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干细胞及其应用前景分析

时间:2015-01-14 17:51:50  来源:  作者:宋晓平; 窦忠英

人多能干细胞系的成功分离和培养,已引起世界范围的广泛关注和巨大反响。1999年美国((Science》杂志将其列为当年世界十大科学进展之首。干细胞在基础研究、基因治疗、器官修复等方面意义重大,但对人多能干细胞系还应进行严密的科学检验,与其相关的新疗法和预防战略的前景应进行评估,所引发的伦理问题应进行公开讨论。

1 干细胞的概念 干细胞(stemcells)在培养过程中具有无限分裂和产生特化细胞的能力。正常的发育过程是从精卵结合形成一个单细胞开始,这个细胞具有形成一个完整生物体的能力,即该受精卵是全能的(totipotent)。在受精后最初几小时,这种细胞分裂为完全相同的全能细胞,将这些细胞中的任何一个,植入子宫内,都具有发育为胚胎的潜能。当两个全能细胞分离并发育为两个个体,就形成了遗传学完全相同的同卵双生性双胞胎。在受精后,经若干个细胞分裂周期,这些全能的细胞开始特化(specialization),形成一个中空的细胞球体,称为囊胚(blastocyst),囊胚内所存在的一群细胞称为内细胞团(innercellmass)。这些内细胞团细胞具有多能性(pluripotent),可产生多种类型的细胞,但不是胎儿发育所需的所有类型的细胞,如果将一个内细胞团细胞置入子宫内,则不能发育成胎儿。 多能干细胞进一步特化为能形成特殊功能细胞的干细胞,这些更加特化的干细胞具有多组织性(multipotent),如血干细胞可形成红细胞、白细胞和血小板;皮肤干细胞可形成多种类型的皮肤细胞。多组织干细胞也在儿童和成人中发现,如存在于骨髓中的血干细胞。血流中也发现少数循环的血干细胞。血干细胞在人的整个一生中执行着不断补充红细胞、白细胞和血小板等,血细胞的重要作用,没有血干细胞人无法生存。这些多组织干细胞称成体干细胞(adultstemcells)。

2 多能干细胞系的建立 目前,多能干细胞系的建立主要有两个来源:即分离培养内细胞团以形成多能干细胞,或从终止妊娠的胎儿组织获得多能性干细胞。Thomson从体外受精医疗中心获得WF胚胎,这些胚胎是用来生殖而不是研究,故须征得捐赠夫妇的同意;Geahart博士在取得捐赠者同意后,从终止妊娠的胎儿组织获得多能干细胞。虽然获得多能干细胞的来源不同,但二者似乎非常相似。 此外,应用体细胞核移植可能是进行多能干细胞分离的另一途径。在动物体细胞核移植的研究中,应用正常动物的卵细胞移去核,然后将体细胞置入去核的卵中,并使二者融合。融合细胞及其直接形成的子细胞如移入受体子宫有发育成完整动物的潜能。这些全能性细胞不久将形成囊胚。来自这种囊胚内细胞团的细胞,理论上,可被用于研制多能干细胞系。

3 多能干细胞的潜在应用 多能干细胞的分离对科学发展和医疗方法的改进非常重要。在基础水平上,多能干细胞能帮助人们了解在发育过程中所发生的复杂事件,该项工作的最初目的是对导致细胞特化的细胞决定过程中相关因子的认识。众所周知,基因开关对该过程至关重要,但对这些决定基因或什么因素决定着其开放或关闭了解甚少。一些危害严重的疾病,如癌症和先天性缺陷,是由于异常的细胞特化和细胞分裂引起。对正常细胞过程的更深入了解,可使我们进一步弄清引起致死性疾病的根本原因。 多能干细胞研究能极大地改变药物研制和药物安全性试验的方法。如可用细胞系进行新药的最初试验,如癌细胞系。利用多能干细胞可在88必发娱乐场的细胞类型中试验,这虽然不能代替整体动物和人体试验的方法,但可使药物研制过程更合理并提高效率。在细胞系试验中安全有效的药物方可进一步在实验动物和人体上试验。 多能干细胞最具深远意义的潜在应用是由这些细胞所产生的子细胞或组织被用于所谓的"细胞治疗"。许多疾病和功能失调是由细胞功能破坏和身体组织破坏所引起。目前,捐赠的器官和组织常常用于代替疾病的或被破坏的组织,但患者的数量远远超过可供移植器官的数量。多能干细胞,被诱导后发育成特化细胞,提供了替代细胞和组织的新来源,可用于治疗各种各样的疾病和残疾,包括帕金森病和阿尔茨海默病、脊髓损伤、中风、烧伤、心脏病、糖尿病、骨关节炎和风湿性关节炎等。几乎各个医学领域均涉及这种新事物,健康心肌细胞移植可为慢性心脏病患者提供新的希望。从多能干细胞分化形成心肌细胞,并植入衰竭的心肌以便补偿患病心脏的功能。在小鼠和其它动物上的初步研究已证明健康心肌细胞移植人心脏可成功地重新形成心脏组织,并与宿主细胞'起工作。许多I型糖尿病患者,特化的胰脏细胞,即胰岛细胞产生胰岛素的功能出现异常。有证据表明整体胰脏或分离的胰岛细胞的移植均可减缓胰岛素注射的需要。来源于多能干细胞的胰岛细胞可用于糖尿病的研究,并最终用于移植。 在这些研究成果显示出异乎寻常前景的同时,真正实施前,尚面临许多技术性挑战。首先,必须进行基础研究以搞清引起细胞特化的细胞事件,以便指导这些多能干细胞形成移植所需要的组织类型;其次,在这些细胞移植前,必须克服众所周知的免疫排斥问题,因为来源于胚胎或胎儿组织的多能干细胞在遗传学上不同于接受者,未来的研究需集中在修饰多能干细胞将其组织不相容性降到最低程度。 体细胞核移植的应用可能是克服一些患者组织不相容性问题的另一途径。如对渐进性心衰患者而言,应用体细胞核移植技术,最终将来自患者的体细胞核与去核的受体卵细胞融合,给予适宜的刺激后,细胞可发育为囊胚。来自内细胞团的细胞可用来创建多能细胞,这些细胞随后可被刺激形成心肌细胞。因为绝大多数遗传信息存在于细胞核中,所以这些细胞在遗传学上基本与心衰患者是一致的。当这些心肌细胞被移植回患者,应该没有排斥现象,患者也不需要用可能有毒性作用的免疫抑制药物治疗。

