胚胎干细胞与成体干细胞比较研究

我为笙

在美国召开的血液学年会上，干细胞研究是科学家们的重点课题。其研究近年来在生命科学领域取得了突破性进展，从1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞，到原被误认为功能单一的干细胞后被证实具有自我复制能力，且可分化为人体206种组织器官的原始细胞；从1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞到目前通过核移植技术获得的第1例人胚胎干细胞及美国国会就此技术发展前景与生命伦理问题的争议，人们充分认识到，21世纪将是生命再生医学年代，干细胞研究将在此领域内起到重大推动作用。在此，我想谈些有关胚胎干细胞和成体干细胞的比较研究。; O3 V( f7 d( P7 E8 G7 R( y! K
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体内和体外的研究都表明，人胚胎干细胞能分化成人体的绝大多数细胞类群，诸如神经细胞、心肌、骨骼肌、内皮细胞、胃肠组织、肝细胞、β－胰岛细胞、骨、软骨、造血细胞等。干细胞具有的能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性使其在遗传性疾病和组织器官移植领域有着巨大的应用前景。- l& l& J9 H( [' R& J2 p1 @) F

7 |/ F3 T; e& S) i根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞又可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞出现在胚胎发育的胚囊内层，高水平表达端粒酶。因为获取胚胎干细胞、建立胚胎干细胞系必须破坏胚囊，生命的定义目前尚无统一的认识，体外培养产生的胚囊是否具有生命还存在着广泛的争议，所以胚胎干细胞的分离、研究乃至用于临床治疗是否符合伦理道德的问题引起了全世界的广泛争论。一种观点认为受精卵产生就意味着新生命的诞生，破坏胚囊就意味着扼杀了一个新的生命。因此，胚胎干细胞的分离、研究及应用都是违反伦理道德的。也有观点认为尽管胚胎干细胞的分离不符合传统的道德观念，但出于研究目的而分离胚胎干细胞可以被接受。另有一些观点认为，受精卵如果未在母体子宫内生长，就不会发育成为完整的个体，因而不能称其为生命。利用这种体外受精产生的胚胎干细胞进行研究和临床治疗，并不违反伦理道德。
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胚胎干细胞继续进行分化，形成具有特定功能的干细胞，如血液干细胞可分化成白细胞、红细胞和血小板，皮肤干细胞可形成各种不同类型的皮肤细胞。这些专门化的干细胞统称多能干细胞。在胎儿、儿童和成人组织中存在的多能干细胞统称“成体干细胞（Adult stem cell）”。最近几年的研究表明，这些干细胞的分化能力远超过传统观点局限的范围。例如骨髓成体干细胞在合适的体内外环境中可长期生长，也可分化为成骨细胞 、软骨细胞、脂肪细胞 、平滑肌细胞 、成纤维细胞、骨髓基质细胞及多种血管内皮细胞。还可形成一种肝脏前体细胞－肝卵园细胞，神经、胶质细胞和心肌细胞。高度纯化的造血干细胞可分化形成肝细胞、内皮细胞和心肌细胞。骨骼肌细胞能分化出造血细胞，中枢神经系统干细胞可形成血液细胞、肌肉和许多其它体细胞。我室也首次报道了来源于骨髓的间充质干细胞分化成造血细胞，重建了造血系统。成体干细胞这种跨系统分化特性称为“可塑性（Plasticity）”。# w- U$ K* E( {
与胚胎干细胞相比，成体干细胞具有许多优势：2 N! R2 g6 ~% X4 c. k3 d; M1 r

