摘要： 干细胞研究与细胞生物学、分子生物学、胚胎发育学、遗传学、生殖医学以及有关的临床医学有着密切关系。但通常干细胞研究划归组织工程学研究领域。1987年美国国家科学基金会提出“组织工程学”一词。人体组织器官的再生要求三个基本生物学因素：细胞、细胞外基质和生物材料。近年来，作为组织工程三要素之一，干细胞的研究以及用干细胞干预治疗和修复损伤组织器官的尝试，为人类战胜顽症展现了新的曙光。干细胞的研究引起了生命科学家的极大关注，美国《科学》杂志在1999年度世界十大科学成就评选中，将干细胞的研究排名第一。2000年12月干细胞的研究再次被《科学》杂志评为该年度的世界十大科学成就之一。利用胚胎干细胞和各种成体干细胞，成为基因治疗载体、基因工程、药物筛选以及干细胞相关基础和临床研究的重要领域。干细胞移植可能干预治疗一些临床难以治愈的疾病，如脊髓损伤、脊髓侧索硬化症、帕金森病、糖尿病、心脏病、终末肾病、肝衰竭和癌症等。干细胞的应用价值得到公众、法律和商界的关注。
干细胞(stem cell)是一类具有自我复制和多分化潜能的细胞，即干细胞保持未定向分化状态和具有增殖能力，在合适的条件或给予合适的信号，可以分化为许多不同类型的具有特征性形态、特异分子标志和特殊功能的成熟细胞。干细胞来源于胚胎、胎儿组织和成年组织。来自胚胎和胎儿组织的胚胎干细胞和胚胎生殖干细胞具有多潜能分化特性，可分化为成熟个体体内几乎全部200多种以上的成熟细胞类型。而成年个体组织来源的成体干细胞(adult stem cell)有造血干细胞、神经干细胞和胰腺干细胞等。干细胞研究进入前沿研究领域，在全球掀起干细胞研究热潮。关于干细胞研究的文章中描述干细胞的专门术语比较混乱，各学科之间缺乏统一的术语描述。本文将概述有关干细胞的概念、相关研究状况和进展。一般按细胞发育进程将干细胞分为胚胎干细胞、胚胎生殖干细胞、成体干细胞。按干细胞分化的潜能将干细胞分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。
按发育进程定义干细胞
一、胚胎干细胞(embryonic stem cell，ES cell)
1970年，Martin Evans分离小鼠的胚胎干细胞，建立体外培养鼠的胚胎干细胞技术。直到1998年Wisconsin大学James A.Thomson^[1]领导的实验室首次用人类早期胚泡(blastocyst stage)，分离出14个细胞的内细胞团(inner cell masses)，并培养出5个人胚胎干细胞系，其中H1，H13和H14为正常XY染色体组型(normal XY karyotype)，H7和H9为正常XX染色体组型，得到了人的多潜能胚胎干细胞系。人胚胎干细胞能在体外保持未分化状态增殖，从一个胚胎干细胞扩增为数百万个细胞。胚胎干细胞在特殊条件下体外培养可具有未分化状态和多潜能分化特性，能够形成集落。而在无白血病抑制因子(LIF)培养的条件下，胚胎干细胞聚集成胚胎样小体(embryo-like body)或称胚体(embryonic body，EB)^[2]。胚体在许多方面类似于畸胚瘤，由一些排列杂乱的未分化和已分化细胞构成，可见三个胚层来源的分化细胞。如果将胚泡内细胞团的胚胎干细胞注射到特定宿主小鼠的胚泡内，检查嵌合体子代，可发现供体的胚胎干细胞分布于嵌合体子代体内的全部组织，包括生殖细胞。
胚胎干细胞可分化为多种细胞谱系，包括心肌细胞、胰岛细胞、神经细胞、色素细胞、巨噬细胞、上皮细胞和脂肪细胞等。当将胚胎干细胞移植到免疫缺陷的裸鼠皮下或肾包囊后，在宿主动物体内可分化为畸胎瘤(teratocarcinomas)。瘤内包括混合的多种类型分化细胞。因此，胚胎干细胞不适宜直接给患者使用。临床使用前需要进行定向诱导分化。在个体发生时期的最早期，胚胎干细胞是全能的(totipotent)，而来自早期胚泡中的内细胞团的胚胎干细胞是多能(pluripotent)干细胞^[3]。
