干细胞相关名词及其分类

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干细胞相关名词及其分类

沈丽白云李宓李凌松

(北京大学干细胞研究中心北京100083)

干细胞研究与细胞生物学、分子生物学、胚胎发育学、遗传学、生殖医学以及有关的临床医学有着密切关系。但通常干细胞研究划归组织工程学研究领域。1987年美国国家科学基金会提出/组织工程学0一词。人体组织器官的再生要求三个基本生物学因素:细胞、细胞外基质和生物材料。近年来,作为组织工程三要素之一,干细胞的研究以及用干细胞干预治疗和修复损伤组织器官的尝试,为人类战胜顽症展现了新的曙光。干细胞的研究引起了生命科学家的极大关注,美国5科学6杂志在1999年度世界十大科学成就评选中,将干细胞的研究排名第一。2000年12月干细胞的研究再次被5科学6杂志评为该年度的世界十大科学成就之一。利用胚胎干细胞和各种成体干细胞,成为基因治疗载体、基因工程、药物筛选以及干细胞相关基础和临床研究的重要领域。干细胞移植可能干预治疗一些临床难以治愈的疾病,如脊髓损伤、脊髓侧索硬化症、帕金森病、糖尿病、心脏病、终末肾病、肝衰竭和癌症等。干细胞的应用价值得到公众、法律和商界的关注。

干细胞(stem cell)是一类具有自我复制和多分化潜能的细胞,即干细胞保持未定向分化状态和具有增殖能力,在合适的条件或给予合适的信号,可以分化为许多不同类型的具有特征性形态、特异分子标志和特殊功能的成熟细胞。干细胞来源于胚胎、胎儿组织和成年组织。来自胚胎和胎儿组织的胚胎干细胞和胚胎生殖干细胞具有多潜能分化特性,可分化为成熟个体体内几乎全部200多种以上的成熟细胞类型。而成年个体组织来源的成体干细胞(adult stem cell)有造血干细胞、神经干细胞和胰腺干细胞等。干细胞研究进入前沿研究领域,在全球掀起干细胞研究热潮。关于干细胞研究的文章中描述干细胞的专门术语比较混乱,各学科之间缺乏统一的术语描述。本文将概述有关干细胞的概念、相关研究状况和进展。一般按细胞发育进程将干细胞分为胚胎干细胞、胚胎生殖干细胞、成体干细胞。按干细胞分化的潜能将干细胞分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。

按发育进程定义干细胞

一、胚胎干细胞(embryonic stem cell, ES cell)

1970年,Martin Evans分离小鼠的胚胎干细胞,建立体外培养鼠的胚胎干细胞技术。直到1998年Wisconsin大学James A.Thom-son[1]领导的实验室首次用人类早期胚泡(blastocyst stage),分离出14个细胞的内细胞团(inner cell masses),并培养出5个人胚胎干细胞系,其中H1,H13和H14为正常XY 染色体组型(normal XY karyoty pe),H7和H9为正常XX染色体组型,得到了人的多潜能胚胎干细胞系。人胚胎干细胞能在体外保持未分化状态增殖,从一个胚胎干细胞扩增为数百万个细胞。胚胎干细胞在特殊条件下体外培养可具有未分化状态和多潜能分化特性,能够形成集落。而在无白血病抑制因子

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(LIF)培养的条件下,胚胎干细胞聚集成胚胎样小体(embryo-like body)或称胚体(embry-onic body,EB)[2]。胚体在许多方面类似于畸胚瘤,由一些排列杂乱的未分化和已分化细胞构成,可见三个胚层来源的分化细胞。如果将胚泡内细胞团的胚胎干细胞注射到特定宿主小鼠的胚泡内,检查嵌合体子代,可发现供体的胚胎干细胞分布于嵌合体子代体内的全部组织,包括生殖细胞。

胚胎干细胞可分化为多种细胞谱系,包括心肌细胞、胰岛细胞、神经细胞、色素细胞、巨噬细胞、上皮细胞和脂肪细胞等。当将胚胎干细胞移植到免疫缺陷的裸鼠皮下或肾包囊后,在宿主动物体内可分化为畸胎瘤(tera-tocarcinomas)。瘤内包括混合的多种类型分化细胞。因此,胚胎干细胞不适宜直接给患者使用。临床使用前需要进行定向诱导分化。在个体发生时期的最早期,胚胎干细胞是全能的(totipotent),而来自早期胚泡中的内细胞团的胚胎干细胞是多能(pluripotent)干细胞[3]。

胚胎干细胞具有的特性:¹胚胎干细胞来源于胚胎早期的胚泡中的内细胞团,保持未分化状态,具有自我复制的能力,具有向胚胎三个胚层来源的所有细胞分化的潜能。º胚胎干细胞可通过单细胞克隆建立有相同遗传特性的胚胎干细胞系。建立的胚胎干细胞系有与亲代细胞相同的特征。»胚胎干细胞具有正常、完整(双倍体)及稳定的染色体核型。¼胚胎干细胞缺乏细胞周期中G1期的限制点(checkpoint),胚胎干细胞大部分时间都处于细胞周期的S期,在此期进行DNA合成。胚胎干细胞不需外源信号刺激启动DNA的复制。½胚胎干细胞表达三种特异性标志分子:细胞内的转录因子(intrinsic transcription factor,Oct4)、白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor,LIF)和碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,AP)。¾雌性哺乳动物来源的胚胎干细胞内,不存在X染色体失活现象。¿胚胎干细胞端粒酶活性呈阳性,具有维持端粒长度,保持干细胞增殖能力的重要作用。À胚胎干细胞裸鼠皮下或肾包囊接种,可形成畸胎瘤。

二、胚胎生殖干细胞(embryonic germ cell,EG cell)

H opkins大学John D.Gearhart[4]领导的实验室从来自流产胎儿(59周)生殖嵴(go-nadal ridge)的原始生殖细胞(primordial germ cell,PGC)中分离培养出人胚胎生殖干细胞。在正常胚胎发育过程中,生殖嵴发育为睾丸或卵巢,原始生殖细胞生成精子或卵子。胚胎生殖干细胞属于多能干细胞,其特性与来源于囊胚期的胚胎干细胞不同。胚胎生殖干细胞可在体外培养近20代,多数倍增40倍,最大可增殖7080倍(胚胎干细胞可增殖300倍甚至450倍),核型正常。胚胎生殖干细胞自发形成集落,自发分化,最终分化为含有三个胚层的衍生物。免疫缺陷的裸鼠接种不形成畸胎瘤。

通常将来自胚泡的胚胎干细胞和胎儿组织的胚胎生殖干细胞,统称为胚胎干细胞。

三、成体干细胞(adult stem cell)

成体干细胞源于骨髓、血液、角膜、视网膜、脑和脊髓、骨骼肌和心肌、牙髓、肝脏、皮肤、胃肠道上皮、胰腺等,存在于全部三个胚层发育而来的组织中。有人认为胚胎发育中由于存在非对称性分裂,而被保留下来的未分化的成体干细胞,存在于已分化的组织中。成体干细胞有两个特征:¹具有保持长期增殖而不分化的能力,即长时程自我复制特性;º具有分化为源于组织的所有特化类型细胞的潜能和分裂产生祖细胞(progenitor or pre-cursor cell)的能力。祖细胞在胎儿或成人的组织中存在,通常分裂形成更多的祖细胞或分化的成熟细胞,但不能复制自身。因此,成体干细胞没有胚胎干细胞和胚胎生殖干细胞相同的分化潜能。成体干细胞的增殖能力也有较大的限制,在实验培养条件下,许多成体

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