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干细胞研究讲稿


管理员  | 2013-03-22 19:09:39

讲稿提纲:

一、干细胞研究的意义
二、什么是干细胞(分化,干细胞的分类,特点)
三、胚胎干细胞(建系的意义、如何建系,其标志,它可以分化成?临床价值,问题)
四、成体干细胞
五、与基因治疗相比
六、我国的现状
一.干细胞研究的意义

我们知道在世纪之交,人类基因组计划引起全世界的关注,它被誉为是与阿波罗计划、曼哈顿计划并列人类历史三大计划,但就这一个全世界关注的科学成果,却在1999年度美国《科学》杂志评选的1999年度世界十大科学突破中仅排位第二。而干细胞生物学被1999年美国《科学》推举为二十一世纪最重要的十项科学领域之首,使浩大的“人类基因组计划”测序图位居其后。2000年干细胞研究成果再度入选《科学》评选的当年十大科技成就。

( 另附:美《Science》杂志评选出今年十大科学成果

12月17日出版的美国《Science》杂志公布了它评出的1999年世界十大科学成果,它们依次是:

1. 美国科学家发现,取自人胚胎或骨髓的干细胞可用于培育不同的人体细胞、组织和器官,这有望成为移植器官的新来源。   

2. 科学家完成了对3种微生物基因序列的测定,并测出了三分之一的人类基因组序列,其中包括完全破译了人体第22对染色体的遗传密码。   

3. 科学家将费米子冷却到接近绝对零度,从而使原子呈现出波而不是单个粒子的性质。   

4. 科学家绘制出了第一张核糖体结构图。   

5. 天文学家发现了一些新的太阳系外行星,使得人类发现的太阳系外行星总数达到约30颗,并有科学家声称首次探测到一颗太阳系外行星反射的恒星光芒。   

6. 科学家在大脑中发现了与记忆和学习能力有关的新分子。

7、天文学家获得新证据表明宇宙是平坦的,并建立了物质和能量之间的精确平衡体系,从而为宇宙起源的大爆炸理论提供了新的佐证。   

8. 美、英科学家研制出光学晶体,这种晶体能够像半导体操纵电流那样操纵光波。

9. 考古学家在澳大利亚发现迄今最古老的细胞化石,把已知的复杂生命最早存在时间向前推进到距今27亿年,比原先认为的时间提早10亿年。   

10.科学家发现伽马射线爆发与黑洞的诞生有关。

(中央电视台1999年12月21日引新华社消息)

二十世纪是生命科学发展最为迅猛的时代,它已成为自然科学中最为引人注目的领域。干细胞研究具有不可估量的医学价值,干细胞具有非凡的再生能力,可以培养出各种特定的细胞组织。将促使科学家们重新认识细胞生长、分化的基本生命原理。生命科学家们在今年内取得了十多项具有划时代意义的干细胞研究成果。分离、保存并在体外人工大量培养使之成长为各种组织和器官成为干细胞研究的首要课题。

二.什么是干细胞?

1998年11月,威斯康星大学的汤姆生和约翰.霍普金斯大学的吉尔哈特教授分别在《科学》(Science,1998,Vol282:1145-1147)和《美国科学院论文集》(PNAS,1998,Vol95:13726-13731)上报道,他们用不同的方法获得了具有无限增殖和全能分化潜力的人胚胎干细胞。这一成就将会给移植治疗、药物发现及筛选、细胞及基因治疗和生物发育的基础研究等带来深远的影响,打开在体外生产所有类型的可供移植治疗的人体细胞、组织乃至器官的大门。因为从理论上讲,人胚胎干细胞具有全能性,在一定的诱导条件下,既可发育分化为感受和传导生物电信号的神经组织,也可分化为携带氧的血细胞,还可分化为提 供血液循环动力的心肌细胞等等。 这条消息立刻引起世界的关注,并引发对干细胞研究热潮。

1.干细胞的定义:

那么,什么是干细胞?它有什么特点?