胚胎干细胞具有的特性：①胚胎干细胞来源于胚胎早期的胚泡中的内细胞团，保持未分化状态，具有自我复制的能力，具有向胚胎三个胚层来源的所有细胞分化的潜能。②胚胎干细胞可通过单细胞克隆建立有相同遗传特性的胚胎干细胞系。建立的胚胎干细胞系有与亲代细胞相同的特征。③胚胎干细胞具有正常、完整(双倍体)及稳定的染色体核型。④胚胎干细胞缺乏细胞周期中G1期的限制点(checkpoint)，胚胎干细胞大部分时间都处于细胞周期的S期，在此期进行DNA合成。胚胎干细胞不需外源信号刺激启动DNA的复制。⑤胚胎干细胞表达三种特异性标志分子：细胞内的转录因子(intrinsic transcription factor，Oct4)、白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF)和碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，AP)。⑥雌性哺乳动物来源的胚胎干细胞内，不存在X染色体失活现象。⑦胚胎干细胞端粒酶活性呈阳性，具有维持端粒长度，保持干细胞增殖能力的重要作用。⑧胚胎干细胞裸鼠皮下或肾包囊接种，可形成畸胎瘤。
二、胚胎生殖干细胞(embryonic germ cell，EG cell)
Hopkins大学John D.Gearhart^[4]领导的实验室从来自流产胎儿(5～9周)生殖嵴(gonadal ridge)的原始生殖细胞(primordial germ cell，PGC)中分离培养出人胚胎生殖干细胞。在正常胚胎发育过程中，生殖嵴发育为睾丸或卵巢，原始生殖细胞生成精子或卵子。胚胎生殖干细胞属于多能干细胞，其特性与来源于囊胚期的胚胎干细胞不同。胚胎生殖干细胞可在体外培养近20代，多数倍增40倍，最大可增殖70～80倍(胚胎干细胞可增殖300倍甚至450倍)，核型正常。胚胎生殖干细胞自发形成集落，自发分化，最终分化为含有三个胚层的衍生物。免疫缺陷的裸鼠接种不形成畸胎瘤。
通常将来自胚泡的胚胎干细胞和胎儿组织的胚胎生殖干细胞，统称为胚胎干细胞。
三、成体干细胞(adult stem cell)
成体干细胞源于骨髓、血液、角膜、视网膜、脑和脊髓、骨骼肌和心肌、牙髓、肝脏、皮肤、胃肠道上皮、胰腺等，存在于全部三个胚层发育而来的组织中。有人认为胚胎发育中由于存在非对称性分裂，而被保留下来的未分化的成体干细胞，存在于已分化的组织中。成体干细胞有两个特征：①具有保持长期增殖而不分化的能力，即长时程自我复制特性；②具有分化为源于组织的所有特化类型细胞的潜能和分裂产生祖细胞(progenitor or precursor cell)的能力。祖细胞在胎儿或成人的组织中存在，通常分裂形成更多的祖细胞或分化的成熟细胞，但不能复制自身。因此，成体干细胞没有胚胎干细胞和胚胎生殖干细胞相同的分化潜能。成体干细胞的增殖能力也有较大的限制，在实验培养条件下，许多成体干细胞不易增殖或有限地增殖，限制了成体干细胞产生足够数量的干细胞。多数成体干细胞数量极少，缺乏特异性的表面标志，难以识别、分离和纯化。
