。2008年，哈佛大学的Dal©y利用PS技术，将来源于10种不同遗传病患者的皮肤 细胞重编程为S细胞。后续的研究进一步证实，这些建立的S细胞具有向内、中、外三个胚层分化的 能力，并可以进一步分化为特定的细胞系，这些S细胞将在疾病模型、药物筛选及细胞治疗等研究方 面发挥重要作用。 一、千细胞的分类 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)。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(pluri- potent stem cel)和单能干细胞(unipoter nce)(专能干细胞)。干细胞(stem cell)是一种未充分分 化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。全能干细 胞：具有能够发育成为各种组织器官的完整个体潜能的细胞。全能干细胞是指受精卵到卵裂期8细胞 前的所有细胞。胚胎干细胞在进一步的分化中，可形成各种组织干细胞，又称多能干细胞，它具有分化 出多种细胞组织的潜能，但不能发育成完整的个体。多能干细胞取自囊胚，原肠胚期。多能干细胞进 步分化，可形成专能干细胞，专能干细胞只能分化成某一类型的细胞。原肠胚以后的干细胞只能是专能 干细胞了，如某些肝脏细胞，骨随造血千细胞。所以脐带或者成人骨髓中的都已经是专能干细胞了，即 纯体外培养只能分裂分化出特定的组织细胞，如骨髓只能分裂出各种血细胞。 胚胎干细胞(embryonic stem cell,S细胞)是一种高度未分化细胞，早期胚胎（原肠胚期之前）或原 始性腺中分离出来的一类细胞，它具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。无论在体外还 是体内环境，S细胞都能被诱导分化为机体几乎所有的细胞类型，包括生殖细胞 成体干细胞(somatic stem cell)是指存在于一种已经分化组织中的未分化细胞.这种细胞能够自我 更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。然而，这个观点目前受到了挑战，最新的研究表明，组 织特异性干细胞同样具有分化成其他细胞或组织的潜能，这为干细胞的应用开创了更广泛的空间。成 体干细胞存在于机体的各种组织器官中。成年个体组织中的成体干细胞在正常情祝下大多处于休眠状 态，在病理状态或在外因诱导下可以表现出不同程度的再生和更新能力。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。 诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,.iPS cells),是指通过基因转染技术将某些转录因子 导人动物或人的体细胞，使体细胞直接重构成为胚胎干细胞细胞样的多潜能细胞。 二、干细胞的形态、生化和增殖，分化特征 (一】干细胞的形态特征 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，核质比例相对较大，核仁明显，细服 核多为常染色质，细胞质中各种细胞器（如内质网、高尔基复合体及线粒体等）不发达等等。 (二)干细胞的生化特征 在目前的研究中，干细胞的生化特性常被作为鉴定干细胞在组织中存在和评价其分化程度的标志 干细胞都具有较高的端粒酶活性，不同的干细胞具有不同的生化标志。例如，nsin为神经干细胞的标 志分子；角蛋白15是确定毛囊中表皮干细胞的标志分子：CD34是造血干细胞的标志分子；人胚胎干细 胞表达阶段特异性胚胎抗原((stage-specific embryonic antigens,SSEA-3和SSEA-4)及Nanog,具有碱性 酸酶活性等。但是，不能仅仅根据细胞的形态和表面抗原来鉴定干细胞，具有增殖和自我更新能力以及 在适当条件下表现出一定的分化潜能才是干细胞的本质特征。干细胞的生化特性还与其分化程度有 535
