干细胞浅说

发布时间：00年11月24日

编译陶家祥

本文提供有关干细胞的基本知识，包括解释什么是干细胞（Stem cell，什么是多能干细胞pluripotent Stem cell），多能干细胞是如何产生的，多能干细胞在科学上有什么重要性，为什么干细胞具有增进人体健康的巨大可能性，“以及什么是成年干细胞（Adult Stem cell）等。

　　最近关于第一个人类多能干细胞系分离并培养成功的报道使人大为振奋，它把生物医学研究推到了新的前沿。这些人类多能干细胞系的开发理应得到缜密的科学检验，评估其在发展新的疾病防治战略方面提供的可能性，并对有关的伦理学问题展开讨论。

　　为了理解这一发现的重要意义以及有关的科学、医学和伦理学问题，首先把一些名词及其定义弄清楚，是绝对必要的。

　　干细胞是什么？

　　干细胞具有在培养液中分化并产生专能细胞的能力。对此，正常人的发育过程能提供最好的说明。人的发育开始时，是一个精子使一个卵子受精，并形成单个细胞，它具有发展成为一个完整的生命体的潜能。这个受精卵是全能的，也就是说，它的潜能是完全的。在受精后的几个小时，这个细胞就分裂成数个相同的全能细胞，如将其中每一个细胞置入女人的子宫，应该都能发育成胎。事实上，双胞胎就是两个全能细胞分别发育成的两个遗传上相同的人。受精后约四天，经过几轮细胞分裂，这些全能细胞开始专化，形成中空的细胞球，叫做胚泡。胚泡外表是一个细胞层，里面中空部分有一团细胞，叫做内细胞团。

　　外细胞层会进一步形成胎盘以及胚胎在子宫内发育所需的其他支持组织。内细胞团能进一步形成人体内各种类型的细胞和组织，却不能形成完整的生命体，因为它们不能产生胎盘和子宫内胚胎发育所需的支持组织。这些内细胞团就称之为多能的一一它们能产生许多类型的细胞，但并非胚胎发育所需的一切类型的细胞。由于它们不是全能的，如果把内细胞团置入女人的子宫，它不会发育成胎。

　　多能干细胞进一步专化成为干细胞，后者的任务是产生具有专一功能的细胞。例如，成血干细胞能产生红血球细胞、白血球细胞和血小板；皮肤干细胞能产生各种类型的皮肤细胞。这些更加专化的干细胞叫做多效干细胞（Multipotent cell）。

　　干细胞在人体发育的早期是十分重要的，但多效干细胞则在儿童和成人体内也能找到。例如血干细胞就存在于每一个儿童和成人的骨髓内，而且有少量见于血液循环中。成血干细胞承担的任务是在人的一生中不断补充血液细胞——红血球细胞、白血球细胞和血小板的来源。一个人没有成血干细胞就不能活命。

　　多能干细胞是怎样产生的？

　　目前，人类多能干细胞系由以前用于动物模型的方法，从两个来源获得：（1）汤姆生博士的做法，是直接取自胚泡期的人类胚胎内细胞团。他用的胚胎，是医院进行试管授精用的多余的胚胎，经提供者同意后，从中分离出内细胞团，加以培养，产生多能干细胞系。（2）基尔哈特博士的做法与此不同，他是从终止妊娠的胎儿组织分离得多能干细胞的。终止妊娠的决定由提供者独立作出。基尔哈特从胎儿日后发育成睾丸或卵巢的部位取得细胞。虽然两人取得的细胞有不同的来源，但它们看起来十分相似。

　　应用体细胞核移植，可能是分离多能干细胞的又一种方法。用这一方法进行动物试验时，研究人员取一个正常的动物卵细胞，除去其核。卵细胞中剩下的东西中含有养料以及胚胎发育所必需的其他能量物质。然后，在精心设计的实验室条件下，将一个体细胞放入卵内原来核所在的位置，使二者融合。这样融合成的细胞及其接着产生的子代，就应该具有发育成完整的动物的全部潜能，因而是全能的。这些全能细胞会立即形成胚泡。从胚泡内细胞团取得的细胞应能发育成多能干细胞系。