成体干细胞中被研究最广泛和深入的细胞是源于骨髓和血液的干细胞，包括造血干细胞(hematopoietic stem cell)和基质干细胞(stromal stem cell)，或称间充质干细胞(mesenchymal stem cell)两类主要的干细胞。脐带血是血液干细胞的丰富来源，从脐带血、骨髓或外周血分离的干细胞没有任何质量上的差异，只有不同类型干细胞数量上的差别。目前，成体干细胞的应用只限于造血干细胞。成体干细胞移植常遇到免疫排斥的困扰。因此，对免疫系统和成体干细胞两个方面的修饰是成体干细胞应用的重要研究项目。
成体干细胞有分化为其他来源组织细胞的能力，称为可塑性(plasticity)。到目前为止，除间充质干细胞外，还没有单一成体干细胞(即单细胞克隆建立的成体干细胞系)分化为从全部三个胚层发展而来的特定细胞的证据。因此，成体干细胞没有和胚胎干细胞同样程度的多潜能性。
在成体干细胞中，间充质干细胞是一个例外，可存在于由三个胚层发育而来的组织器官中，它是惟一的、源于同一原始胚层的成体干细胞，并可分化为三个胚层的终末分化细胞。例如从中胚层来源的骨髓或血液干细胞中、外胚层皮肤中及内胚层胰腺组织中均已分离获得间充质干细胞。研究表明，来源于中胚层骨髓间充质干细胞除可分化为中胚层来源的组织，如骨骼肌、心肌外，还可分化为内胚层来源的肝细胞和外胚层来源的神经组织细胞。
1.造血干细胞(hematopoietic stem cell，HSC)
造血干细胞是从血液或骨髓中分离的具有自我复制能力的，可分化为血液中各种类型成熟细胞的一类成体干细胞。它能从骨髓中动员进入血液循环系统，能经历程序性死亡，即细胞凋亡。造血干细胞可利用其物理特性和细胞表面特征富集。如采用抗细胞表面抗原的单克隆抗体和特殊染料可分选纯化小鼠骨髓内的造血干细胞。造血干细胞分为：长期干细胞(long term stem cell，LT-HSC)，其能在造血系统中存活几个月，具有自我复制的能力，在宿主体内LT-HSC自我复制能力保持终生；短期祖细胞(short-term progenitor，ST-HSC)，其不能长期自我复制，移植体内后大约维持8周或立即分化为各种类型的终末血细胞^[5]。造血干细胞能分化为血液和免疫系统的各种细胞类型，可用于治疗白血病、淋巴瘤和遗传性血液病，如各种遗传性贫血、先天代谢失调和癌症化疗后造血干细胞的恢复等。
造血干细胞的来源：
骨髓(bone marrow) 造血干细胞的经典来源是骨髓。骨髓中大约100000个细胞中只有1个是长期造血干细胞。
外周血(peripheral blood) 外周血中干细胞和祖细胞数量很少。但研究发现，如果对供体注射一种细胞因子，如粒细胞集落形成刺激因子(granulocyte-colony stimulating factor，GCSF)，可动员干细胞从骨髓迁移到外周血。临床治疗时，对供体注射GCSF进行动员，使干细胞迁移至外周血。收集时在静脉中插入导管，使血液通过分选系统，分选出CD34+白细胞，让红细胞返回供体，以便收集动员后的造血干细胞。利用此方法分选出的细胞中大约5%～20%是造血干细胞。采用高纯度的、被动员的、具有CD34+/Thy-1+表面标志的外周血细胞移植，无并发症^[5]。
脐带血(umbilical cord blood) 20世纪80年代末，人们开始认识到来自脐带和胎盘的血是造血干细胞的丰富来源。这些组织在孕期支持胎儿的生长发育中起着重要作用。自1989年世界第一例用脐带血移植治疗再生障碍性贫血成功以来，全世界已有近千例病人接受脐带血移植治疗，涉及疾病30余种。脐带血内干细胞与骨髓干细胞有许多相类似的特性，脐带血比较骨髓移植有很多优越性：脐带血来源广泛，富含造血干细胞，增殖与分化能力强，有体外集落形成能力，动员后进入细胞周期的速度和自泌生长因子的能力均强于骨髓。脐带血细胞端粒酶活性较强，易在体外扩增。脐带血T淋巴细胞较原始，抗原表达较弱且不充分，细胞毒性反应较低，移植后较少发生排斥反应。