第五篇细胞分裂增殖与生长发育 关。例如，造血干细胞的端粒酶(telomerase)活性很高（可达到造血系统肿瘤细胞的端粒酶活性水平） 但当它分化为前体细胞后，其瑞粒酶活性便随之降低。 (三)干细胞的增殖特性 1.干细胞增殖的缓慢性 当干细胞进入分化程序后，首先经过一个短暂的增殖期，产生过渡放大 细胞(transit amplifying cell)。过渡放大细胞经若干次分裂后，便可产生分化细胞。过渡放大细胞的生 物学意义在于它可以减少干细胞的分裂次数，而产生较多的分化细胞。细胞动力学研究表明，干细胞本 身的增殖速率通常是很慢的，而组织中的那些过渡细胞的分裂速度则相对较快。如小肠干细胞较其过 渡细胞的分裂速度大约慢一倍。目前认为，这种缓慢增殖的特性有利于干细胞对特定的外界信号做出 反应，以决定细胞是进入增殖状态或是进入特定的分化程序。这种缓慢增殖的特性还可以减少基因突 变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误。 2.干细胞增殖的自稳定性 自稳定性(self-maintenance)是指干细胞具有自我更新(self-renewing 并维特其自身数目恒定的特性，它是干细胞的基本特征之一。当干细胞发生分裂后，如果所产生的两个 子代细胞都是干细胞或都是分化细胞，这种分裂方式称为对称分裂(y v击rision):加果产生一个 干细胞和一个分化细胞，则称之为不对称分裂(asymmetry division)。对无脊椎动物而言，不对称分裂是 干细胞维持自身数目恒定的基本方式，但对哺乳动物而言，却并非如此简单，在大多数哺乳动物的可自 我更新的组织中，干细胞分裂产生的两个子细胞既可能是两个干细胞，也可能是两个特定分化细胞，因 此哺乳动物的单个干细胞通常是讲行对称分裂。但平均而言，每一个干细胞可以产生一个子代干细胞 和一个特定分化细胞。因此，哺乳动物的干细胞是种群（而不是单个干细胞）意义上的不对称分裂，称 之为种群不对称分裂(populational asymmet女y division)(图24-l)。 ）多能干细胞 干细 前体细 自我更新 分化 分化的 图241干细胞的不对称分裂和分化示意图 (四)干细胞的分化特性 1.干细胞具有分化为一种以上特定功能细胞的潜能具有分化为特定功能细胞的能力是干细 的另一个本质特征。如上所述，处于不同发育阶段的干细胞其分化潜能各不相同。例如，受精卵是全能 干细胞，具有形成一个完整个体的能力：囊胚中的内细胞团细胞是多能干细胞，能产生个体中任何一种 组织细胞的潜能，但不能产生胎盘和其他一些发育时所必需的支持组织：存在于胚胎各组织器官原基中 的干细胞或成熟个体组织器官中的成体干细胞属于单能干细胞，其分化潜能进一步受到限制，通常只能 分化为参与其相应组织器官组成的细胞。 2.干细胞的分化具有一定的可塑性曾经认为成体干细胞只能向一种类型或与之密切相关的细 胞分化。然而，越来越多的证据已经表明，成体干细胞具有一定的可塑性，在适当的条件下可以表现出 536