　　多能干细胞的潜在用途

　　分离人类多能干细胞为什么对科学研究和人类健康十分重要，最基本的一条是，多能干细胞能帮助我们了解发生在人类发育过程中的一些复杂事件。这方面研究的初步目标是弄清楚哪些因子决定了细胞专化的过程。我们知道基因的开关十分重要，但我们对于那些决定基因开或关的“决策基因”，却知之甚少。几种最危险的疾病如癌症和先天性缺陷就是由于不正常的细胞专化和细胞分裂而导致的。更好地了解正常细胞的分裂分化过程将使我们进一步知道其中发生了哪些根本性的错误，才导致了这些致命疾病。

　　人类多能干细胞研究还能使我们开发药物以及进行药物安全性试验的方法发生戏剧性的变化。例如，用人类细胞系进行新药初始试验时，多能干细胞可使试验在多种类型的细胞中进行。虽然这不能代替整体动物试验和人体试验，但可以提高药物开发的效率。因为只有在细胞系试验中既安全又有效的药物，才提供作进一步的动物和人体试验。

　　人类多能干细胞具有最大潜力的用途，也许是产生可用于“细胞疗法”的细胞和组织。许多疾病是由于细胞功能紊乱或人体组织损伤而造成的。现在常用捐献的器官、组织来置换有病的或损坏了的器官、组织。不幸的是，这类疾病患者的人数大大超过了可以得到的移植器官的数目。多能干细胞，由于可激发产生专化细胞，为开辟置换细胞的组织的新来源，提供了可能。许多疾病，如帕金森氏症、早老性痴呆症、骨髓损伤、中风、烧伤、心脏病、糖尿病、骨关节炎和类风湿关节炎等，都有可能用这种新方法来治疗。下面举两个例子。

　　心肌细胞移植设想用人类多能干细胞培育心肌细胞，然后植入衰退的心肌以增强心脏功能。在小鼠等动物身上做的试验已显示，健全的心肌细胞植入心脏后能成功地重建心脏组织，并与原来的主体细胞一起工作。

　　依赖性糖尿病治疗病人胰岛细胞生产胰岛素的能力受损。已证明移植整个胰腺或分离的胰岛细胞能减少对注射胰岛素的需要。来自人类多能干细胞的胰岛细胞能用于糖尿病研究，并最终用于移植。

　　虽然这方面的研究展示了巨大的前景，但要将一些新发现应用于临床实践，则还面临许多技术上的挑战。这些挑战是重大的，但并非不可克服的。

　　第一，我们必须进行基础研究，以求了解导致细胞专化的具体过程，这样才能指引多能干细胞使之变为移植所需要的组织类型。

　　第二，我们还必须解决众所周知的免疫排斥问题，才能将这些细胞用于移植。由于来自胚胎或胎儿组织的人类多能干细胞在遗传上与受体不同，今后需要重点研究如何将人类多能干细胞加以修饰，以求最大限度地减少组织的不相容性，或建立保存最常见的组织类型的组织银行。

　　体细胞移植可能是解决组织不相容性问题的又一方法。以一个患进行性心力衰竭症的病人为例，做体细胞移植时，事实上取自该病人的任何体细胞的核都能与已经去核的供体卵细胞融合。经适当刺激后，这个细胞就可发育成胚泡。取自胚泡内细胞团的细胞可培养成为多能干细胞，再经刺激使之发育成心肌细胞。由于大量遗传信息存在于核内，这些细胞在遗传上是与心力衰竭者基本相同的。因此当这些心肌细胞被移植回病人体内时，就不大可能发生排斥，病人也毋须服用具有毒性的抑制免疫药物。

