干细胞研究进展与应用综述

干细胞研究进展与应用综述

摘要: 本综述通过举例，简要阐述了近年来干细胞研究进展以及干细胞的应用情况。

关键词：胚胎干细胞；成体干细胞；应用

前言：

干细胞是人体及其各种组织细胞的最初来源,具有高度自我复制、高度增殖和多向分化的潜能。干细胞研究正在向现代生命科学和医学的各个领域交叉渗透,干细胞技术也从一种实验室概念逐渐转变成能够看得见的现实。干细胞研究己成为生命科学中的热点。同时，干细胞的研究对人类的疾病的治疗等也有着其绝对的重要意义。

1干细胞的分类及其研究进展

干细胞（stem cell）是机体内存在的一类特殊细胞，具有自我更新及多向分化潜能。能根据来源的不同，干细胞可分为胚胎干（embryonic stem cell，ES）细胞、诱导性多潜能干（induced pluripotent stem cells，iPS）细胞及成体干（adult stem cell）细胞。不同种类的干细胞具有各自的优势和不足。胚胎干细胞是由胚胎内细胞团或原始生殖细胞经体外培养而筛选出的细胞，具有发育全能性，理论上可以诱导分化为机体中200多种细胞。成体干细胞是存在于已经分化组织中的未分化细胞，能够自我更新并特化形成该类型组织的多能细胞。

1.1ES 细胞胚胎干细胞是指当受精卵分裂发育成囊胚时内细胞团的细胞，发育等级较高，可以分化为人体的所有体细胞，是全能干细胞。ES 细胞是目前研究最广泛、最成熟的干细胞体系。自2009 年起，全球共批准了3项人ES（hES）细胞的临床试验，标志着hES 细胞向临床应用迈出了重要的一步。然而，hES 细胞临床应用面临的一个瓶颈问题是免疫排斥反应。体细胞核移植（SCNT）技术能够制备携带患者基因型的hES 细胞，可解决免疫排斥的难题。2013 年，美国Mitalipov 研究团队将人类皮肤成纤维细胞核移植到供体去核卵细胞中，成功建立了SCNT 的hES 细胞[1]，标志着治疗性克隆又向前迈出关键性的一步。然而，hES 细胞建系必须摧毁人类早期胚胎，故存在剧烈的伦理学争议。此外，hES 细胞来源的分化细胞移植到体内存在发展为肿瘤的潜在风险。

1.2iPS 细胞2006 年Yamanaka 实验室利用Oct3/4、Sox2、Klf4、c-Myc 4 种因子将鼠成纤维细胞重编程为诱导多功能干细胞，标志着一种新型类胚胎干细胞的问世。PsCs 诱导的本质是使终末分化的细胞重新获得多能干细胞相似的调控网络和表观遗传学特征,迄今,已建立了大鼠[2, 3]、人[4, 5]、猪[6, 7]、猴[8]、兔[9]和绵羊[10]的iPSs细胞系,并证实具有ES细胞的发育全能性。采用体细胞重编程技术可从患者自体细胞获得的iPS 细胞，这不但可解决免疫排斥的难题，而且避免了hES 细胞和SCNT 研究存在的伦理学争论。近年来，采取非整合的病毒载体、mRNA 转染、小分子化合物化学诱导等方法均可将体细胞重编程为iPS 细胞[2,3]。这些技术的改进既可避免肿瘤形成和DNA与宿主整合的相关风险，又可降低iPS 细胞的制备成本，使得大规模制备自体干细胞成为可能。Yamanaka 带

领的日本研究团队目前正在建立iPS 细胞库。2013 年，日本批准了全球首个iPS 细胞的临床试验。然而，iPS 细胞仍保留其来源细胞的部分记忆，其多潜能性和分化能力存在较大的变异性。