第二十四章于绵渔 更广泛的分化能力，甚至实现跨胚层的分化，这从根本上打破了传统的胚层限制的观点。因此，干细 胞分化的可塑性，是指干细胞在适当的条件下发生转决定(transdetermination)的现象，从一种组织类 型中的干细胞分化为另一种组织类型的细胞（图24-2）。1997年，Egs等将来自成年雄性小鼠的造 血干细胞移植到亚致死剂量照射的雌性小鼠体内，三天后在雕鼠脑组织的神经胶质细胞中检测到Y 染色体的存在，说明成年动物的造血干细胞可分化为脑组织中的神经胶质细胞。随后，类似的发现 还包括造血干细胞分化形成肌细胞或肝细胞，等等。由于转决定特性在细胞治疗方面的潜在应用价 值，可塑性研究成为干细胞研究领域的热点。随着成体干细胞研究的深人，研究者观察到成体干细 自然杀伤细胞● 的防细 心肌细 。神经元 神经胶质细胞 图242成体干细胞的分化(A)及可塑性(B) 537
】第五分与生长发有 胞可以突破其“发育限制性”，跨系，甚至跨胚层分化为其他类型组织细胞。例如，骨髓来源的干细胞 在特定环境中可向肝脏、胰腺、肌肉及神经细胞分化：肌肉、神经干细胞也可向造血细胞分化。人们 称这种现象为“干细胞的可塑性”。成体干细胞的这种特性为其在多种难治性、终末期疾病的治疗中 应用带来希望。 第二节胚胎干细胞 胚胎干细胞(embryonie stem cell,ES细胞)。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(ES细胞)是一种高度未分化细胞。它具有发有 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S细胞是当前生物工程 领域的核心问题之 一。ES细胞的研究可追湖到20世纪50年代，由于畸胎瘤干细胞(EC细胞)的发现 开始了ES细胞的生物学研究历程。1981年，Evas首次分离并成功培养小鼠ES细胞，奠定了胚胎干细 胞体外研究的技术基础。随后，陆续有猪、牛，绵羊、仓鼠、鸡、斑马鱼、恒河猴等脊椎动物的胚胎干细胞 得以成功分离和培养。1998年，Thomson从体外受精获得的人囊胚内细胞团中，分离培养人胚胎干细胞 获得成功，为胚胎干细胞走向临床应用奠定了基础。 一、胚胎干细胞简介 胚胎干细胞通常是指存在于囊胚期胚胎中的内细胞团细胞。在囊胚后续的发育过程中，有些类型 的细胞在特定的条件下也可表现出类似于ES细胞的特性，即自我更新能力和多能性分化潜能等。1998 年，美国约翰·蛋普金斯大学Gearhart从5~9周龄的流产胎儿的生殖蝽中分离培养了这种细胞，并在 体外证明了它与来自于内细胞团的S细胞的具有相似的生物学特性。另外，小鼠的卵黄囊细胞在一定 的诱导条件下也可以表现出类似地多向分化潜能。胚胎干细胞的来源一般有5方面：①囊胚的内细胞 团细胞；②胚胎生殖嵴处的胚胎生殖细胞：③终止妊娠的胎儿组织中分离出多能干细胞：④在体外用体 细胞核转移技术获得胚胎干细胞；⑤从恶性胚胎肿瘤或畸胎瘤细胞获得。 二、胚胎干细胞的特征 S细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态结构，细胞核大，有一个或几个核仁，胞核中多为常染色 质，胞质胞浆少，结构简单。体外培养时，细胞排列紧密，呈集落状生长。用碱性磷酸酶染色，S细胞 棕红色，而周围的成纤维细胞呈谈黄色。细胞克隆和周围存在明显界限，形成的克隆细胞彼此界限不 清，细胞表面右折光较强的脂状小滴。细胞克隆形态多样，多数呈岛状或巢状。ES细胞的全能性指S 细胞在解除分化抑制的条件下能参与包括生殖腺在内的各种组织的发育潜力，即S细胞具有发有成完 整动物体的能力，可以为细胞的遗传操作和细胞分化研究提供丰富的试验材料。