在细胞的分化过程中,细胞往往由于高度分化而完全失去了再分裂的能力,最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足,保留了一部分未分化的原始细胞,称之为干细胞(stem cell)。一旦生理需要,这些干细胞可按照发育途径通过分裂而产生分化细胞。即干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。

细胞分化(cell differentiation ):同一来源的细胞,通过细胞分裂在细胞间产生形态结构、生化特征和生理功能有稳定性差异的过程。

细胞分化是个体发育中组织器官形成的基础

细胞分化是发育生物学的中心问题

时间上的分化:一个细胞在不同的发育阶段有不同的形态结构、生化特征和生理功能,如骨髓内血细胞的发生过程

空间上的分化:同一种细胞的子代细胞所处的环境位置不同,其形态结构、生化特征和生理功能也不一样,如外胚层来源的细胞可发育成表皮细胞、神经细胞等。

2.干细胞的特点:

干细胞有以下特点:

(1)干细胞本身不是处于分化途径的终端。

(2)干细胞能无限的增殖分裂。

(3)干细胞可连续分裂几代,也可在较长时间内处于静止状态。

(4)干细胞通过两种方式生长 ,一种是对称分裂--形成两个相同的干细胞,另一种是非对称分裂--由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配,使得一个子细胞不可逆的走向分化的终端成为功能专一的分化细胞;另一个保持亲代的特征,仍作为干细胞保留下来。分化细胞的数目受分化前干细胞的数目和分裂次数控制。可以说,干细胞是具多潜能和自我更新特点的增殖速度较缓慢的细胞。

3.干细胞的分类:

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。

干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。根据其发育阶段,它包括胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性,能分化出成体动物的所有组织和器官,包括生殖细胞。成体干细胞是存在于成年动物的许多组织和器官,比如表皮和造血系统,具有修复和再生的能力的细胞。在特定条件下,成体干细胞或者产生新的干细胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能细胞,从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明,成体干细胞普遍存在于机体的大多数组织器官中。

在胚胎的发生发育中,单个受精卵可以分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中,正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进一步分化的结果。传统观点认为:胚胎干细胞是全能的,具有分化为几乎全部组织和器官的能力。而成年组织或器官内的干细胞一般认为具有组织特异性,只能分化成特定的细胞或组织。这个观点目前受到了挑战。最新的研究表明,组织特异性干细胞同样具有分化成其他细胞或组织的潜能,也就是说干细胞具有横向分化的能力。这为干细胞的应用开创了更广泛的空间。

按分化潜能的大小 ,干细胞还可分为三种类型:

(1)全能性干细胞,它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞(简称ES细胞),具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力,可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型,进一步形成机体的所有组织、器官。人类的全能干细胞可以分化成人体的各种细胞,这些分化出的细胞构成人体的各种组织和器官,最终发育成一个完整的人。人类的精子和卵子结合后形成受精卵,这个受精卵就是一个最初始的全能干细胞,受精卵继续分化,在前几个分化过程中,可以分化出许多全能干细胞,提取出这些细胞中的任意一个放置到妇女子宫中,就可以发育出一个完整的人体。

(2)多能性干细胞,这种干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能,但却失去了发育成完整个体的能力,发育潜能受到一定的限制,骨髓多能造血干细胞是典型的例子,它可分化出至少十二种血细胞,但不能分化出造血系统以外的其它细胞。

(3)单能干细胞(也称专能、偏能干细胞),这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化,如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞或叫卫星细胞。 

按分化潜能的大小,干细胞分成全能性干细胞、 多能性干细胞、单能干细胞   4.干细胞的意义:

目前,世界各国都十分重视干细胞研究工作,纷纷投入大量的人力物力加紧研究开发。2000年4月,美国61名诺贝尔获得者及其他科学家联名要求美国政府对干细胞研究给予全面支持。美国总统同年8月4日宣布:美国政府自即日起准许用政府经费进行人体胚胎干细胞研究;2000年5月,日本把干细胞技术视作在生命科学和生物技术领域超欧美国家的绝好机遇。在2000年度启动的“千年世纪工程”中,日本把干细胞工程作为四大重点之一,并且在第一年度就投入108亿日元的巨额资金;2000年12月19日,英国下议院也以超过2/3的多数票通过了允许克隆人类早期胚胎,并从中提取干细胞进行医疗研究的决议。

三。胚胎干细胞(ES)

1.什么是胚胎干细胞  

胚胎干细胞是在人胚胎发育早期――囊胚(受精后约5―7天)中未分化的细胞。囊胚含有约140个细胞,外表是一层扁平细胞,称滋养层,可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中心的腔称囊胚腔,腔内一侧的细胞群,称内细胞群,这些未分化的细胞可进一步分裂、分化,发育成个体。内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化。每个胚层将分别分化形成人体的各种组织和器官。如外胚层将分化为皮肤、眼睛和神经系统等,中胚层将形成骨骼、血液和肌肉等组织,内胚层将分化为肝、肺和肠等。由于内细胞群可以发育成完整的个体,因而这些细胞被认为具有全能性。当内细胞群在培养皿中培养时,我们称之为胚胎干细胞。

2.胚胎干细胞研究的意义:

早在1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞,小鼠胚胎干细胞就可以成功地在体外进行培养。人的胚胎干细胞的体外培养在1998年由美国科学家培养成功。

研究证实:分离的小鼠胚胎干细胞在体外可以分化成各种细胞,包括神经细胞,造血干细胞(血细胞的前体)和心肌细胞。令人惊奇的是,这些细胞还具有自发发育成某些原始结构的趋势。如在一定的培养条件下,一部分胚胎干细胞会分化为胚状体(与小的跳动的心脏具有奇异的相似之处),而另一些细胞会发育成包含造血干细胞的卵黄囊。形成胚状体和卵黄囊的比例可通过改变培养基而改变,但至今还没有诱导胚胎干细胞发育为一纯的分化细胞群的报道。从理论上讲,小鼠胚胎干细胞具有发育成某一器官的能力,但还没有用干细胞体外培养成器官的报道。不过,如果将小鼠胚胎干细胞移植到重度复合免疫缺损小鼠(SCID,它不会排斥移植的细胞)体内时,胚胎干细胞则能够发育成肌肉、软骨、骨骼、牙齿和毛发。但无论如何,如果直接将分离的小鼠胚胎干细胞植入子宫内,它们不会发育成个体小鼠,因为没有着床必需的滋养层细胞。这种条件下,胚胎干细胞被认为是多能的(pluripotent),而不是全能的(totipotent)。尽管如此,如果将胚胎干细胞植入不能发育成个体的四倍体胚胎中,再将该胚胎植入小鼠子宫中,那么可以获得完全是由培养的胚胎干细胞产生的正常个体小鼠。这表明了胚胎干细胞具有难以置信的全能性。

由于以下几个原因,胚胎干细胞的研究使人感到激动。首先是它们拥有类似胚胎的全能分化性,可以从单个的受精卵发育成完整的个体,能够给我们解释完整的发育体系,而成体个体来源的多能干细胞就不可能。同时,极早期的胚胎发育均可追溯到ES细胞,而不可能是成熟个体来源的多能干细胞。ES细胞也是唯一不死的细胞,能够非限定地分化,是细胞的源头。ES细胞天生就是全能的,这就是问题的关键,换言之,他们能制造机体需要的全部细胞。最后,ES细胞是遗传操作的最早期细胞。因此,尽管目前的争论集中在治疗方面,但也许ES细胞最伟大的用途是作为科学研究的工具。

