干细胞的生物学基本特征及其应用价值

干细胞的生物学基本特征及其应用价值

干细胞是具有多种分化潜能，自我更新能力和高度增殖能力的细胞。由于干细胞可无限扩增、易于遗传操作和冻存，且又不失其全能性或多能性，并在适当条件下，可被诱导分化

为多种细胞组织。因此干细胞的研究在基础研究领域和临床应用中具有重要的理论和实践意

义。1989年首例脐血造血干细胞移植治疗Fancni贫血获得成功后，即引起全球的关注。其后，学者们先后分离出不同组织的干细胞，使干细胞的研究进入新的高潮，生命科学研究的又一热点。

1 干细胞的研究简况

早在1945年临床上就开始对暴露于大剂量射线的人进行干细胞的移植。1961年，Till 和McCulloch提出了多能造血干细胞的概念，并且认为，干细胞就是在单一细胞水平具有自

我更新和多谱系分化的特性。从20世纪80年代开始，造血干细胞移植已经成为治疗许多疾

病的重要手段。1981年，Evans等首次成功地建立了小鼠胚胎干细胞系，后来人们陆续建立了兔、绵羊、山羊等动物和人类胚胎干细胞系。但是由于对于细胞的性质和功能认识的不足

以及研究技术缺乏，因而限制了干细胞研究的发展。

1998年，Science杂志上报道了关于ES细胞的研究后，重新点燃了人们对干细胞的热

情，与之同时，亦引发了有关人类ES研究的伦理学争论，1999年，美国议会许多议员提出：反对人类ES干细胞研究；同时美国许多州的法律规定，杀死胚胎属于犯罪行为。

因此人ES细胞的研究受到很大的阻碍。现在就人们对于细胞的研究状况来看，可按以

下两种方法对干细胞进行分类：第一，根据干细胞分化能力的不同可将其分为三类：①全能干细胞，如ES细胞。②多能干细胞，如成人组织干细胞。③单能干细胞，如出生后肝细胞

的再生来自于肝细胞，若肝细胞再生受阻，则来自于小管细胞。第二，根据分化类别的不同可将其分为：①神经干细胞，包括外周神经干细胞和中枢神经干细胞。②造血干细胞，包括脐血造血干细胞和外周血造血干细胞。③上皮干细胞。④视网膜干细胞。⑤ES干细胞，等等。

2 干细胞的生物学特性

2.1 多能性或全能性

干细胞具有分化为多种细胞类型的潜能，但不同干细胞的分化潜能有所不同。ES细胞具有全能性，可分化发育成构成机体任何一部分组织器官的能力。在体外，ES细胞可被诱导分化出包括3个胚层在内的所有分化细胞，在动物体内，ES细胞可分化产生出由3个胚层细胞构成的畸胎瘤。而多能干细胞，如神经干细胞具有多能性，即一个干细胞能产生出几种不同类型的细胞。若将从成年动物海马获得的神经干细胞扩增后移植回海马，则能产生出新的神经元和神经胶质；若将同样的干细胞移植到嘴侧的迁移流，则能产生嗅球神经元；若将同样的干细胞移植到成年动物通常不产生神经元的区域(如完整的大脑)，则不能产生神经元，但在受损时能产生神经胶质细胞；最引人瞩目的报道是将来自胚胎或成年鼠脑的遗传标

记的干细胞在体外扩增成球团后被移植到照射过的宿主鼠，则产生包括髓系和淋巴系甚至更

原始的造血干细胞。神经干细胞的研究不但说明了成年干细胞具有多能性.而且说明其多向分化的潜能与其所处的微环境有绝对的关系。综上可知，全能性或多能性是干细胞的关键内容。

2.2 自我更新能力

干细胞一旦形成，在机体终生都具有自我更新能力，这完全不同于有限自我更新能力的

许多类型的祖细胞。干细胞通过不均-分裂进行自我更新和产生分化祖细胞。成年机体干细

胞能反复分化充满组织，这对维持机体组织器官的稳定性有很重要的意义。

2.3 高度增殖能力

高度增殖是干细胞的生物学特性之一。在体外扩增干细胞是干细胞研究及应用的前提和

关键，干细胞虽具有多能性，但其数量不多，那么只有通过体外扩增，才会得到大量的干细胞，进而对研究和应用才具有意义。干细胞在体内，高度扩增具有重大意义，如造血干细胞

通过高速扩增，可补充由于细胞正常衰老死亡而丧失的血细胞。因此干细胞高度扩增不但对

干细胞的研究和应用有着重要的作用，而且对机体正常功能的维持也起着重要的作用。

3、干细胞的应用

干细胞在生命科学的各个领域都有着重要而深远的影响，如克隆动物、转基因动物的生产、细胞组织和器官的修复和移植治疗、组织工程上有着广阔的应用前景。

3.1 移植治疗

移植治疗目前已经成为治疗疾病的一个重要手段，如器官移植、细胞移植等。干细胞移植是一个尤其重要而意义重大的手段。20世纪80年代起，造血干细胞移植已经成为癌症、

造血系统疾病、自身免疫系统疾病等的重要手段。之后，外周血干细胞移植并辅以化疗及细

胞因子CG-CSF、GM—CSF等，可使更多的干细胞进入外周血。1989年首例脐血治疗Fanconi 贫血成功后，许多国家纷纷建立了规模不等的脐血血库。因脐血富含造血干/祖细胞、其免疫细胞的抗原性较弱、CTL祖细胞较少、移植相关GVHD的发生相对骨髓的外周血少而轻、

采集容易、对供者无任何伤害。故被认为是极具潜力的新造血干细胞的来源。神经干细胞的研究为神经系统疾病的治疗提供了广阔的应用前景。啮齿类中枢神经细胞系包括中枢神经干

细胞已被用于许多鼠的疾病模型，如鼠遗传性神经退化症，包括脱髓鞘症、脑神经节苷脂沉积症和其他神经退化紊乱(包括多巴胺能神经，如肾上腺髓质，胚胎腹侧中脑和畸胎瘤组织

的移植)治疗研究中。神经干细胞的临床价值已在人帕金森病中得到证明。

3.2克隆动物的生产及转基因动物的生产

自绵羊“多莉”问世至今，体细胞克隆动物多有成功的报道。但体细胞克隆动物有着无

法克服的弊端，即成功率低和容易早衰。而Wakayama等用长期传代(30代以上)的小鼠ES 细胞克隆出31只小鼠，14只存活，可见存活率大大提高了。因此，ES细胞克隆动物具有

光明前景。

转基因动物是利用受精卵或ES细胞作为载体，通过注射目的基因，从而生产带有目的

基因的动物。转基因ES细胞系将为大量同系转基因动物的生产奠定基础。应用于细胞进行

动物克隆，可以有效地提高稀有动物的繁殖和高效畜产品的生产，以及高效生物活性物质的

生产。

3.3 转基因干细胞基因治疗

现有的基因治疗有两类：①转基因细胞治疗。②核酸治疗。前者常用的基因转移靶细胞

多为淋巴细胞、成纤维细胞等。其缺陷为细胞存活时间有限，在治疗过程中需要反复输注，

治疗繁琐。转基因干细胞技术建立解决了转基因细胞存活问题，成为转基因细胞治疗重要的

方向。

3.4 ES细胞为发育生物学研究的理想体外模型

ES细胞具有全能性和无限增殖能力，并能在体外培养。因此，可以作为微环境改变对