ES细胞发育全能性的 标志是ES细胞表面表达时相专一性胚胎抗原(stage specific embryonicant,SSEA),而且可以检查到Oc4 基因的表达，这两种蛋白是发育全能性的标志。ES细胞中AKP及端粒酶活性较高，可用于ES细胞分 化与否的鉴定。S细胞的多能性是指S细胞具有发育成多种组织的能力，参与部分组织的形成。将 S细胞培养在不含分化抑制物的培养基上，可以形成类胚体。将S细胞在特定培养基进行培养，可以 定向分化成特定组织，如ES细胞在含有白血病抑制因子(LF)和维生素A酸(RA)的培养基上，可以分 化形成全壁内胚层，将ES细胞与胚胎细胞共培养或将ES细胞注入囊胚腔中，ES细胞就会参与多种组 织的发育。 三、胚胎干细胞具有向三个胚层组织细胞分化的潜能 由于胚胎干细胞体外培养的成功，这一概念已经通过实验得到了充分的证实，这些实验一般包括三
个方面：①胚状体形成实验。胚状体(embryoid body,EB)是在一定条件下胚胎干细胞自发形成的具有 胚层结构的小体，其三个胚层的形成与分化基本模拟了体内胚胎早期发育时组织细胞分化的过程。将 S细胞培养在缺乏白血病抑制因子的条件下，一部分细胞能分化形成胚状体，表明ES细胞具有多能干 细胞的特性。将ES细胞诱导形成胚状体，然后再从胚状体中分离所需要的目标细胞，进而扩大培养和 利用，是ES细胞体外分化研究的一种策略。②畸胎瘤实验。将ES细胞移植到免疫缺陷小鼠的皮下 移植细胞能形成胚胎组织瘤。在南组织中能观察到内环层来源的胃上皮组织，中胚层来源的骨、软骨组 织、平滑肌和横纹肌，以及外胚层来源的神经表皮、神经节及复层麟状上皮组织等，表明S细跑具有形 成外、中、内三个胚层组织细胞的潜能。③嵌合体实验。将体外培养的S细胞注射到囊胚腔中，使其参 与内细胞团的继续发育，进而通过对发育小鼠各个组织的分析，观察植入细胞是否可以分化为各种组织 细胞。1984年，Bradley和Na首次证明了小鼠ES细胞的多能性，当ES细胞被导入囊胚后可以分化为 包括生殖细胞在内的各种组织细胞。后来，在猪、牛、绵羊、仓鼠、鸡、斑马鱼及恒河猴等脊椎动物的S 细胞研究中也得到了相似的结论。然而，由于伦理道德等方面的原因，这种方法不能用于人胚胎干细胞 的多能性潜能评价（图24-3）。 细胞 够尿系好 胚胎干细胞 动系站 神经系统 真皮细胞 皮肤附属器 图243人类胚胎干细胞的分化潜能 四、胚胎千细胞研究的意义及伦理道德争议 胚胎干细胞在哺乳动物早期胚胎发生、细胞分化、基因表达调控等发育生物学问题研究方面具有重 要的生物学意义。在医学科学方面，胚胎干细胞为人类疾病的发生机制及其防治手段的研究开辟了 一个全新的领域。然而，干细胞研究引发的伦理学问题始终伴随干细胞研究的发展。关于干细胞研 究的伦理道德争议，主要涉及到人类胚胎干细胞领域。支持者认为开展胚胎干细胞的研究有助于治 539
第五篇细胞分裂增殖与生长发育 疗那些目前无法实行常规治疗的疑难杂症，干细胞研究被认为是找到阿尔茨海默病、帕金森症等神 经和大脑疾病新疗法的希望，是晚数生命的积极行为：而反对者认为依照目前的技术，获取胚胎干细 胞需要在胚泡阶段破坏胚胎来提取内细胞团细胞，这是对生命的破坏。然而其他干细胞类型的研 究，例如成体干细胞以及新近发展的诱导多能干细胞的研究，不会产生伦理道德的争议，因而具有重 要的应用前景。 五、诱导多能千细胞 诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,PS):20O6年日本京都大学山中伸弥(Shinya Ya- manaka)在世界苦名学术杂志Cel上率先报首了诱导多能干细胞的研究。