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        干細(xì)胞研究進(jìn)展及其應(yīng)用探討

        2012-08-15 00:53:06黃旭東郭亞慧
        綠色科技 2012年5期
        關(guān)鍵詞:研究

        李 敏,黃旭東,馬 強(qiáng),郭亞慧

        (內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

        1 干細(xì)胞生物學(xué)

        干細(xì)胞(stem cell)是機(jī)體內(nèi)存在的一類特殊細(xì)胞,具有自我更新及多向分化潛能[1]。干細(xì)胞根據(jù)發(fā)生來源可分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞兩類。胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell,ES細(xì)胞)是由胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞經(jīng)體外培養(yǎng)而篩選出的細(xì)胞,具有發(fā)育全能性,理論上可以誘導(dǎo)分化為機(jī)體中200多種細(xì)胞。成體干細(xì)胞是存在于已經(jīng)分化組織中的未分化細(xì)胞,能夠自我更新并特化形成該類型組織的多能細(xì)胞[2]。

        1.1 胚胎干細(xì)胞

        胚胎干細(xì)胞是從動物早期發(fā)育的原始未分化細(xì)胞團(tuán)(Inner Cell Mass,ICM)或原始生殖細(xì)胞(Primordial Germ Cell,PGC)分離得到的一種未分化的永久性細(xì)胞系[3]。ES細(xì)胞具有具有以下特性:①ES細(xì)胞具有自我更新的能力:可以通過自我更新來維持其干性;②ES細(xì)胞具有發(fā)育的全能性:任何一個(gè)ES細(xì)胞都具有發(fā)育成一個(gè)完整個(gè)體的潛能。在體外,ES細(xì)胞可誘導(dǎo)分化出包括三個(gè)胚層在內(nèi)的所有分化細(xì)胞,若將ES細(xì)胞注射到嚴(yán)重聯(lián)合性免疫缺陷(SCID)小鼠或同源動物體內(nèi),可產(chǎn)生出三個(gè)胚層組織構(gòu)成的畸胎瘤;③ES細(xì)胞具有生殖系嵌入特性,具有種系傳遞功能,能與另一個(gè)正常胚胎嵌合,獲得包括生殖系在內(nèi)的動物個(gè)體。而且在體外對ES細(xì)胞進(jìn)行遺傳操作選擇,通常不會改變選擇后的ES細(xì)胞本身的遺傳性能。即理論上經(jīng)遺傳操作后的ES細(xì)胞仍能保持其擴(kuò)增、發(fā)育的全能性。全能性是ES細(xì)胞具有可塑性的基礎(chǔ),也是ES細(xì)胞優(yōu)于成體干細(xì)胞的地方[4]。

        此外,細(xì)胞還可以通過細(xì)胞重編程(cell programming)而獲得。目前認(rèn)為實(shí)現(xiàn)體細(xì)胞重編程的方法:體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移技術(shù)(somatic cell nuclear transfer,SCNT);細(xì)胞融合技術(shù)(cell fusion);誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)(induced pluripotent stem cell,iPS細(xì)胞)。

        1.2 成體干細(xì)胞

        成體干細(xì)胞(Adult Stem Cell)是指存在于成體已分化組織中的未分化細(xì)胞,這種細(xì)胞具有自我更新和多向分化的潛能,在特定的培養(yǎng)條件下可以形成組成該類型組織的多能干細(xì)胞的統(tǒng)稱。成體干細(xì)胞的來源不僅包括成年的動物,還包括未成年動物組織干細(xì)胞。成體干細(xì)胞具有以下特性:①成體干細(xì)胞具有自我更新的能力:可以通過自我更新來維持其干性;②成體干細(xì)胞具有多向分化的潛能:成體干細(xì)胞不具有ES細(xì)胞的全能性,但是具有多能性,即成體干細(xì)胞在自然條件下傾向于分化成所在組織的各種細(xì)胞,用于維持機(jī)體新陳代謝。但是,在特定外界條件誘導(dǎo)下,一種組織的成體干細(xì)胞可以“橫向分化”成其他組織的功能細(xì)胞,參與組織的損傷修復(fù)。

