干细胞研究的新进展

摘　要:近年来,干细胞因其自身的许多特性成为生命科学的研究热点。干细胞能够自我更新和多向分化的生物学特性,具有重要的医学价值,在基因治疗、组织工程学、药学研究等许多领域都具有广泛的应用。而且干细胞的研究对于科学家重新认识细胞生长、分化、生物发育机制等基本生命规律也将起到重大作用。虽然干细胞的研究已取得许多重大的研究进展,并展现出诱人的应用前景,但仍存在不少技术难题有待于进一步的研究。文章就干细胞的概念、特性、主要研究领域的最新进展、研究存在的问题及其应用前景作一概述。
关键词:胚胎干细胞;神经干细胞;干细胞;应用前景
在Science公布的1999年世界十大科学成果评选中,“干细胞研究的新发现”荣登十大科学成果之首;2001年末,干细胞研究又被其列为六大热门科技领域之首,由此可见干细胞在生命科学中的显要地位。而分离和体外培养各种来源的干细胞的技术不断成熟,更是引发了新一轮的干细胞研究热潮。干细胞研究领域的一系列引人注目的进展,引起了生命科学界的强烈反响,干细胞研究不仅具有不可估量的医学价值,而且也将加速科学家对细胞生长、分化、生物发育机制等基本生命规律的重新认识。
1　干细胞的概念及分类
干细胞(stemcell)是一类具有自我更新与增殖分化能力的细胞,能产生表现型与基因型和自己完全相同的子细胞,同时还能分化为祖细胞,即尚未发育成熟的细胞,它具有再生为各种组织、器官的潜能,医学界称为“万用细胞”。在传统上,按分化潜能的大小,干细胞可分为3种类型:全能性干细胞(totipotentstemcell),它具有分化为完整个体的潜能;多能性干细胞(monopotentialstemcell),这种干细胞只具有分化出多种组织细胞的潜能;单能干细胞(unipotentstemcell),也称定向或专能干细胞,这类干细胞只具有分化形成某一种类型细胞的能力。但近年来[1],干细胞“可塑性”(plasticity)的发现,打破了上述传统的分类方法。“可塑性”是指来自于一种组织的成体干细胞产生另一种其他组织细胞的能力,即发现单能干细胞也具有多能性。根据干细胞组织发生的名称也可进行分类,如胚胎干细胞(ESC)、造血干细胞(HSC)、神经干细胞(NSC)、骨髓间质干细胞(MSC)、视网膜干细胞(RSC)、肌肉干细胞、肝脏干细胞、胰腺干细胞等。
2　干细胞的特性及鉴别
既具有自我更新能力(self-renewal),又具有多向分化的潜能(multilineagedifferentiation)是干细胞最显著的生物学特性;干细胞可连续分裂几代,也可以在较长时间内处于静止状态;干细胞本身不是终末分化细胞,而是未分化的原始细胞;干细胞分裂产生的子细胞或保持亲代特征,仍作为干细胞,或不可逆地向终末分化[2];“可塑性”是近年来发现的又一重要特性,这一特性的发现不仅打破了组织再生来源于该组织干细胞的传统观念,而且具有重要的实用价值。
利用干细胞的慢周期性和自我更新能力两个特征,来鉴定在体与离体干细胞,是过去普遍采用的鉴别干细胞的最基本实验手段,但这两种方法应用时具有一定的局限性。后来研究人员依靠干细胞的表面标志,如利用荧光素的化学特性和受体的独特结构相结合的方法,来区别和鉴别各种干细胞。目前,研究人员多利用基因工程技术结合荧光素技术来鉴别干细胞,这种新技术重要性在于允许人们检测分化或定向分化时的干细胞。利用这种方法,可以进行早期的干细胞分离,在组织中识别出或在分化的过程追踪干细胞。这些鉴别手段目前在许多实验室已被广泛应用,而且在未来的干细胞研究中将起重要作用,相信随着对干细胞的研究日益深入,将会探索到更为准确、简便的鉴定方法。
3　相关研究领域
近年来,干细胞领域的研究进展可谓是日新月异。现就其中的胚胎干细胞和神经干细胞两个研究热点作简要的介绍。
3.1　胚胎干细胞
胚胎干细胞(embryonicstemcell,ES)是一种从早期胚胎内细胞团(innercellmass,ICM)或原始生殖细胞(primordialgermcell,PGC)经体外分化、抑制培养、分离和克隆得到的具有发育全能性的,能在体外培养的一种高度未分化的细胞。自从建立了小鼠胚胎干细胞系以来,科学家先后建立了鱼类、鸟类、哺乳动物以及人类的胚胎干细胞系或类胚胎干细胞系,在培养细胞与个体发育之间、体细胞与生殖细胞之间架起了桥梁。(1)ES细胞体外诱导分化的研究。ES细胞体外分化研究主要是在90年代起开始的。用于ES细胞定向诱导分化的试剂主要有维生素A酸、二甲基亚砜、六亚甲基乙酰胺及神经生长因子等。细胞,发现单层培养的ES细胞与聚集培养的ES细胞在同等诱导条件下,其分化方向各不相同。前者有90%～95%的细胞分化为神经胶质细胞,而后者的分化方向较复杂,其中以有节律性收缩的心肌样细胞最为突出。这提示了细胞之间的相互作用在ES细胞分化途径中占有举足轻重的地位,同时也印证了在胚胎发育中,不同胚胎区域或组织之间的相互作用是新组织类型形成的关键因素。后来的研究主要集中在ES细胞的定向诱导分化、试图阐明诱导分化的信号传导通路以及决定细胞进入分化程序的作用机制,寻找其关键的调节因子等方面。有研究表明维生素A酸经过2～3周的诱导可使体外培养的ES细胞向神经无定向分化,并可形成有典型的神经冲动等电生理反应的神经细胞[4]。以色列魏茨曼科学研究所赖斯纳教授领导的小组,2002年12月在《自然医学》上报道,他们在研究中采用的是“肾脏前体细胞”,这种胚胎干细胞能够定向形成肾脏细胞。研究人员将人体“肾脏前体细胞”移植入小鼠体内后发现,该细胞不仅能发育成与小鼠本身肾脏大小差不多的类似器官,而且微型人类肾脏同时仍具有一定功能。