他们把O3/4,Sox2、c-Mv 和K4这四种转录因子基因克隆入病毒载体，然后引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生 的S细胞在形态，基因和蛋白表达、表观贵传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分 化能力等方面都与胚胎干细胞相似。2007年11月20日，美国威斯康星大学詹姆斯·汤姆森的研究小 组在Science杂志发表体细胞转变成“诱导性多能干细胞”(iPS细胞)的成果。PS细胞是由一些多能遗 传基因导入皮肤等细胞中制造而成。在制造过程中，研究人员使用了4种遗传基因，同时加入了7种包 括可阻碍特定蛋白质合成的物质和酶在内的化合物，以研究其各自的制造效率。用诱导性多能干细胞 治疗人类疾病仍然需要克服许多关键障碍。比如，添加4个“重新编程”基因或取代疾病细胞中有缺陷 基因的方法都可能有导致癌症的副作用。在诱导性多能干细胞能被考虑用于人类疗法之前，研究人员 需要发展出安全的方法来解决这些以及其他可能的问题。 所谓细胞核重编程即将成年体细胞重新诱导回早期干细胞状态，以用于形成各种类型的细胞，应用 于临床医学。约输·格登任职于英国剑桥格登研究所。他于1962年诵时实验把单鲜的分化细胞的细 胞核移植进入卵母细胞质中，并培有出成体青蛙。这一实验首次证实分化了的细胞基因组是可以逆转 变化的，具有划时代的意义。这种细胞又称PS细胞，是动物特定成熟细胞（以体细胞为主）经过诱导因 子“编程”处理后转化而成的干细胞。它具有和胚胎干细胞等其他干细胞类似的功能，可以发育成组织 和器官，同时规避了胚胎干细胞研究面临的伦理和法律障碍，创造了生命科学研究的一大潮流，是有望 应用于再生医疗和制药的划时代成果。近年来，S成为干细胞研究的热点领域，小鼠和人类PS细胞 的相继成功获得。PS细胞不但在形态结构、基因表达、表观遗传修饰和细胞功能等方面与胚胎干细胞 十分相似，同时也具有向内、中、外等三个胚层组织细胞分化的多能性。PS技术诞生以来在干细胞研究 领域、表观遗传学研究领域以及生物医学研究领域引起了强烈的反响，帮助我们解答了许多悬而未决的 基础科学问题。英国科学家约翰·格登和日本科学家山中伸弥因在诱导多功能干细胞领域的贡献共同 分享这2012年诺贝尔生理学或医学奖。 第三节成体干细胞 成体干细胞存在于机体的各种组织器官中，是存在于分化组织中的未分化细胞。成体干细胞在正 常情况下大多处于休眠状态，在病理状态或外因诱导下可表现出不同程度的自我更新和增殖分化的能 力，能分化为所在组织的组成细胞类型。造血干细胞是最早被认识的成体干细胞。近年来，随着细胞生 物学和分子生物学的发展，除造血干细胞之外已有多种其他成体组织的干细胞被成功分离或鉴定，如皮 肤干细胞、毛囊干细胞、肠干细胞、神经干细胞等。关于成体干细胞，有一点是非常重要的：在组织内只 含有极少量的干细胞，干细胞存在于组织的特定区域内，从而在数年内都维持静止休眠状态，也就是保 持不分裂的状态，直到组织受到损伤或发生疾病时被激活，才开始分裂。已经报道的含有干细胞的成体 组织包括：脑、骨髓、外周血液、血管、骨骼肌、皮肤和肝脏（图244）。 50