        目前為止發(fā)現(xiàn)的成體干細(xì)胞主要包括造血干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、肝臟干細(xì)胞、肌肉衛(wèi)星細(xì)胞、皮膚表皮干細(xì)胞、腸上皮干細(xì)胞、視網(wǎng)膜干細(xì)胞、頭發(fā)毛囊干細(xì)胞、胰腺干細(xì)胞等。

        2 干細(xì)胞應(yīng)用前景

        干細(xì)胞的研究是從血液系統(tǒng)開始的。1990年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎得主Gunnar Thomas等人在1967年將正常人的骨髓移植到病人體內(nèi),可以治療造血功能障礙,從而開始了干細(xì)胞應(yīng)用于血液系統(tǒng)疾病的臨床治療。2007年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎得主Martin Evans等在1981年從小鼠囊胚中分離出胚胎干細(xì)胞。20世紀(jì)70年代末,中國科學(xué)院上海細(xì)胞所開始小鼠胚胎細(xì)胞及其誘導(dǎo)分化的研究,并于1987年建立了我國第一株小鼠ES細(xì)胞系[5],并用生長因子的基因操作成功地誘導(dǎo)ES細(xì)胞分化為血管內(nèi)皮細(xì)胞[6]。1998年,美國的Thomson和Shamblott兩個(gè)研究小組又成功地使人類ES細(xì)胞在體外生長和增殖[7],使科學(xué)家們看到了干細(xì)胞生物工程的曙光:用體外培育的組織細(xì)胞取代病人體內(nèi)壞損的組織細(xì)胞。1999年,美國科學(xué)家Goodell發(fā)現(xiàn)小鼠肌肉組織干細(xì)胞可以橫向分化成血細(xì)胞。隨后,世界各國相繼證實(shí)成體干細(xì)胞,包括人類的干細(xì)胞具有可塑性,這為干細(xì)胞的臨床應(yīng)用開辟了更為廣闊的空間。此外,2007年美日兩個(gè)研究小組幾乎同時(shí)宣布成功地將人體皮膚細(xì)胞改造成了幾乎可以和胚胎干細(xì)胞相媲美的干細(xì)胞——“iPS細(xì)胞”,即誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells,iPS細(xì)胞)。iPS細(xì)胞的誕生為國際干細(xì)胞研究帶來了新的研究思路和方向,其應(yīng)用前景更加的廣闊。

        由于ES細(xì)胞具有自我更新和全能性,即ES細(xì)胞能制造機(jī)體需要的全部細(xì)胞的同時(shí)還維持著其自身的干性,使得ES細(xì)胞在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)上具有巨大潛力以及應(yīng)用前景。但是,由于ES細(xì)胞移植后可能會帶來免疫排斥反應(yīng),且培養(yǎng)獲得需破壞胚胎,其應(yīng)用就受到倫理學(xué)限制。

        成體干細(xì)胞,由于其存在于宿主體內(nèi),可從患者自身獲得。此外,有些細(xì)胞,如MSC具有低免疫原性,故移植后不存在免疫排斥反應(yīng)的限制也沒有倫理學(xué)方面的困擾。使得科學(xué)家們逐漸將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向成體干細(xì)胞,將這種類型的干細(xì)胞作為組織工程的終點(diǎn)研究對象。但是,成體干細(xì)胞只能在體外有限擴(kuò)增,多系分化效力低,通過體外的擴(kuò)增培養(yǎng)雖能夠提高轉(zhuǎn)化效率。然而體外轉(zhuǎn)化是否會引起干細(xì)胞遺傳特性的改變尚不清楚。因此,胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞的研究對生命科學(xué)領(lǐng)域而言,都具有極重要的意義,其研究成果將能互為裨益、相得益彰[8]。