4 成体干细胞 一些类型的成年组织中可找到多组织干细胞。事实上,干细胞是用来更新人体在正常情况下老化的细胞,如前所述的血干细胞。虽然,多组织干细胞未在所有成年组织中发现,但在该领域内的研究发现不断增加,如以前认为成年神经系统中不存在干细胞,但近年来,从大鼠和小鼠神经系统分离到了神经干细胞。而人方面的研究受到88必发娱乐场限制,神经干细胞已从胎儿组织分离得到,一种可能为神经干细胞的细胞已从癫痫症治疗外科手术中去掉的成年脑组织中分离出来。最近有从心脏和胰岛中分离出干细胞的报道。目前,哺乳动物多组织干细胞,如血干细胞能改变发育历程而形成皮肤细胞、肝细胞,或形成与血干细胞和特殊类型血细胞不同的其它类型细胞的证据不多,但这方面的研究已引起科学家对这种观点的探讨。 动物试验表明,一些先前认为可发育为一种特化细胞系的成体干细胞,也可发育成其他类型的特化细胞。如新近的小鼠试验表明,将神经干细胞植入骨髓后,产生了一类血细胞,而在大鼠骨髓中发现的干细胞可形成肝细胞。这些令人兴奋的研究表明,在一定条件下,开始特化的干细胞要比最初想象的更具有可塑性(flexibility)。而成体干细胞的这种特性也仅在动物发现并限制在少数几个组织类型上。 成体干细胞在细胞治疗方面具有巨大潜力,用于移植具有很多优点。如果从患者分离成体干细胞,并诱导分化和指导特化,然后将其移植回患者,这些细胞将不被排斥。应用成体干细胞治疗肯定可减少、甚至可避免应用人胚胎或人胎儿组织干细胞引发的许多伦理问题。虽然成体干细胞具有现实的应用前景,但其可否成功应用还受一些重要因素制约。如成体干细胞没有从人体所有组织分离得到,且成体干细胞的存在数量常很少,分离纯化困难,其数量随年龄增长而减少。任何试图应用来自患者自身干细胞的治疗,需要首先从患者分离干细胞,然后,培养成用于治疗的足够数量。对于一些急性疾病,没有足够的时间培养足够数量的细胞用于治疗。其他疾病,如遗传缺陷性疾病的遗传错误很可能存在于患者的干细胞中,从这些患者获得的细胞不适合用于移植。有证据表明,来自成人的干细胞不具有年少者的增殖能力。此外,成体干细胞可能含有88必发娱乐场的DNA异常,如由日常生活,包括阳光、毒素等因素,以及DNA复制错误引起的DNA异常。这些潜在的弱点限制了成体干细胞的应用。 成体干细胞比多能干细胞具有更长的特化过程,不能用成体干细胞进行细胞特化早期阶段的研究。此外,一个成体干细胞系可形成数个组织类型,但没有足够证据表明,来自成年人或动物的干细胞是多能的。事实上,没有证据表明成体干细胞具有多能干细胞广阔的分化潜能特征。为了确定用于新疗法甚至治愈疾病的特化细胞和组织最好的来源,研究成体干细胞的发育潜能和将其与多能干细胞进行比较非常重要。

5 小结 如果说干细胞对研制最具毁灭性疾病的新疗法有巨大前景,那么,同时寻找所有的研究细胞系亦相当重要。科学和科学家需要寻找获得这些细胞的最好来源。一旦来源被确认,不管其来源如何,研究者将用其来寻求研制新的细胞治疗方法。由多能和多组织干细胞系可产生人体很多组织,这是科学界的惊人成就。现实地说,这项研究具有革新医疗实践和改善生存质量和延长生命的潜力。

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