点击显示 收起
在20世纪末和21世纪初干细胞的研究取得了突破性进展,主要进展包括两个方面:一是成功建立了可以分化为人体任何组织类型的成熟细胞的人类胚胎干细胞(embryonic stem cells,ES)系,这是干细胞研究的重大里程碑和生命科学的重大技术突破［1］;二是发现成人各种组织中均有未分化成熟的干细胞分布,这类干细胞的基本功能是在生理条件下更新正常衰老死亡的细胞,维护组织或器官的结构完整和正常功能,而在组织损伤等病理条件下可动员、增殖和分化为成熟的功能细胞,修复损伤［2］。传统认为,特定组织中的干细胞只能向它所存在组织类型的成熟细胞分化,而这一观点目前受到挑战。许多研究结果证明,一种组织中的干细胞不但可以分化为它所在组织类型的成熟细胞,而且在特定的条件下或移植到其他组织中,还可以被诱导分化为其它无关组织类型的成熟细胞,有的还可打破胚层限制,分化为不同胚层的成熟细胞［3,4］。比如骨髓组织中的干细胞不但可分化为各种血液细胞,还可分化为脑神经细胞,脑组织中的干细胞可以分化为神经细胞,移植到受致死量放射线照射的小鼠骨髓组织中,也可以重建造血免疫功能。最近还有人从骨髓、神经等组织获得具有与ＥＳ细胞特性相似的成体干细胞,这类细胞可以在特定条件下分化为三个胚层的多种类型的成熟细胞。成人体内的干细胞虽然数量稀少,但由于其可塑性强,取材容易,可实现自体化治疗,避免了ＥＳ细胞或异体细胞治疗的免疫排斥、伦理和未知病源感染等问题。干细胞的研究进展极大地促进了生命科学研究和生物技术产业的发展,同时也预示着一些目前难以治愈的疾病可能由于干细胞的研究与应用而得到有效治疗,因此在最近几年受到相关研究者和社会各阶层的广泛重视。
1 干细胞研究技术的新进展
干细胞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种功能细胞,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。根据细胞的发育阶段,干细胞可分为来源于早期胚胎的胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESCs)和存在于成人各组织中的成体干细胞(adult stem cell,ASCs)。 人类ESCs可来源于桑椹球细胞、囊胚内细胞团或拟胚体细胞等［5,6］,还有发现从流产胎儿生殖脊分离获得的生殖原基细胞(embryonic germ cell,EGCs)和从畸胎瘤组织分离获得的多能干细胞也具有与ESCs类似的生物学特性,即具备分化为成人所有组织类型的成熟细胞的潜能［7,8］。1998年,美国科学家从人囊胚内细胞群分离培养胚胎干细胞(embryonic Stem Cells)并建立细胞系,与此同时,美国的另一研究小组从妊娠5～9周的胎儿生殖脊组织中也分离获得胚胎干细胞样细胞,此后,科学家从畸胎瘤组织、成人骨髓、胎盘,甚至外周血中均分离获得胚胎干细胞样细胞,这些进展为人类认识和利用干细胞前进了一大步［9,10］。当受精卵分裂发育成囊胚时,将内细胞团(inner cell mass)分离出来进行培养,在一定条件下,这些细胞可在体外“无限期”地增殖传代,同时还保持其全能性,因此被称为胚胎干细胞。胚胎干细胞在培养条件下,若加入白血病抑制因子LIF(leukaemia inhibi tory factor),则能保持在未分化状态,若去掉LIF,胚胎干细胞迅速分化,最终产生多种细胞系,如肌肉细胞、血细胞、神经细胞或发育成“胚胎体”。
1997年,英国科学家利用核移植技术已发育成熟的体细胞移植到去核卵母细胞中,在体外条件下成功将成体细胞的发育时钟拨回到最原始状态,然后启动其发育和分化机制,再历经了像天然受精卵发育那样的胚胎干细胞的发育和分化,胚胎形成和组织器官的发育,最终诞生一个新的生命体,表明成体细胞在合适的条件下可以返老还童,关键在于如何创造这种适于细胞返老还童的条件和土壤。依据上述原理,科学家怀疑成人组织细胞的更新与修复可能源于其中存在具有多向分化潜能的干细胞或逆向分化机制,于是对成体干细胞进行了深入研究。1999年,美国科学家Margarel Goodell发现小鼠肌肉组织干细胞可以“横向分化”(transdifferentiation,转分化)成血液细胞,这一发现很快被世界各地的科学家证实,并且发现其他组织来源的人成体干细胞同样具有“横向分化”的功能［11,12］。现在已证明人的骨髓干细胞可以分化为肝脏细胞、肌肉细胞、神经细胞等。这种横向分化具有相当的普遍性,也就是说,“横向分化”可以利用病人自身的健康组织干细胞,诱导分化成为病损组织的功能细胞,从而达到治疗各种组织坏损性疾病的目的。这种方法的优点是,既可克服由于异体细胞移植的免疫排斥,又可以克服胚胎细胞来源的不足以及其他社会伦理和法律问题。