        2.1 ES細(xì)胞的應(yīng)用

        2.1.1 用于生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物和克隆動物

        利用ES細(xì)胞作為載體,體外定向改造ES細(xì)胞,使基因的整合數(shù)目、位點(diǎn)、表達(dá)程度和插入基因的穩(wěn)定性及篩選工作等都在細(xì)胞水平進(jìn)行,從而獲得穩(wěn)定、滿意的轉(zhuǎn)基因ES細(xì)胞系,以生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物。

        用ES細(xì)胞為細(xì)胞核的供體進(jìn)行核移植后,在短期內(nèi)可獲得大量基因型和表型完全相同的個(gè)體。此法明顯優(yōu)于體細(xì)胞克隆動物,但后者克隆動物的成功率較低,易出現(xiàn)嚴(yán)重的免疫功能缺陷和突變(法國農(nóng)業(yè)研究院稱90% 克隆牛不能正常生長)。老鼠的胚胎干細(xì)胞中能產(chǎn)生出精、卵細(xì)胞,并能成功受精甚至可以從雌性和雄性細(xì)胞中培育出實(shí)驗(yàn)室卵細(xì)胞,將促進(jìn)生殖和克隆的研究。

        2.1.2 用于發(fā)育生物學(xué)研究

        哺乳動物早期胚胎的體積很小,又在子宮內(nèi)發(fā)育,要想在體內(nèi)研究細(xì)胞分化及其機(jī)理幾乎是不可能的,而干細(xì)胞特別是ES細(xì)胞具有獨(dú)特的發(fā)育全能性,在特定的體外培養(yǎng)條件和誘導(dǎo)劑的共同作用下經(jīng)過若干前體細(xì)胞階段,可分化為神經(jīng)、肌肉、軟骨、血細(xì)胞、上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞等,因此ES細(xì)胞是研究特定類型細(xì)胞分化的模型、探索某些前體細(xì)胞起源和細(xì)胞譜系演變的較為理想的實(shí)驗(yàn)體系。應(yīng)用基因芯片等生物技術(shù),比較ES細(xì)胞不同發(fā)育階段細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá),不僅可確定胚胎發(fā)育及細(xì)胞分化的分子機(jī)制,還可發(fā)現(xiàn)新的基因。借助基因打靶技術(shù),通過囊胚注射制作嵌合體的途徑,將外源基因引入受體基因庫,可在整體水平上研究高等動物的基因表達(dá)、調(diào)控和生理功能,同時(shí)也會為闡明胚胎發(fā)育中基因表達(dá)的時(shí)空關(guān)系提供手段。

        2.1.3 用于新型藥物研究和組織器官的修復(fù)、治療研究

        ES細(xì)胞提供了新藥的藥理、毒理及藥物代謝等細(xì)胞水平的研究手段,既減少了藥物實(shí)驗(yàn)所需的動物數(shù)量,又便于找到有效和持久的治療方法。無論采取自體或異體移植來修復(fù)缺損組織和器官,都受到客觀條件的限制,特別是種子細(xì)胞的來源不足。現(xiàn)在,干細(xì)胞工程學(xué)的誕生和發(fā)展,使組織和器官的移植研究進(jìn)入了新的階段,有望解決上述問題。據(jù)報(bào)道,小鼠ES細(xì)胞在特殊條件下分化為骨母細(xì)胞,結(jié)合組織工程技術(shù),形成有可能被用于骨修復(fù)的骨組織[9]由于尚有一些復(fù)雜的問題有待解決,因此目前著重于從成年或幼年器官或組織的碎片中分離、培養(yǎng)和擴(kuò)增某一類型的組織干細(xì)胞[10]。ES細(xì)胞作為移植源細(xì)胞和基因治療源細(xì)胞,通過定向分化取代受損的細(xì)胞,其免疫排斥反應(yīng)不大?,F(xiàn)已證明,源于ES細(xì)胞的細(xì)胞已能或可能治療許多相關(guān)疾病,如心肌細(xì)胞治療心臟疾病,白細(xì)胞治療白血病,胰島細(xì)胞治療糖尿病,肝細(xì)胞治療肝炎,軟骨細(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎,皮膚細(xì)胞治療燒傷和創(chuàng)傷,骨細(xì)胞治療骨質(zhì)疏松癥,神經(jīng)細(xì)胞治療帕金森氏癥等。