酯肪干细胞 脐血干细胞 成体干细胞 造血干细胞 骨萄向叶细胞 色素干细胞 图244人类成体干细胞 一、造血千细胞 造血干细胞(hemopoietic stem cell,HsC)是首先被认识并得到广泛研究的成体干细胞。早在1961 年，T和MeCulloch通过小鼠脾集落形成实验，正实了小鼠骨髓中有造血干细胞的存在。他们将小鼠 的骨髓细胞移植到γ射线致死照射的小鼠，发现这些细胞在受体小鼠脾脏中形成结节。结节中含有包 括红细胞、粒细胞和巨核细胞的混合细胞群；在进一步的实验中，他们还证明了每个结节都来源于一个 细胞，由此得到了骨髓中存在可以重建造血系统的造血干细胞的证据。造血干细胞在所有骨髓细胞中 所占的实际比例很小，但它们具有强大的增殖和分化能力。有研究表明，通过单个细胞移植的方法， 个造血干细胞就可以重建整个造血系统。造血干细胞是体内各种血细胞的难一来源，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最有效方法。捐献造血干细胞对捐献者 的身体并无很大伤害。与骨髓移植和外周血干细胞移植相比，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。 二、间充质千细胞 间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)是属于中胚层的一类单能干细胞，主要存在于结缔组 织和器官间质中，以骨髓组织中含量最为丰富，由于骨髓是其主要来源，因此常称为骨髓间充质干细胞。 骨髓间充质干细胞是干细胞家族的重要成员，来源于发育早期的中胚层和外胚层，MSC最初在骨髓中 发现，因其具有多向分化潜能、造血支持和促进干细胞植入、免疫调控和自我复制等特点而日益受到人 们的关注，如间充质干细胞在体内或体外特定的诱导条件下，可分化为脂肪、骨、软骨、肌肉、肌腱、韧带 神经、肝、心肌、内皮等多种组织细胞，连续传代培养和冷冻保存后仍具有多向分化潜能，可作为理想的 种子细胞用于衰老和病变引起的组织器官损伤修复，骨髓间充质干细胞由于其来源广泛，易于分离培 养，并且具有较强的分化潜能和可自体移植等优点，越来越受到学者们的青睐，被认为是不久即将被引 人临床治疗的最优干细胞。由干间充质干细胞在体外可以相对容易地透导分化为成骨细胞和软骨组 胞，因而在骨损伤、先天骨组织畸形等疾病的治疗方面将有广泛的应用。脂肪干细胞：以往人们因塑身 而抽出的脂肪，大部分都当废弃物丢掉，现经由医学专家研究证，脂肪中含有大量的间质干细胞，间质干 细胞具有体外增生及多重分化的潜力，能运用于组织与器官的再生与修复 51
模五道电分凝神鞋与生长发有 三、神经千细胞 神经干细胞(neural stem cell,NSCs)是一类具有分裂潜能和自我更新能力的母细胞，它可以通过不 对等的分裂方式产生神经组织的各类细胞。需要强调的是，在脑脊髓等所有神经组织中，不同的神经干 细胞类型产生的子代细胞种类不同，分布也不同。目前人们将神经干细胞表达的一种中间纤维 nestin,作为神经干细胞的特征性标志蛋白。nestin的表达起始于神经胚形成时，当神经细胞的迁移基本 完成后其表秋量开始下降，浦神经细胞分化的完成而停止表达。在神经干细胞的培养中，如果以小牛血 清代替表皮生长因子(EGF),神经干细胞逐渐分化为星形胶质细胞、少树突胶质细胞和神经元，nestin 的表达逐渐减少，而出现神经元特征性的微管相关蛋白2及胶质细胞特征性的神经胶质原纤维酸性蛋 白。神经干细胞在神经系统退行性疾病和中枢神经系统损伤治疗中具有很大的应用价值。神经退行性 病变是指一类神经元结构和功能进行性损失的疾病，包括帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷顿病等。