近几年的研究证明:成人各种组织中均有干细胞分布,这些细胞的主要特点是具有自我更新和至少分化为一种成熟细胞的能力,它们在基本功能是负责生理性更新正常衰老死亡的组织细胞和参与病理性损伤的修复及再生它们所定居部位的组织细胞。成体干细胞是自我复制还是分化成为功能细胞,主要由干细胞本身的状态和微环境因素所决定［13］。干细胞本身的状态包括调节细胞周期的各种周期素(cyclin)和周期素依赖激酶(cyclin dependent kinase)、基因转录因子、影响细胞不对称分裂的细胞质因子。微环境因素包括干细胞与周围细胞,干细胞与外基质以及干细胞与各种可溶性因子的相互作用。在正常情况下,干细胞能根据所处组织类型分裂产生祖细胞,祖细胞经历一系列细胞分化和分裂步骤产生复杂的成熟细胞网络,成体干细胞的分化、发育在维系成体组织器官的正常结构与功能及生命活动方面均发挥重要作用。不同组织来源是干细胞其生物学特性可能有所不同,而同一组织中可能存在处于不同种类、不同分化阶段的干细胞［14］。在生理条件下,成体干细胞数量稀少,处于静止状态,生存于特定的微环境中,它的增殖与分化受到周围环境的严重调控。虽然我们还没有完全弄清干细胞发育分化的详细机制,但已有研究结果提示,从干细胞的角度有可能找到人类生命发生发展的本质和规律,寻找到延年益寿、延缓衰老、组织器官功能重建和各种疾病治疗的有效措施。
2 骨髓干细胞及其可塑性
在众多干细胞研究报道中,骨髓干细胞由于其材料来源方便、含量丰富,因此受到人们关注,已在分离纯化、扩增培养、诱导分化以及临床应用方面取得较大进展。骨髓组织中至少存在造血干细胞(hematopoitetic stem cells,HSC)和间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)两种不同类型的干细胞,最近还发现有分化潜能更强的胚胎干细胞样多潜能成体祖细胞(multipotent adult progenitor cell,MAPCs),可能还存在有其它类型的干细胞［15］。这些表型特征、分化潜能及功能不同的干细胞之间的内在联系是否来源于骨髓组织中更早期的同一类型干细胞尚不清楚,但有理由相信,它们的可塑性在疾病治疗中具有重要意义。例如,造血干细胞是一类典型的能产生祖细胞并具有自我更新能力的细胞,祖细胞又能以一个既定的顺序依次分化为各种成熟血细胞,可以用于造血和免疫功能重建。目前已在临床上用造血干细胞治疗血液肿瘤根治、实体瘤辅助治疗以及遗传性疾病、免疫异常症、难治性感染等多种类型的疾病。
综合骨髓干细胞的研究报道,目前已经在MSC的体内外分化潜能分析和分离纯化、表型标志分析、体外扩增、定向诱导等方面取得进展,为临床应用奠定了一定基础,部分研究成果已在临床应用,显示出良好的应用前景。目前关于MSC的主要进展有:(1)骨髓组织中的干细胞具有异质性,包含造血干细胞、间充质干细胞、血管内皮前体细胞、胚胎干细胞样细胞等表型和分化倾向或潜能不一的干细胞［15,16］。(2)MSC的多向分化潜能的认识主要从体内实验获得,因此认为体内微环境在MSC的分化方向中至关重要,已对体内干细胞的微环境的结构和部分调控机制有所了解,但其启动和诱导MSCs分化的详细机制有待进一步研究［17］。(3)体内分化潜能:通过胚胎早期MSC嵌合、不同组织MSC的定位植入器官移植后的回顾性分析等发现,MSC具有多向分化潜能,可以分化为几乎所有类型的功能细胞［18］。(4)体外分化潜能:通过细胞因子、转基因修饰、天然物质、化学物质、某些物理因素、模拟体内微环境等诱导因素证实:MSCs可以分化为神经、皮肤、角膜、肌肉、肝、心、骨、软骨、脂肪、肌腱、肺等18种类型的成熟细胞分化,造血干细胞(HSCs,CD34+细胞)可向血液、神经、肝、肾等功能细胞分化,诱导后的细胞移植到动物模型体内可发挥相应功能［19,20］。(5)MSCs动物模型移植治疗:神经损伤(脑损伤、脊髓损伤)、肝损伤、心肌梗死、重症肌无力、肾损伤、骨创伤、皮肤损伤等50余种疾病的动物模型移植治疗,显示有一定疗效［21,22］。(6)MSCs的临床应用:对恶性血液病、实体肿瘤、免疫异常性疾病、遗传病、重症肌无力、脑中风、心肌梗死、肾功能不全、急慢性肝损伤、股骨头坏死、脊髓损伤、运动神经元病等60多种疾病进行治疗,均显示有治疗作用［23~28］。
3 骨髓干细胞的临床应用前景展望
目前关于MSCs的研究,已在其体外分离、纯化、扩增、定向诱导分化技术及相应的分子调控机制等方面取得一定进展。MSCs的可塑性已在体内外实验中获得许多证据,部分研究成果甚至已在临床治疗中发挥一定作用,显示出良好的应用前景。但是,要真正在临床推广应用MSCs治疗技术,还需要进行深入研究MSCs分化的条件及调控机制,不断完善分离纯化、扩增和诱导分化的技术方法,建立适合临床应用的标准化技术方案和进行疗效分析、安全性评价。例如,明确治疗用的MSCs细胞的来源、数量、诱导分化技术、临床适应证及治疗途径、临床疗效评价标准等。
【参考文献】
1 Thomson J A,Itskovitz Eldor J,Shapiro SS,et al.Embryonic stemcell lines derived from human blastocysts.Science,1998,282:1145-114.