2.神经干细胞(neural stem cell)
神经干细胞是成体干细胞之一。具有自我复制和多潜能分化的能力^[6]。神经干细胞的标志为巢蛋白(nestin)。在特定细胞因子的诱导下可分化为神经元、星形胶质和少突胶质细胞。1992年Reynolds和Richards先后在成年鼠的纹状体和海马中分离出神经干细胞，中枢神经系统其他部位，如端脑、间脑、中脑、脑干和脊髓也相继分离出神经干细胞。中枢神经系统损伤性和退行性疾病，如急性脊髓损伤、脑血管栓塞、帕金森病、老年性痴呆、脊髓侧索硬化、共济失调和亨廷顿综合征等在临床几乎不能治愈。人们将希望寄托于转基因治疗和干细胞移植。
3.胰腺干细胞
人类胰岛内有4种细胞：分泌胰岛素的β细胞(占65%～90%)，分泌胰高血糖素的α细胞(占10%～20%)，分泌生长抑素的δ细胞(占3%～10%)和分泌胰多肽的pp细胞(polypeptide，占1%)。在胚胎发育时，胰腺内分泌细胞由胰管内的胰岛干细胞(islet stem cell)分化而来。典型的导管细胞表达编码结构蛋白的细胞角蛋白-9(cytokeratin-9)，作为胰岛干细胞的标志，β细胞表达编码启动胰岛素转录的蛋白PDX-1基因，称为胰岛β细胞的标志^[7]。
按分化潜能定义干细胞
一、全能干细胞(totipotent stem cell)
全能性是指具有潜能生成组成胚胎以及支持胚胎在子宫生长发育的全部细胞和组织，并能继续分化一直生长为一个成熟个体。全能干细胞(如受精卵)不但可以分化为胚胎发育中三个胚层的全部种类的细胞，还包括分化为胚胎发育所必需的胚胎外组织，如由滋养层形成的胎盘和脐带等。当受精卵分裂至4个或8个细胞时期(受精后27小时，桑椹胚，morula)，干细胞仍具有全能性。例如，利用恒河猴形成8个卵裂细胞的胚胎分离成4个各有2个细胞的胚，植入“假孕母体”子宫，成功地诞生了灵长类动物恒河猴“Tetra”的研究证明，灵长类的受精卵分裂到8个细胞时期，仍具有全能干细胞的特性^[8]。
二、多能干细胞(pluripotent stem cell)
通常用多能干细胞描述可以分化为三个胚层的胚胎干细胞，包括胚泡内细胞团来源和胚胎生殖嵴生殖细胞来源的干细胞。与全能干细胞的区别在于无分化为胚胎外组织细胞(如滋养层形成的胎盘和脐带组织)的能力。人胚胎发育第5天，内细胞团开始分化形成外侧的滋养层，这是胚胎分化的第一个明显标志。体外培养至此期的内细胞团大约由30～34个细胞组成，可用于胚胎干细胞的分离。
三、(成体)多能干细胞(multipotent stem cell)
通常用于描述成体干细胞定向分化为多种类型的终末成熟细胞的潜能。如脑或脊髓来源的神经干细胞具有一定限度的多潜能分化的能力，可分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。成体干细胞用英文“multipotent”描述的“多潜能”与胚胎干细胞用“pluripotent”描述的“多潜能”有质的差异。体内研究表明，多能的成体干细胞在未损伤的组织中只是单向分化，只生成一种终末成熟细胞。然而，如果组织被损伤，需要多种细胞替代，成体干细胞的多潜能性被激活，产生多种类型细胞修复损伤组织。
四、单能干细胞(unipotent stem cells)
常用于描述成体干细胞只能沿一个方向分化，仅生成一种终末成熟细胞。如眼睛的角膜缘干细胞可自我复制，但只能分化为角膜上皮细胞。
随着干细胞研究的进展，人们希望将来能利用干细胞的特性治疗目前临床医学尚不能治愈的疾病。而目前我们首先需要解决免疫排斥和干细胞是否有形成肿瘤潜能的相关研究，以及干细胞的发生、发展、命运等基础研究。