干细胞研究与应用新进展报告

摘要:干细胞是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞群体。近年来对干细胞的研究几乎涉及到所有生命和生物医学领域。本文概述了干细胞的生物学特性及其在基础及临床上的应用的研究进展。最后,展望了今后研究的方向。

关键词:干细胞;转录因子;应用

New Advances in Research and application of Stem Cells

Wang Qiang

Engineering College of Animal Husbandry and Veterinary Sciences;Henan Agricultural University;Zhengzhou 450002

Abstract: Stem cells are non-specialized cells have the ability of self-renewal and multiple differentiation potential. application of stem cells has nearly involved in all the research field on life sciences and biomedicine in recent years. This article summarizes the biological characteristic of stem cells, and its extensive application in basic research and clinical application. The prospects of stem cells are also discussed.

Key word: Stem Cells;transcription factors;application

干细胞研究与应用新进展报告

早在20世纪50年代,科学家就在畸形胎瘤中首次发现了胚胎干细胞(embryonicstem cell,ES细胞),从此开创了干细胞生物学研究的历程。1970年,Evans分离出小鼠胚胎干细胞并在体外进行培养。1998年11月,威斯康星大学的汤姆生和约翰.霍普金斯大学的吉尔哈特教授分别在《科学》(Science,1998,Vol282:1145-1147)和《美国科学院论文集》(PNAS,1998,Vol95:13726-13731)上报道,他们用不同的方法获得了具有无限增殖和全能分化潜力的人胚胎干细胞[1]。这一成就将会给移植治疗、药物发现及筛选、细胞及基因治疗和生物发育的基础研究等带来深远的影响,打开在体外生产所有类型的可供移植治疗的人体细胞、组织乃至器官的大门。因为从理论上讲,人胚胎干细胞具有全能性,在一定的诱导条件下,既可发育分化为感受和传导生物电信号的神经组织,也可分化为携带氧的血细胞,还可分化为提 供血液循环动力的心肌细胞等等[2]。 这条消息立刻引起世界的关注,并引发对干细胞研究热潮。

1. 干细胞的定义及分类

1.1干细胞的定义

干细胞(Stem Cells)是一类未分化的细胞或原始细胞,是具有自我复制能力的多潜能细胞。在一定的条件下,干细胞可以分化成机体内的多功能细胞,形成任何类型的组织和器官,以实现机体内部建构和自我康复能力。

1.2干细胞的分类

根据其发育阶段,于细胞可分为胚胎干细胞(Embryonic Stem Cell)和成体干细胞(Adult Stem Cell)。胚胎干细胞包括ES细胞(Embryonic Stem Cell)、EG 细胞(Embryonic Germ Cell);成体干细胞包括神经干细胞(Neural Stem Ce11, NSC)、血液干细胞(Hematopoietic Stem Cell,HSC)、骨髓间充质干细胞(Mesen chymal Stem Cell,MSC),表皮干细胞(EPidexmis Stem Cell)等。也有报导,按其分化潜能的大小,干细胞可分为三类:一是全能干细胞(Totipotent Stem Cell),二是胚胎干细胞(Embryonic Stem Cell),三是多能干细胞(Multipotent Stem Ce11)。据报道,胚胎干细胞可来源于畸胎瘤细胞(EC)、桑椹球细胞(ES)、囊胚内细胞团(ES)、拟胚体细胞(ES)、生殖原基细胞(EG)等。成体干细胞可以由下列几个方面得到:(1)胚胎细胞——由胚胎干细胞定向分化,或移植分化而成。(2)胚胎组织——由分离胚胎组织、细胞分离、或培养而成。(3)成体组织—— 由脐血、骨髓、外周血、骨髓间质、脂肪细胞等得到[3]。

1.2.1胚胎干细胞(Embryonic Stem Cell)

又称全能干细胞,是从附置前早期胚胎内细胞团或附置后胚胎原始生殖细胞中分离克隆出来的一种具有“无限”增殖能力和全向分化能力的干细胞。ES细胞住体外能自我更新、维持正常核 ,并分化为各种类型的体细胞, 故又称为“万能细胞”。和一般细胞相比具有以下特征: 一是具有发育的全能性,有着发育成机体不同类型细胞中的任何一种细胞的潜力;二是理论上具有无限扩增的特性,能在体外适宜条件下、在未分化状态下无限增殖;三是在体外可对ES细胞进行遗传操作选择,如诱导基因突变、导入额外的原有基因使之过度表达等。Cowan和他的研究小组的一项研究表明,人类的胚胎干细胞能够重新编程已经完全分化的人类的体细胞的细胞核,使他们具有多能性的状态。