        2.2 成體干細(xì)胞的應(yīng)用

        2.2.1 HSC的應(yīng)用

        HSC是體內(nèi)各種血細(xì)胞的唯一來源,成體內(nèi)的HSC主要存在于骨髓中,外周血中也有[11]。目前,HSC已廣泛用于白血病的治療,有數(shù)據(jù)顯示國際上應(yīng)用HSC移植聯(lián)合化療治療急性淋巴細(xì)胞白血病的5年無病生存率約為80%,個(gè)別治療中心可達(dá)90%,而急性非淋巴白血病也可達(dá)40%左右[12]。此外,對放、化療敏感的晚期癌癥患者或常規(guī)治療無效、復(fù)發(fā)或高度惡性的癌癥患者,可先用超大劑量的放、化療最大限度的清除患者體內(nèi)的癌細(xì)胞,然后移植HSC重建被破壞的造血系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)[11],這種聯(lián)合治療已經(jīng)成功應(yīng)用于乳腺癌、神經(jīng)母細(xì)胞瘤等惡性疾病的治療[13]。HSC還應(yīng)用于慢性肝炎等一系列疾病的治療中。

        應(yīng)用HSC對許多疾病的治療應(yīng)經(jīng)進(jìn)入了臨床試驗(yàn)階段,在我們最近發(fā)表的一篇文章中[14],用計(jì)算機(jī)檢索了截止到2011年1月31日,中國臨床試驗(yàn)注冊中心數(shù)據(jù)庫及美國clinicaltrials數(shù)據(jù)庫中注冊的干細(xì)胞用于乳腺癌治療的臨床試驗(yàn)研究。在中國臨床試驗(yàn)注冊中心數(shù)據(jù)庫中輸入檢索詞為“乳腺癌”,共檢索到23例,其中符合標(biāo)準(zhǔn)的僅有1例。在美國clinicaltrials數(shù)據(jù)庫中輸入檢索詞為“stem cell+therapy+cancer”,共檢索到2551例,其中用干細(xì)胞治療乳腺癌的臨床試驗(yàn)共134例,包括I期臨床試驗(yàn)的73例,II期52例,III期9例。134例臨床試驗(yàn)中使用的干細(xì)胞均為HSC,未見其它類型的干細(xì)胞,所用HSC的來源包括骨髓、外周血和臍血。

        2.2.2 MSC的應(yīng)用

        MSC是一類來源于中胚層的、具有自我更新及多向分化潛能的干細(xì)胞,在體外能夠分化為多種細(xì)胞,如骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞等[6]。與HSC的研究相比,MSC的研究起步較晚,但發(fā)展很快。研究發(fā)現(xiàn)MSC可以定向歸巢到病變組織并在病變組織中存活和增殖。在體外對MSC進(jìn)行基因修飾后注入體內(nèi),能夠歸巢到病變組織而殺死病變組織的細(xì)胞,這一特點(diǎn)使MSC成為了細(xì)胞治療的極好的載體[15,16]。