人胚胎干细胞的分离及体外培养的成功,将给人类带来医学革命。如果科学家最终能够成功诱导和调控体外培养的胚胎干细胞正常的分化,这一技术将对基础研究和临床应用产生巨大的影响,有可能在以下领域发挥作用:体外研究人胚胎的发生发育,非正常发育(通过改变细胞系的靶基因),新人类基因的发现,药物筛选和致畸实验,以及作为组织移植、细胞治疗和基因治疗的细胞源等。

  人胚胎干细胞提供了在细胞和分子水平上研究人体发育过程中的极早期事件的良好材料和方法,这种研究不会引起与胚胎实验相关的伦理问题。采用基因芯片等技术,比较胚胎干细胞以及不同发育阶段的干细胞和分化细胞的基因转录和表达,可以确定胚胎发育及细胞分化的分子机制,发现新的人类基因。结合基因打靶技术,可发现不同基因在生命活动中的功能等。另一个令人兴奋的应用在于新药的发现及筛选。胚胎干细胞提供了新药的药理、药效、毒理及药代等研究的细胞水平的研究手段,大大减少了药物实验所需动物的数量。目前上述实验使用的细胞系或来自其他种属的细胞系,很多时候并不能真正代表正常的人体细胞对药物的反应。胚胎干细胞还可用来研究人类疾病的发生机制和发展过程,以便找到有效和持久的治疗方法。

国家自然科学基金项目��《药物介导胚胎干细胞体外定向分化的干预效应研究》近日在杭州取得重大突破。科学家们通过通过生物因子的作用和药物的诱导,目前已成功地将胚胎干细胞体外定向分化成搏动的心肌细胞,并在此基础上首次利用胚胎干细胞成功地构建了新药筛选模型。到目前为止,他们已在实验室中先后两次成功地培养出了总共30个自主跳动的单一心肌细胞团,分化成功率已高达80%。实验室观察表明,这些细胞团均具有正常心肌细胞的自律性、应激性和兴奋性。据介绍,在成功分化出心肌细胞的基础上,课题组将于近期开始定向分化单一的神经细胞和胰岛细胞的工作。 这一成果的重大意义在于:单一细胞的形成过程重现了胚胎细胞发育过程的全部生物信息,反映人类疾病的发生机制和发展过程,并提供了药物作用的重要靶点,从而在世界上首次利用胚胎干细胞成功地创建了一个新药的筛选模型。该筛选模型可在基因层面上对新药的疗效、作用机理和安全性进行快速安全的鉴定,并对于发现和研制治疗新药具有积极意义。

美国麻省理工学院的科学家2002-03-26日宣布,他们首次利用人体胚胎干细胞培育出毛细血管,进一步证明了胚胎干细胞技术在治疗心血管疾病等领域的应用潜力。 在研究中,兰格等首先使这些干细胞发育至能分化成不同细胞类型的阶段,然后从中提取出有可能分化成内皮细胞的干细胞,进一步对其进行培养。当这些细胞形成原始的血管结构时,研究人员将其移植入经过处理后不会产生排异反应的实验鼠体内,并发现它们在14天后形成了毛细血管网。他们的研究还显示,其中一些毛细血管中含有鼠的血细胞,显示这些血管已经自发地与鼠循环系统相结合。

3.胚胎干细胞的标志及建系:

长期以来,科学家一直在寻找确定干细胞的精确方法。干细胞表面有许多特殊的标记,以造血系统为例,干细胞的表面标志有Sca-1和c-kit等。另外各种成体干细胞还有各自独特的标记物,如人造血干细胞表现为CD34+和Thylo而CD10,CD14,CD15,CD16,CD19,CD20皆为阴性[8]。这些特异的标记物可能与其分化调控有关,如上皮干细胞有β1整合素的高表达,而β1整合素可介导干细胞与细胞外基质粘附从而抑制其分化的发生。另外干细胞还有不同于一般分化细胞的物理特性,比如干细胞不被染料Hoechst33324和Rhodamine123染色。利用这些特性及表面标志,采用荧光细胞分离器从单细胞悬液中即可分离纯化干细胞。但大多数用这种方法确定的细胞都不是真正的干细胞。

