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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。6 R/ U" I2 W! p0 Z
关键词:胚胎干细胞;神经干细胞;干细胞;应用前景
' k! g/ A1 v1 Z) O7 \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。
- q0 l6 q. ^* M# K+ a6 d1 干细胞的概念及分类8 }% z* n( \% S5 J$ N4 d, W# t
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。6 I7 S4 N0 K1 t3 c$ y1 L2 m& _% G4 I
2 干细胞的特性及鉴别 Q7 P8 y4 j& D( _5 H& C. q
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。( X' s% v* \# p( \- e: Z
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。
, u# X0 Z3 `6 U, m t3 相关研究领域
" P2 u U0 C9 |: `% G) ^0 R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。
9 n9 d* K$ v1 |! K3.1 胚胎干细胞2 F& p( x2 Q7 A5 l# j
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。
2 X7 ]) O6 `: M% K1 qES细胞在体外分化中同时产生不同类型的分化细胞反映了多能干细胞的一种不受约制的自我无序发育。ES细胞的定向分化则意味着要控制它们的分化,导向产生一个单一类型的分化细胞,这是一个探索性很强的课题。不过最近几年这一领域的研究进展很快。2001年,美国威斯康星大学的Thomson和Kaufman成功地将人类胚胎干细胞分化成人类骨髓中的造血先驱细胞,并进一步培养成红细胞、白细胞、和血小板等血液细胞[5]。以色列的科学家利用人胚胎干细胞成功培养出了心肌细胞和能制造胰岛素的细胞。
7 [) O9 a: A+ X% X: g! P1 H8 a5 S(2)ES细胞相关细胞因子的研究。与ES细胞相关的细胞因子可分为分化抑制因子和生长因子两大类:分化抑制因子包括白血病抑制因子(LIF)、腺病毒E1A样激动剂A等;生长因子则包括干细胞因子(stemcellfactor,SCF)、胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、表皮生长因子(epidermalgrowthfactor,EGF)、forskolin等。目前研究最多的是LIF和SCF。. k- \4 X0 L/ H3 i
白血病抑制因子(leukemiainhibitoryfactor,LIF)是目前应用最广泛的一种ES细胞分化抑制因子,根据LIF前体蛋白N端信号肽起始若干个信号残基的不同,可将其分为分泌型(D型)和基质型(M型)两种 型可分泌到细胞外液中,是可溶的;M型则锚定在细胞外基质上[6]。LIF最显著的生物学功能是体外抑制ES细胞分化,维持ES细胞的增殖和多能性。YanberWuu[7]认为,LIF也可完全抑制肿瘤坏死因子α(TNFα)对ES细胞诱导分化的作用。; I8 k2 y" E1 Q2 v# H
SCF是由骨髓微环境中的基质细胞产生的一种酸性糖蛋白,它有两种存在形式:可溶性SCF和膜结合型SCF。与可溶性SCF相比,膜结合型SCF能够更长久地支持造血,对原始胚胎细胞存活的刺激作用也较强。可溶性SCF激活c-kit受体短暂,诱导细胞表面c-kit受体下调更迅速。SCF既有化学激动性,也有化学趋化性。膜结合型SCF促进造血祖细胞回到骨髓。静脉输注kit+造血祖细胞后其沿着SCF的梯度移动到骨髓。这是由kit黏附到骨髓基质细胞表面的SCF引起[8]。Yonemura等[9]认为SCF单独在体外不能维持干细胞数量,体内作用是SCF和其他细胞因子相互作用的结果。
) M* g5 F! M) P' g4 k3.2 神经干细胞2 z3 D7 U* i5 B W5 b
神经干细胞(neuralstemcell,NSC)是指神经系统中处于较早发育阶段的细胞群体,它们可以通过自身的对称性或不对称性[10]两种分裂方式进行自我复制,产生神经组织中不同发育阶段和不同分化方向的细胞,最终生成具有一定细胞数目和多种细胞类型的神经组织[11]。NSC最突出的生物学特性是自身复制和多方向分化潜能。新近研究证明,利用NSC可实现跨胚层分化,如分化为骨骼肌细胞和造血样细胞等。例如,神经生物学家Bjornson等用NSC在接受致死量照射毁髓处理的小鼠中实现造血重建,这使人们对NSC的多潜能性有了更深层的认识,也使人们对NSC的分化研究寄予更高的期望。) {1 @1 g; \+ ?" c
影响NSC分化的因素主要有成纤维细胞生长因子(fibroblastgrowthfactor,FGF)和EFG。它们一方面可以保持NSC的未分化状态,另一方面在一定程度上影响NSC的分化。3 U" \8 |2 T$ z) J4 `: u y+ a$ w
FGF家族包含至少15个成员,其中FGF2起着更重要的作用。FGF2可与其他因子共同调节神经干细胞增殖。FGF2减少时,神经干细胞即可分化成神经元、胶质细胞和少突胶质细胞,说明了FGF2在诱导增殖时抑制神经干细胞的分化。FGF2对神经前体细胞的增殖作用可被其他因子阻滞,说明神经前体细胞的增殖和分化由一系列因子调控。体外培养还发现FGF2不只是起到有丝分裂源的作用,也可促进细胞分化并决定分化方向。细胞增殖或分化呈FGF2浓度依赖性。最近发现肝素增强FGF2对E14天中脑前体细胞的增殖作用,而其他蛋白多糖无此作用。
, B# l2 e3 U. c; p# l: C; t8 dEGF在发育脑和成年脑内均有表达,神经元和星形胶质细胞均可表达EGF。体外实验证实EGF可调节神经前体细胞分裂增殖。加入EGF可使神经前体细胞明显增加,胚胎鼠的视网膜前体细胞在EGF作用下可分化成神经元和胶质细胞。EGF对鼠嗅球内的神经前体细胞也有促增殖作用,EGF能刺激从鼠纹状体和脑室下区分离的干细胞增殖。更多的实验证实FGF2对能分化成神经元、胶质细胞和胶质前体细胞多潜能的神经干细胞有促增殖作用,而EGF仅刺激胶质前体细胞的增殖。6 W3 c( a/ d5 K' b) l
近年来的研究表明,细胞内cAMP依赖性信号转导通路被证实与神经前体细胞向星形胶质细胞方向的分化有关[12]。睫状神经营养因子/白血病抑制因子(Ciliaryneurotrophicfactor/leukemiainhibitoryfactor,CNTF/LIF)可通过Jak-Stat信号转导系统诱导CNS细胞向星形胶质细胞分化[13]。以高细胞浓度培养来自成年小鼠室管膜下区(Subependyma)组织时,分化成神经元的比例下降,提示细胞—细胞相互作用或组织中的旁分泌机制也可能影响NSC的分化[14]。
4 n) L4 i8 D6 Q1 k4 ` h, G神经干细胞移植已在多种动物模型上进行了研究[15]。利用神经干细胞移植可以治疗神经损伤及神经退行性疾病,如帕金森氏症。但该疗法的一个主要障碍在于,大部分神经干细胞转化成神经胶质细胞,只有少量神经干细胞转化成了神经细胞。 |
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发表于 2011-11-11 10:14
发表于 2011-11-11 11:45