胚胎干细胞重要的转录因子(transcription factors),主要是OCT4, SOX2和NANOG,对保持胚胎干细胞的自我更新(self-renewal)和多能性(pluripotency)是必须的[4]。Boyer等人用基因组水平的位置分析法(genome-scale location analysis)找出了这些因子的靶基因(target genes)。他们惊奇地发现,这些因子的一大部分的靶基因被他们共同所有。这些靶基因经常编码一些转录因子,其中许多都是发育上重要同源结构域蛋白(homeodomain proteins)。研究结果也表明,同源结构域蛋白共同起作用,形成了一个由自我调节(autoregulatory)和反馈(feedforward)的循环组成的调节网络。这些结果为干细胞的转录调节的研究提供了一个新的视角,并揭示了OCT4, SOX2和 NANOG对干细胞多能性和自我更新的作用。

1.2.2成体干细胞(Adult Stem Cell)

又称多功能干细胞,是指到了个体发育的一定阶段甚至成体仍具分化能力的部分细胞,它们负责成年动物体内组织和器官的更新、修复。如造血干细胞、 神经组织干细胞、表皮细胞等。这类细胞不能产生完整的个体,但可向特定的组织分化。当组织受到外伤或老化、疾病等损伤时,这些干细胞就增殖分化,产生新的组织代替它们,从而保持机体的动态平衡,如骨髓干细胞至少可分化出l2种血细胞。这类组织专一性干细胞的发育潜能已经超出了胚层或组织的界限,有时还可向其他的组织分化,称为横向分化,如造血干细胞和骨髓间质干细胞分别在脑组织环境中分化出神经细胞;骨髓间质干细胞,其他特定培养系统中还有可能分化出骨、软骨、肌肉、脂 、 细胞和脑组织的星形细胞等。

2.干细胞研究新进展

干细胞的研究是从血液系统开始的。l967年,美国华盛顿大学的多纳尔·托马斯发表论文:将正常人的骨髓移植到病人体内,可以治疗造血功能障碍,从而开始了干细胞应用于血液系统疾病的临床治疗。2O世纪7O年代末,中国科学院上海细胞所开始小鼠胚胎癌细胞及其诱导分化的研究,并于1987年建立了我国第一株小鼠ES细胞系,并用生长因子的基因操作成功诱导ES细胞分化为血管内细胞。1999年,美国科学家Goodcell发现小鼠肌肉组织干细胞可以横向分化成肌细胞。随后,世界各国相继证实:成体干细胞,包括人类的干细胞具有可塑性,这为干细胞的临床应用开辟了更广阔的空间。

以英国皇家兽医学院普赖斯教授为首的研究小组长期研究雄鹿的鹿角再生能力,2006年初他们公布研究结果:干细胞作为鹿身体的重要细胞,可以发展成为许多特殊细胞类型,并支持鹿角再生的整个过程。普赖斯研究小组的长期目标是更好地了解鹿角再生过程的化学信号传递途径,帮助人类开发新的治疗诸如帕金森之类顽疾的药物,有助于最终实现修复受损的人体组织[5]。

日前,国际权威杂志《细胞—干细胞》发表了由中国科学院生物物理研究所唐宏课题组和美国斯托瓦斯研究所解亭课题组合作完成的研究成果。该成果揭示了干细胞功能下降可导致人类衰老,并证明衰老过程是受到外在和内在因素共同调控的。专家指出,此成果将进一步加深人们对机体衰老机制的了解,可应用到人类抗衰老的治疗中去。该研究发现,人为提高周围支持细胞或干细胞BMP通路的强度,可以缓解衰老造成的干细胞数目减少和功能的减退,加强细胞间连接作用,同样可以部分缓解衰老。而减慢干细胞的衰老,反过来同样可以帮助周围支持细胞保持数目和功能,两者相互依存,相辅相成。更为有意思的是,人为地在周围支持细胞或者干细胞内过量表达超氧化物歧化酶也能达到同等的缓和作用。

3. 干细胞应用新进展

干细胞一经问世就因其区别于其他培养细胞的生物学特征而引起了生物工程领域研究人员的重视。目前的生技公司普遍利用干细胞“自行再生”的能力及“分化成各种细胞”的潜力发展,进行再生医疗的研究、药物的筛选、基因质体学的研究。