人们不断寻找各种各样的标记,但没有人找到绝对特异的干细胞标记。St.Jude 儿童研究医院实验血液学部主任Brian Sorrentino博士领导的研究人员找到了他们认为是世界上第一个“通用的”干细胞标记--ABCG2/Bcrp1。这个基因在不同来源的干细胞中都有表达,而在大多数成熟细胞中不表达,它将成为干细胞标记。 这项发现公布在9月出版的《自然医学》上,暗示新发现的ABCG2/Bcrp1基因将为科学家提供确定真正干细胞的更精确方法。研究人员发现在骨髓、骨骼肌以及早期小鼠胚胎干细胞中ABCG2/Bcrp1基因都以一种高度特异性形式表达。

目前,人类多能性干细胞系的建立有两个来源,其方法与以往在动物模型中建立的方法相同。

(1) 从人类胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离多能干细胞。 Dr. Thomson从IVF(体外受精)临床实验室得到胚胎,这些胚胎是不育症临床治疗不需要的,用于繁殖,而非研究目的。从捐献者夫妇处获得知情同意书后,Dr.Thomson分离了内细胞群(图III),将这些细胞进行培养,产生一个多能性干细胞系。

(2)从终止妊娠的胎儿组织中分离出多能性干细胞。捐献者自行决定了终止妊娠,从他们那儿获得了知情同意书后,Dr. Gearheart从原本要发育成睾丸或卵巢的胎儿部位取得细胞。尽管Dr. Thomson 实验室和Dr. Gearheart实验室使用的细胞系来源不同,但发育成熟的细胞看起来非常相似。

体细胞核转移(SCNT)是得到多能性干细胞的另一种途径。在SCNT的动物研究中,研究者将一个正常的动物卵细胞去除细胞核(含染色体的细胞结构)。存留在卵细胞内的物质含营养成分和对胚胎发育非常重要的能量物质。而后,在非常精细调控的实验室条件下,将单个体细胞――除卵细胞或精子细胞之外的任一种细胞――与除去核卵细胞放在一起,使两者相融合。融合细胞以及其子细胞具有发育成一个完整个体的潜能,因此是全能性的。正如图I所示,这些全能性细胞不久将形成胚囊,从理论上来说,可利用胚囊的内细胞群来建立多能性干细胞系。实际上,任何一种可生成人类胚囊细胞的方法都有可能成为人体多能性干细胞的来源。

建立稳定的永生化的胚胎干细胞细胞系更为实用和可行的方案有三个:(1)应用克隆技术,用人成熟细胞核置换人卵细胞的遗传物质,然后在体外将其培养至胚泡期,分离胚胎干细胞,用于研究和治疗。此时胚胎尚未开始分化,各系统也未开始发育,故不能称之为“人”,因此这一技术与“克隆人”有明显区别。这一策略具有很大的诱惑力,如将正常细胞核置入受体无核卵细胞中,培养和分离胚胎干细胞,在将其体外定向诱导分化为各种特定的功能细胞,用于治疗因这些细胞损伤而引起的多种严重疾病。例如分化为多巴胺神经元治疗帕金森病,分化为胰岛细胞治疗糖尿病,分化为肝细胞和肌细胞治疗肝纤维化和肌萎缩,甚至还可以分化为CD4+细胞治疗艾滋病。目前利用核移植技术获取胚胎干细胞已在羊和小鼠实验中得到验证,但距其应用于人类疾病的治疗还需较长时间。(2)将人类的细胞核置入到其它哺乳动物的无核卵细胞以获取胚胎干细胞。通过对牛、羊、鼠的研究已经证实,克隆的后代看起来都与提供起源细胞核的供核动物的后代相象,而不象供卵者的后代。因此,这一策略可以用来获取胚胎干细胞,并已开始在牛和鼠身上进行实验,如果可行,那么便可以避免应用人的卵细胞。目前异种核移植尚未得到令人鼓舞的结果。此外在伦理学上,这种通过其它动物的卵细胞获得的胚胎能否被称为人的胚胎也将成为一个新的课题。(3)将成人的细胞核植入胚胎干细胞的胞浆内,通过胚胎干细胞的胞浆与供体细胞核的作用,诱导表达胚胎干细胞特异性的基因已有研究发现,将成纤维细胞核植入肝细胞的胞浆中,结果可以表达一个肝细胞特异性的基因。但这一技术目前还不成熟。