这类 疾病患者脑内大量神经元持续性丢失或破坏，而没有神经元的再生进行补充，类似的原理还适用于中枢 神经系统的损伤治疗。目前神经干细胞被用于治疗的疾病类型包括：新生儿重度缺血缺氧性脑病、重度 脑瘫、R综合征、孤独症、先天性或遗传性脑损伤疾病。中风（脑梗死、脑出血）、小脑萎缩症（脑性 瘫瘓)、脊髓损伤、脑菱缩、共济失调、脑外伤后遗症、帕金森综合征、运动神经元病(ALS)、多发性硬 化、面瘫、多系统菱缩症(MSA)、老年痴呆症、视神经菱缩。由于分离神经干细胞所需的胎儿脑组织 较难取材，加之胚胎细胞研究的争议尚未平息，神经干细胞的研究仍处于初级阶段。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素乱，因此，神经干细胞的移植治疗具有重要 意义。 四、皮肤千细胞 皮肤是人体最大的器官，它被覆于身体表面，由表皮、真皮、皮下组织及附属器组成。在抵御微生物 入侵、紫外线辐射以及防止水分的丢失、调节体温和维持人的外貌等方面起着十分重要的作用。皮肤有 极强的修复和再生能力，这与皮肤干细胞的存在具有直接的关系。虽然目前对皮肤干细胞的位置、种类 和数量报道不一，但研究较多的主要有表皮干细胞(epidermal stem cells)和毛囊干细胞(follilar stem cs)。与造血系统一样，在整个生命过程中，表皮细胞和毛囊也不断进行着再生。 在表皮中含有一层可以不断分裂的基底细胞，此层细胞能周期性的进入分化程序，外推至皮肤表面 以取代脱落的角质细胞。这层基底细胞就是表皮干细胞的存在部位。表皮基底层中有1%~10%的基 底细胞为干细胞，随着年龄的增大，表皮脚与真皮乳头逐渐平坦，表皮干细胞的数量也随之减少，这也是 小儿的创伤愈合能力较成人强的重要原因之 一。角蛋白(keratin)的特征性表达常常可以作为表皮干细 胞鉴定的依据。角蛋白是表皮细胞的结构蛋白，它们构成直径为lOm的角蛋白丝，在细胞内形成广泛 的网状结构。根据分化程度的不同，表皮细胞表达不同的角蛋白，因而角蛋白也可作为干细胞、定向祖 细胞、分化细胞的鉴别手段。表皮干细胞表达角蛋白19(k©ratin19,K19)。 毛囊部位也有干细胞的存在。毛囊由外根鞘、内根鞘和发干组成，外根鞘隆突部是毛囊干细胞存在 的部位。受到来自皮乳头细胞（毛囊球中特化的间充质细胞）信号刺激后，存在于隆突部的干细胞增殖 产生新的毛囊。体外培养隆突部的细胞可以生成毛囊角质细胞，当隆突部细胞与皮乳头细胞混合培养 时还可形成存活的毛囊。这些干细胞同样可以产生表皮，尤其在外伤或烧伤后能重建表皮及毛发。有 实验表明，一个毛囊干细胞在适当的培养条件下，能产生多达1.7×10个子代细胞，大大超过了完全覆 盖成体体表面积所需的细胞数量。 五、肠千细胞 小肠表面由肠绒毛和肠隐窝（又称小肠腺）组成，其中肠隐窝是绒毛根部的上皮下隐至固有层形成 管状结构，即肠隐窝与绒毛的上皮是连续的。每一隐窝大约有250个细胞，研究证明这些细胞中含有干 54g
第二十四章干细胞● 细胞。例如，把隐窝细胞移植到γ射线照射的小鼠，在受体鼠的小肠部位可发现由移植细胞形成的肠绒 毛成纤毛细胞。进一步的研究发现，在小肠隐底最底部.在体巨大的潘氏细胞(Paneth co©1)之间，存在 着一种狭长形状的柱状细胞(erypt base columnar cell,CBC cell)。这种细胞具有不同于其他任何小肠成 熟细胞的未分化特征，称之为肠干细胞(intestinal stem cell)。肠干细胞向绒毛上移行可分化为肠绒毛细 胞、杯状细胞和肠内分泌细胞，向下移行可形成潘氏细胞。