3.1用于生产转基因动物和克隆动物

利用胚胎干细胞作为载体,体外定向改造胚胎干细胞,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、满意的转基因胚胎干细胞系以生产转基因动物。用胚胎干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现型完全相同的个体。此法明显优于体细胞克隆动物[6]。体细胞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。

3.2用于肿瘤治疗

目前日渐深入的干细胞研究表明,成年个体内存在具有多向分化潜能的干细胞。在慢性病理状态下,微环境由于组织结构的破坏和改造(如慢性癌症),加之致癌物的作用,使诱导作用未能发生, 干细胞分化便可能阻断,在某一特定的分化状态下,干细胞便在这样部分分化的状态下持续增殖产生癌。那么,设法通过改变微环境,诱导或“操纵”癌细胞向正常细胞分化,完全可以成为癌症治疗的希望所在。2O世纪末,体内和体外研究均已证实,维甲类化合物对人类白血病细胞具有良好的分化诱导作用,证实肿瘤细胞是可以通过环境干预而被诱导分化成正常细胞的。如果能弄清肿瘤细胞逆转机理,将会为肿瘤的发病机制和临床治疗研究翻开新的一页[7]。

3.3用于新型药物研究和组织器官的修复治疗研究

胚胎干细胞提供了新型的药理、毒理及药物代谢等细胞水平的研究手段,既减少了药物实验所需的动物数量,又便于找到有效的治疗方法。无论采取自体或异体移植来修复缺损组织和器官,都受到客观条件的限制,特别是种子细胞的来源不足[8]。现在干细胞工程学的诞生和发展使组织和器官的移植研究进入了新的阶段,有望解决上述问题。据报道,小鼠ES细胞在特殊情况下分化为骨母细胞,结合组织工程技术形成有可能用于修复的骨组织。医学界梦寐以求的是,能够利用干细胞修复身体各种器官的损伤及为衰老的细胞组织补充新生细胞和组织,如果这种为科学家津津乐道、描绘的前景一片大好的蓝图可以实现的话,今后人体器官可以在实验室按需要生产,血细胞、脑细胞、 骨骼、心肌细胞,肝脏的更换都不成问题,即使患上白血病、帕金森氏症和癌症这些不治之症也能绝处逢生[9]。

4. 面临的难题

完整的干细胞产业应该包含细胞的收集、纯化、保存、应用,并以临床医疗为目标。由于受限于许多道德争议、各国法规的规范及技术层面仍未臻成熟,因此相较于其它的生技产业,干细胞公司的发展较为困难。不过,近年来话题不断的克隆技术,引发了人类对于未来器官量贩的梦想,这些干细胞公司的发展也备受瞩目。

由于这些干细胞公司在研究的领域上成果显著,不断地有惊人的研究成果发表,随着生物信息的发展,有利于科学家对干细胞分化的预测及了解,但在产品化的过程中,不论是道德争议的问题,或是各国法规规定的限制,仍面临着重重的考验。美国科学家日前成功地在不伤害人类胚胎的情况下获取了胚胎干细胞,这不仅回避了相关的伦理争议,而且有望利用此前的多项胚胎干细胞研究进展,加速胚胎干细胞用于临床医疗的多项研究。

参考文献:

[1] 宋思扬,楼士林.生物技术概论[M].北京:科学出版社.2003.23-25.

[2] 罗 克.干细胞工程一生命科学中的一个热点[J].福建畜牧兽医.2003.25(3).9-11.

[3] 瞿礼嘉,顾红雅等.现代生物技术导论[M].北京:高等教育出版社,1998.26-28.

[4] 刘雨潇等.干细胞与肿瘤研究进展[J].中国农学通报.2005(6).20.

[5] 李凌松.干细胞生物工程研究进展[J].中国生物化学与分子生物学报,2001,17(3).275-279.

[6] 吕 虎.现代生物技术导论[M].北京:科学出版社.2005.

[7] 谢丹丹.干细胞研究与应用进展[J].科技资讯.2006(28):2-3.

[8] Brinton C C.Core Transcriptional Regulatory Circuitry in Human Embryonic Stem Cells[J], Cell,2005(6): 947-956.

[9] Wolfgang Wl, Leroy N H, Michael J D, et al.Nuclear Reprogramming by Human Embryonic Stem Cells[J], Cell, 2005(5): 653-654.

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