关于iPSs 的研究日新月异，并取得了突破性的进展。迄今为止，在物种方面，关于小鼠[9]、大鼠[10-11]、人[12-13]、恒河猴[14]、猪的iPSs 都有研究[15]，不过很多还未形成嵌合体；在细胞种类方面，被用于重编程研究的供体细胞有成纤维细胞[9，13]、肾上腺细胞、肌细胞、造血系细胞、角质形成细胞、肠上皮细胞[16]、肝细胞、胃上皮细胞[17]、成熟 B 淋巴细胞[18]、神经干细胞[19]、胰腺β细胞(鼠类[20])，成人及新生儿皮肤成纤维细胞[21-22]、包皮成纤维细胞[23]、角质形成细胞[24]、外周血T 细胞等(人类) [25]；在因子导入途径方面，从最早使用的反转录病毒载体[9]，发展到慢病毒载体[12]，腺病毒载体[26]，表达质粒转导的非病毒载体[27]，转座子以及细胞穿膜肽等[28-30]；在导入因子的数目方面，从4 种因子[9，12-13，31]，减少到 3 种因子[32-33]，2 种因子[19，34-35]，最后发现只需1 种因子就能将体细胞重编程为iPSs[36]。

1.3成体干细胞成体干细胞存在于成体组织，包括造血干细胞、脐带血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞、脂肪干细胞、心肌干细胞等，发育等级较低，是多能或单能干细胞。成体干细胞是存在于机体某个组织或器官中的干细胞，是修复和再生的基础。从自体组织中分离得到的成体干细胞也可解决免疫排斥的难题，并且成体干细胞注入体内后有明显的趋化性，较明显地集中到达损伤部位，在局部微环境的诱导下，可向损伤组织修复所急需的细胞类型分化。对于临床应用而言，既可从易获取的组织中分离患者的自体干细胞，定向分化为所需的细胞类型用于移植，也可直接在体内将干细胞分化为所需的细胞类型，以重建受损器官的功能。然而，成体干细胞在不少组织中的来源存在争议，并且缺乏特异性标志分子，分离、纯化及鉴定比较困难，体外分化能力也存在较大的变异性。

2 干细胞应用

2.1 ES细胞的应用

2.1.1 用于生产转基因动物和克隆动物

利用ES细胞作为载体，体外定向改造ES细胞，使基因的整合数目、位点、表达程度和插入基因的稳定性及筛选工作等都在细胞水平进行，从而获得稳定#满意的转基因ES细胞系，以生产转基因动物。

用ES细胞为细胞核的供体进行核移植后，在短期内可获得大量基因型和表型完全相同的个体。此法明显优于体细胞克隆动物，但后者克隆动物的成功率较低，易出现严重的免疫功能缺陷和突变。老鼠的胚胎干细胞中能产生出精、卵细胞，并能成功受精甚至可以从雌性和雄性细胞中培育出实验室卵细胞，将促进生殖和克隆的研究。

2.1.2用于发育生物学研究

哺乳动物早期胚胎的体积很小，又在子宫内发育，要想在体内研究细胞分化及其机理几乎是不可能的，而干细胞特别是ES细胞具有独特的发育全能性，在特定的体外培养条件和诱导剂的共同作用下经过若干前体细胞阶段，可分化为神经、肌肉、软骨、血细胞、上皮细胞和成纤维细胞等。因此ES细胞是研究特定类型细胞分化的模型、探索某些前体细胞起源和细胞谱系演变的较为理想的实验体系。应用基因芯片等生物技术比较ES细胞不同发育阶段细胞的基因转录和表达，不仅可确定胚胎发育及细胞分化的分子机制，还可发现新的基因。借助基因打靶技术，通过囊胚注射制作嵌合体的途径，将外源基因引入受体基因库，可在整体水平上研究高等动物的基因表达、调控和生理功能，同时也会为阐明胚胎发育中基因表达的时空关系提供手段。

2.1.3用于新型药物研究和组织器官的修复、治疗研究