胚胎干细胞最激动人心的潜在应用是用来修复甚至替换丧失功能的组织和器官,因为它具有发育分化为所有类型组织细胞的能力。任何涉及丧失正常细胞的疾病都可以通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异组织细胞来治疗,如用神经细胞治疗神经变性疾病(帕金森氏综合症、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默氏病等),美国威斯康星大学的研究人员于2001年9月首次将人类胚胎干细胞转化为血细胞,向为医学治疗创造血液供应迈出了重要关键的一步。 用胰岛细胞治疗糖尿病,用心肌细胞修复坏死的心肌等。尤其是对于后两项,胚胎干细胞可能会有特别疗效,因为目前认为成年人的心脏和胰岛几乎没有干细胞,因而仅靠自身无法得到修复。为了基因治疗和防止免疫排斥效应,还可以对胚胎干细胞的基因做某些修改。干细胞是基因治疗的较理想的靶细胞,因为它可以自我复制更新,治疗基因通过它带入人体中,能够持久地发挥作用,而不必担心象分化的细胞那样,在细胞更新中可能丢失治疗基因的结果。通过胚胎干细胞和基因治疗技术,可以矫正缺陷基因。例如,如果发现早期胚胎有某种基因缺陷而会患基因缺陷病如囊性纤维化――一种30岁以前便会致人死亡的疾病,可以收集部分或全部胚胎干细胞,通过基因工程技术将正常的基因替代干细胞中的缺陷基因,再将修复后的胚胎干细胞嵌入胚胎中,经过九月怀胎将会出生一个健康的婴儿。由于伦理和某些技术问题,现在还未开展此类实验。改变胚胎干细胞的某些基因的另一目的是创建“万能供者细胞”,即破坏细胞中表达组织相容性复合物的基因,躲避受者免疫系统的监视,从而达到防止免疫排斥效应发生的目的。但这种方法需要破坏和改变细胞中许多基因,而且这种细胞发育成的组织和器官是否有生理缺陷如免疫能力降低

另一种克服移植免疫排斥的途径就是前面描述的结合克隆技术创建病人特异性的胚胎干细胞。用这种胚胎干细胞培养获得的细胞、组织或器官,其基因和细胞膜表面的主要组织相容性复合体与提供体细胞的病人完全一致,不会导致任何免疫排斥反应。如果这一设想能够变为现实,将是人类医学中一项划时代的成就,它将使器官培养工业化,解决供体器官来源不足的问题;器官供应专一化,提供病人特异性器官。人体中的任何器官和组织一旦出现故障,将像更换损坏的汽车零 件一样可随意更换和修理。

胚胎干细胞临床价值:

有关专家表示,现在的种种尝试仅是开始。用干细胞技术治疗疾病至少还要经历三个阶段:

  第一个阶段是把一种组织的成体干细胞直接移植给相应组织坏损的病人以治疗疾病。   

  第二阶段则是如果掌握了干细胞向某种组织细胞分化的条件,就可以在体外对干细胞进行诱导使之“定向”分化成所需的细胞。对于某些遗传性疾病,还可对干细胞进行基因修饰。对经过“定向分化”或“基因修饰”后的干细胞进行筛选后,把“合格”的细胞移植给病人。   