2 Filip S,Morkr J,Hrusk A.Adult stem cell sand their Importance in cell therapy .Folia Biologica, 2003, 49:9-14.
3 Ingrid K, Margaret AG.The therapeutic potential of stem cells from adults. BMJ. 2002,325:372～376 Elaine F,Julia AS.Stem Cells: A NeW Lease on Life .Cell,2000, 100 :143-155.
4 Preston SL,Alison MR,Forbes SJ,et al. The new stem cell biology: something for everyone .J Clin Pathol:Mol Pathol,2003,56:86-96.
5 Janet R.Stem cellsfrom the mammalian blastocyst . Stem Cells,2001,19:477-482.
6 Wobus AM.Potential of embryonic stem cells .Mol Aspects Med,2001,22:149-164.
7 Odorico JS, Kaufman DS, Thomson JA. Multilineage defferentiation from human embryon icstem cell lines .STEM CELLS,2001,19:193-204.
8 Anthony DH. The challenge of stemcell technology: from bed side to bench .Zellbiologie aktuell, 2004, 30:17-20.
9 Emerson CP,Geng YJ,James TW.Adult stem cell therapy in perspective .Circulation,2003,107:935-938.
10 Orki SH,Zon LI:Hematopoiesis and stem cells: Plasticity versus devel opmental heterogeneity .Nat Immunol,2002,3:323-328.
11 Thomas G. Differentiation plasticity of hematopoie-tic cells .Blood,2002,99(9):3089-3101.
12 Lumelsky,N.(2001). Differentiation of embryonic stem cells to insulin secreting structures sinilar to pancreatic islets .Science 292:1389-1394.
13 Stephen JR,Steven JK,Joyrathjen et al. Embryonic stem cell differentiation and the analysis of mamamlian development.Int,J,Dev .Biol,2002,46:449-458.
14 Yuehua J,Balkrishna J,Reinhardt RL,et al. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow . Nature, 2002, 418:41-49.
15 Bjornson CR,Rietze RL,Reynolds BA,et al. Turning brain into blood: a hematopoietic fate adopted by adult neural stem cells in vivo.Science,1999,283:534-537.
16 Mezey E,Chandross KJ,Harta G,et al. Turning blood into brain:cells bearing neuronal antigens generated in vivo from bone marrow. Science, 2000,290:1779-1782.
17 Luciano C,Steven MP,Thorsten G,et al. Niche in dependent Symmetrical Self Renewal of a Mammalian Tissue Stem Cell .PloS Biology, 2005, 3 (9):1594-1606.
18 Ngan TH.The Potential of Stem Cells .MURJ, 2002, 6:49-51.
19 Douglas RM,Nancy RC,Terri LH,Glenn PN, and Henry JB,Isolation and characterization of multipotential mesenchymal stem cells from feline bone marrow .Exp Hematol,2002,30:879-886.
20 Martin K,Zeev E.Adult Stem Cells for Tissue Repair A New Therapeutic Concept .N Engl J Med,2003,349:570-582.
21 Doetsch F.Anicheforadultneuralstemcells .Curr Opin Genet Dev,2003,13:543-550.
22 Steven MD,Carring ton C,Matt J,et al.Mesenchymal stem cells distrivute to a wide range of tissues following systemic infusion into nonhuman primates .Blood,2003,101:2999-3001.
23 Weissman IL.Stemcells:units of development, units of regeneration, and units in evolution . Cell, 2000, 100:157-168.
24 Krause DS.BM derived stem cells for the treatment of nonhematopoietic diseases .Cytotherapy, 2000, 4(6): 503-506.
25 Mark FP,Bradley JM.Mesenchymal stem cells and the ir potential as car diac therapeutics .Circ Res,2004, 95:9-20.
26 Olle L,Zaal K,Alberto MS.Stemcell therapy for human neurodegenerative disorders how to make it work . Neurodegeneration,2004,7(s):42-49.
27 Zhao L,Duan W,eyes M,et al.Human bone marrow stem cells exhibit neural phenotypes and ameliorate neurol ogical deficits after grafting into the ischemic brain of rats .Exp Neurol, 2002, 174:11-20.
28 Sarah JB,Johns,Gareth M,et al. High dose immunosuppressive therapy and stem cell transplantation in autoimmune and inflammatory diseases .Int Immunopharmaco,2002,2:399-414.
作者单位：421002 湖南衡阳，解放军第169医院骨科