        除此,MSC對難治性移植物抗宿主?。℅raft Versus Host Disease,GVHD)具有很大應(yīng)用價(jià)值,MSC具有免疫調(diào)節(jié)作用,能抑制GVHD[17];MSC可用于自身免疫疾病的治療,MSC分化的軟骨細(xì)胞具有與MSC共同的特性,MSC可以通過表達(dá)成骨及血管生成因子協(xié)同促進(jìn)修復(fù)骨缺損[18];MSC還可以減輕炎癥反應(yīng),將轉(zhuǎn)染睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子基因的MSC用于過敏性腦脊髓炎模型鼠后,外周血腫瘤壞死因子-a表達(dá)水平明顯降低,損傷部位炎性細(xì)胞浸潤減少,顯示出良好的治療效果[19]。由于骨髓源性的MSC能夠阻止肝纖維化進(jìn)展,使得MSC可以應(yīng)用于治療肝硬化[20]。MSC可以使新血管生成增加、心肌再生,因此異體人MSC可以應(yīng)用于急性心肌梗死等心腦血管疾?。?1]。MSC移植可使神經(jīng)細(xì)胞再生和神經(jīng)結(jié)構(gòu)重建,恢復(fù)損傷的神經(jīng)功能,使其成為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病理想的種子細(xì)胞?;熀蟛∪斯撬鐼SC增殖能力、粘附性及分泌白介素及干細(xì)胞生長因子的能力均下降,因此MSC對于輔助化療的病人具有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值[22]。除以上應(yīng)用外,MSC在支持造血干細(xì)胞體外擴(kuò)增及治療面部皺紋等方面亦取得一定效果[23],MSC治療糖尿病、腎病[24]等疾病的研究正在進(jìn)行中。還可治療克羅恩病、成骨不全、軟骨損傷、脊髓損傷[25]等疾病。

        2.2.3 其他干細(xì)胞的應(yīng)用

        神經(jīng)干細(xì)胞及精原干細(xì)胞由于其發(fā)生部位限制了其廣泛應(yīng)用,但其用于治療特定部位引起的組織特異性疾病功效十分顯著,神經(jīng)干細(xì)胞也用于治療腦梗塞、帕金森等神經(jīng)系統(tǒng)及腦組織病變引發(fā)的疾病。精原干細(xì)胞主要用于男性不育方面。

        iPS細(xì)胞是通過導(dǎo)入幾個(gè)與多潛能性相關(guān)的因子至體細(xì)胞中而獲得的多能干細(xì)胞,它具有與胚胎干細(xì)胞相似的特點(diǎn),可以分化為HSC,也可以作為基因運(yùn)載細(xì)胞,同時(shí)由于可以培養(yǎng)來自于患者自體細(xì)胞的iPS細(xì)胞,使用時(shí)不存在免疫排斥問題[26~28]。當(dāng)前,研究者已經(jīng)獲得了無病毒基因組成分的iPS細(xì)胞,去除了可能因病毒隨機(jī)插入而導(dǎo)致的安全隱患[29,30]。因此,盡管目前還沒有iPS細(xì)胞用于疾病治療的研究,推測iPS細(xì)胞也有望應(yīng)用于臨床治療相關(guān)疾病,并且其可能具有與胚胎干細(xì)胞一致的相關(guān)功能,因此有望得到廣泛應(yīng)用。

        3 結(jié)語

        由于干細(xì)胞具有如此之多的優(yōu)勢,其發(fā)展前景十分廣闊,在臨床應(yīng)用上也具有不可估量的潛力,因此全面的對干細(xì)胞進(jìn)行系統(tǒng)的研究很有必要。目前仍存在一些問題急需解決,如人胚胎干細(xì)胞和胚胎生殖細(xì)胞體外培養(yǎng)時(shí)增生而不分化的機(jī)制是什么?抑制干細(xì)胞分化的內(nèi)源性機(jī)制是什么?成人干細(xì)胞在體內(nèi)有無可塑性,可塑性是否所有成人干細(xì)胞都發(fā)生,調(diào)控因素是什么?驅(qū)使干細(xì)胞到損傷部位修復(fù)損傷的因素是什么?干細(xì)胞分化成特定細(xì)胞和組織作為器官移植的依據(jù)和機(jī)制是什么?干細(xì)胞分化的哪個(gè)時(shí)期最適合移植需要,最適合藥物或毒物的篩選,具有最強(qiáng)的攜帶治療藥物的能力,移植后在體內(nèi)的成瘤性等。弄清這些問題的答案是進(jìn)行臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)。

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