+ V8 z/ F. t4 |2 y1 N; Q  U7 B1、 胚胎干细胞具有全能性和可以建系传代等优点，因此理论上应用前景广阔。但实际上由于每个个体的主要组织相容性复合体（MHC）不同，同种异体胚胎干细胞及其分化组织细胞用于临床会引起免疫排斥，因此基于胚胎干细胞的治疗方案要求对患者进行长期免疫抑制剂治疗或将患者的造血系统和外来细胞形成嵌合体。尽管最近有研究证实，人胚胎干细胞能诱导分化成为造血细胞，但小鼠胚胎干细胞的实验表明，来源于胚胎干细胞的造血细胞在体内无法重建造血机制，因而限制了临床应用。为了解决免疫排斥的问题，研究人员探索将患者的体细胞核移植到去核的健康供体卵细胞中，在体外克隆并随后发育分化产生携带患者自己MHC的胚胎干细胞。这些胚胎干细胞及其衍生组织移植后不会产生免疫排斥，因此可以用于患者病变组织及其功能的重建，这就是治疗性克隆。但一些研究观察到，胚胎干细胞发育分化过程中具有极高的非整倍体发生率，美国马萨诸塞州耶尼德研究组的最新研究发现，克隆动物的基因在构成没有缺陷的情况下，也不能像正常动物基因一样准确表达出来，也就是说，克隆动物存在无法正确生长发育的危险。正是这个原因，造成现在98％的动物克隆实验失败，而顺利降生的克隆动物也经常出现体重超重等异常。研究还发现，利用目前的克隆技术取患者体细胞核的细胞克隆培育出来的新组织一样会存在缺陷，这项技术还有待完善、成熟。体细胞克隆所需的卵细胞难以获得，成体干细胞则可从患者自身获得，而不存在组织相容性的问题，治疗时可避免长期应用免疫抑制剂对患者的伤害。此外，少量的骨髓切除治疗有助于形成部分造血嵌合，可使异体成体干细胞的治疗成为可能。
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2、 虽然胚胎干细胞能分化成各种细胞类型，但这种分化是“非定位性”的。目前尚不能控制胚胎干细胞在特定的部位分化成相应的细胞，当前的做法容易导致畸胎瘤。在应用胚胎干细胞治疗前，必须先进行初步的细胞诱导分化，以防止畸胎瘤的发生。应用胚胎干细胞时，也必须确认胚胎干细胞供者没有诸如（肌）营养失调症之类的遗传性疾病。相对而言，成体干细胞不存在上述问题，例如骨髓移植实验并不引发畸胎瘤。! D6 I+ i! U: E& T6 Q) `$ R5 o
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3、 成体干细胞也具有类胚胎干细胞的高度分化能力。我室在国内率先提出了成体干细胞可塑性及中胚层来源成体干细胞分化机制研究，已在国家卫生部立项，并获得国家科技攀登计划、国家自然科学基金、纽约CMB基金、卫生部专项基金、天津市科委重大科技攻关“干细胞组织工程”项目和中美合作项目等大力支持。现已建立了干细胞平台技术，从肌肉、肝脏、骨髓中成功地发现和分离了成体干细胞群，完成了干细胞定向诱导分化成骨、软骨、神经细胞、心肌细胞和血管内皮细胞的研究；最近又研究发现，从胰腺等组织可分离出间充质表型的成体干细胞群，具有多系分化潜能国内外尚未见相关报道。另外，我室率先在体内和体外实验证实，间充质表型干细胞群可在干细胞调控因子诱导下转化成造血干细胞，在本次大会上多家著名实验室也重复出同样结果。在上述研究工作的基础上，我们又提出了成体干细胞研究的新假说，即在人体发育的过程中，成体干细胞是存留在多种组织中、具有多系分化能力的亚全能干细胞群体，这些细胞都具有相同或相似的细胞表型，在适合的微环境下可分化成多种组织细胞。成体干细胞移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的最有效方法。
! d* w6 \$ G8 s" R) q6 f8 S$ R. N/ c但胚胎干细胞也存在自身的优势：
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2 e4 F8 C1 v" ^: T" B1 ~, I% S1、 胚胎干细胞能永生化，可以传代建系，且增殖能力强，来源充沛。
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2、 虽然成体干细胞具有向多系分化的能力，但这种分化的“效率”尚不理想。通过体外的扩增培养能提高转化效率，但是体外的转化是否会引起成体干细胞遗传变化还有待证实，而且这种分化是否是成体干细胞多系分化的结果尚无法肯定。即使是成体干细胞多系分化的结果，我们也不明了是何种信号诱导了整个过程的发生。而胚胎干细胞的研究已经有三十多年的历史。鼠胚胎干细胞的研究已经证明了胚胎干细胞的全能性。相应的信号诱导机制的研究也取得了长足的进展。目前鼠胚胎干细胞的研究成果给正在进行的人体胚胎干细胞研究很大的助力。
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5 s9 z# x/ v- p9 |* S4 G成体干细胞和胚胎干细胞各有自身的优势和缺陷。对于一个实验室而言，同时开展对两者的研究，不仅是可能的，而且能互为裨益，相得益彰。两者的研究对干细胞领域而言都是必要的。$ x( I, P" K  {, A

  q! Q* H5 A% i- `! h8 ]/ t7 T今年3月在纽约即将召开基础科学研讨大会，“组织细胞工程”有四大主题，其中三个是围绕干细胞资源、细胞间相互作用、细胞生长微环境展开的。2003年胚胎干细胞和成体干细胞在美国医学生物研究领域都将单独立项。由此看出，随着干细胞研究的不断深入和发展，目前一些疑难病症将可能得到治愈。