　　成年干细胞

　　如前所述，多效干细胞可见于某些类型的成年组织。事实上也需要干细胞来补充我们体内正常耗损的细胞来源。前面说过的一个例子是成血干细胞。

　　多效干细胞尚未在所有类型的成年组织中发现，但这方面的研究成果正与日俱增。例如，不久以前还认为成年神经系统中不存在干细胞，但近年来神经干细胞已从大鼠和小鼠的神经系统中分离得到。人体试验较受限制。人的神经干细胞已从胎儿组织分离获得，另外还从癫痫病人用外科手术取得的成年脑组织分离得到了一种可能是神经干细胞的细胞。

　　成年干细胞是否具有同多能干细胞一样的潜能呢？

　　直到最近，还很少有证据能证明哺乳动物中多效干细胞如血干细胞会改变方向，产生皮肤细胞、肝细胞或除血干细胞或某一特定类型的血细胞以外的其他任何细胞。但动物研究正在使科学家们对这一观点产生疑问。

　　在动物身上，已有材料显示某些以前认为只能发展成为某一专能细胞系的成年干细胞，是可以发展成其他类型的专能细胞的。例如，最近的小鼠试验提；示，当神经干细胞被置入骨髓时，可产生某一类型的血细胞。此外，用大鼠做的研究则表明，在骨髓内找到的干细胞可产生肝细胞。从这些惊人的发现推断，干细胞即使开始专化以后，在某种条件下，仍比原来想象的更富有可塑性。目前，成年干细胞的这种可塑性还只在动物身上观察到，并限于少数组织类型。

　　为何不用成年干细胞做研究？

　　对人类成年干细胞的研究提示，多效干细胞不论在科学上或细胞医疗上都有巨大潜力。例如，成年干细胞用于移植有许多优点。如果我们能从病人身上分离得到成年干细胞，诱导使之分裂、专化，然后将其植回病人体内，这些细胞就不大可能会被排斥。用成年干细胞进行细胞医疗，一定能减少以至不必再用取自人类胚胎或胎儿组织的干细胞，从而避免许多伦理学方面的麻烦。

　　然而，要实现上述设想还存在一些重大的障碍。首先，还没有分离出成年人体内所有组织的干细胞。虽然多种不同的多效干细胞已经被鉴别，但所有细胞、组织类型的成年干细胞还未在成年人身上找到。例如，我们还没有找到心脏干细胞或胰岛干细胞。

　　其次，成年干细胞常以微量存在，难以分离提纯，并会随年龄递减。如成年人的神经干细胞只能从切除的癫痫病人部分脑组织上获得，那可不是一个小手术。，要从病人自身取得干细胞用于治疗，得先将分离得的干细胞进行培养，达到足够的数量才能应用。但对某些危重病症而言，常常不可能有足够的时间来培养足够的细胞。至于由遗传缺陷造成的其他疾病，由于基因差错可能存在于病人的干细胞内，从这些病人取得的细胞是不宜用于移植的。还有证据表明，从成年人身上取得的干细胞其增殖能力不及年轻人的细胞。此外，成年干细胞还可能包含由于日常生活中日光、毒素等的影响，以及由于DNA复制中的可能差错而造成的更多的DNA异常。这些潜在的弱点都限制了成年干细胞的应用。

　　用成年干细胞来研究细胞专化的早期过程也是不可能的。因为与多能干细胞相比，它们已在专化的道路上走得更远。再者，虽然一个成年干细胞系可形成3个或4个组织类型，但还没有足够的证据来证明从成年人类或动物取得的干细胞是多能的。事实上，还不能证明成年干细胞具有多能干细胞所有的广泛的潜在特性。为了确定许多专化了的细胞、组织是否可用作新的治疗手段，研究成年干细胞的发育潜能并与多能干细胞作比较，是最为重要的。

　　结语

　　干细胞系，包括多能干细胞系和多效干细胞系的开发以产生人体的许多组织，是科学上一个重大的突破。如果说这一突破有可能使医学发生革命性的变化并增进生命的质量和人的寿命，这不是毫无根据的。