开展小肠干细胞移植来补充损伤的黏膜细胞 并恢复肠功能将在不久的将来得以实现。 六、肝干细胞 哺乳动物的肝脏具有很强的再生能力。肝脏即使切除2/3，剩余的肝细胞能迅速增殖并在一周内 恢复到肝细胞的原始数量，且肝脏在2~3周内恢复到原始重量。基于肝脏的这种再生能力，人们普遍 认为肝脏内存在着干细胞。早在20世纪初，就已经开始了关于成体肝脏干细胞的研究。曾经一度认 为，成体肝脏内有一群干细胞或者肝前体细胞，它们可以分化为肝细胞和胆管上皮细胞，是参与急性肝 损伤后肝脏修复的主要细胞来源。然而，至今仍然没有证据可以证明这些肝干细胞在急性肝损伤中被 激活（肝脏的修复由成熟肝细胞增殖完成）。相反，许多实验表明在慢性肝损伤过程中确有肝干细胞的 参与。成体肝干细胞的候选细胞主要有两种：卵圆细胞和小肝实质细胞样前体细胞。这两种细胞可能 都是肝千细胞的后代，并定位于肝板和胆管交界的Heig管的干细胞巢中。2013年7月18日，第二军 医大学细胞生物学教研室和干细胞与医学创新研究中心主任胡以平教授实验组在Cell Stem Cell在线 发表了一项重大研究成果，揭示了成纤维细胞可转分化为肝干细胞(hepatic stem cell HSC),实现了小鼠 成纤维细跑向肝干细胞分化的重绝程，并证明了这一方法所产生的肝干细，与活体内自然存在的肝干 细胞具有相似的生物学特性。找到一个简便的方法，直接将成纤维细胞转分化为肝干细胞，而且证明 这种转分化的肝干细胞，具有活体内肝干细胞的基本生物学特征，可分化为成熟的肝细胞和胆管上皮细 胞，直接参与肝脏的损伤修复。应该说这个技术体系的产生，为临床包括终末期肝病在内和缺乏有效治 疗方法的许多肝脏疾病的治疗方法奠定了一个新的基础。Nature:终于找到你！肝脏干细胞来源揭秘 2015-08-06最新在线在Nature杂志上的一篇研究中，Howard Hughes医学研究所(HHMI)的科学家确定 了能够分化为功能性肝细胞的干细胞。这项研究解开了关于肝脏不断新生的细胞到底从何而来的老 谜团。 第四节肿瘤干细胞 癌症干细胞(cancer stem cell,CSC),又称癌干细胞、肿瘤干细胞，是指具有干细胞(stem cell)性质的 癌细胞，也就是具有“自我复制”(self-renewal)以及“具有多细胞分化”(differentiation)等能力。通常这 类的细胞被认为有形成肿瘤，发展成癌症的潜力，特别是随着癌症转移出去后，产生新型癌症的来源 在功能实验中被定义为当移植进免疫缺陷小鼠体内时能形成肿瘤和自我更新的细胞。然而，早在1971 年，就有研究表明当体外克隆培养从小鼠腹水中获得的具有不同筛选标志的骨髓瘤细胞时，仅有 0.01%~1%的肿瘤细胞可以形成克隆集落。1977年，又有研究发现只有0.02%~0.1%的肺肿瘤、卵 巢肿瘤与神经母细胞瘤细胞具有在软琼脂培养基上形成克隆集落的能力。这些早期实验表明：仅有极 少数的种瘤细胞，而并不是全部肿瘤细跑，具有致瘤性。近年来，随着人们对这一现象的重视以及干细 胞研究的深入提出了肿干细胞(cancer stem cell.CSC)或种幽起始细胞(tumor-initiating cell.T-IC)的 全新概念，并逐渐形成了肿瘤干细胞学说 肿瘤干细胞学说认为，在肿瘤组织中存在极少量的特殊肿瘤细胞，这种特殊亚群细胞具有自我更新 的能力以及形成异质性肿瘤的潜能，在肿瘤中充当着干细胞的角色。 正是这种细胞在肿瘤的形成、生 长、转移及复发中起着快定性作用，而其他大多数肿瘤细胞在经过短暂的分化之后最终走向死亡。这 548