第三阶段:即在体外进行“器官克隆”以供病人移植。真正在体外形成一个具有正常生理功能和结构的人体器官,绝不是五六年就能实现的。目前,“器官克隆”还只是一个“美好的愿望”。当然,这个“美好的愿望”最终一定能够实现,但是现在还没有哪个研究者能对这个时间做

胚胎干细胞研究的技术和伦理问题:

  但是要使以上设想变为现实,还需要对胚胎干细胞做深入研究,还需要解决很多技术难题,这些问题包括:     1)胚胎干细胞极易分化为其他细胞,如何维持体外扩增时不分化?虽然在防止体外培养时干细胞分化方面已取得了很大成绩,如在培养基中加入白血病抑制因子等可抑制干细胞分 化,但仍需进一步研究干细胞的培养条件。     2)如何定向诱导干细胞分化?细胞分化是多种细胞因子相互作用引起细胞一系列复杂的生理生化反应的过程,因而要诱导产生某种特异类型的组织,需要了解各种因子在何时何地开始作用,以及何时何地停止作用。令人高兴的是,科学家相信只要将胚胎干细胞诱导分化为所需组织细胞的前体(祖细胞),将祖细胞移植到适当的环境中就能够产生所需的组织,因为机体能够分泌所有指导细胞正确分化的因子。并且不必在体外形成结构精确的多细胞组织后再移植,只需要将已诱导的分散的胚胎细胞或细胞悬液注射到发病部位就可发挥作用,这些移植的细胞与周围细胞及胞外基质相互作用便可有机 地整合至受体组织中。

 3)由胚胎干细胞在体外发育成一完整的器官尤其是像心、肝、肾、肺等大型精细复杂的器官这一目标还需要技术上的突破。因为器官的形成是一个非常复杂的三维过程。很多器官是两个不同胚层的组织相互作用而形成的。例如,肺中的肌组织、血管和结缔组织来源于中胚层,而上皮组织源自内胚层。每个细胞要获得营养和排泄代谢废物,分化的组织中需要产生血管,组织血管化目前还处于起步研究阶段。退一步讲,即便是一发育完整的来自自然机体的器官,要离体培养并维持其正常的生理功能目前还无法做到,器官的体外保存和维持仍是器官移植中的难题。一种可能的方法是将干细胞注射到重度免疫缺陷动物的脏器中,让移植的人干细胞逐步替代动物细胞,使其脏器人源化,成为可供移植的器官。

  4)如何克服移植排斥反应?前面提到的改变基因创建“万能供者细胞”的方法是否可行还不清楚。核移植后的卵细胞能否激活沉默基因,启动DNA的合成,会不会改变染色体的结构等等问题,还有待进一步研究。而且,胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向,必须对胚胎干细胞及其衍生细胞的移植的安全性做一全面、客

尽管人胚胎干细胞有着巨大的医学应用潜力,但围绕该研究的伦理道德问题也随之出现。这些问题主要包括人胚胎干细胞的来源是否合乎法律及道德,应用潜力是否会引起伦理及法律问题。从体外受精人胚中获得的ES细胞在适当条件下能否发育成人?干细胞要是来自自愿终止妊娠的孕妇该如何办?为获得ES细胞而杀死人胚是否道德?是不是良好的愿望为邪恶的手段提供了正当理由?使用来自自发或事故流产胚胎的细胞是否恰当?

一、 争论产生的过程

1.争论的背景:

美国国会曾颁布法律禁止联邦政府赞助胚胎“被摧毁、抛弃或者受到伤害或死亡”的研究;此后,美国卫生和福利部(DHHS)认为国会关于禁止人胚胎研究的法案不适用于胚胎干细胞研究,因为胚胎干细胞植入子宫后,不具有依靠自身发育成人的能力,故胚胎干细胞不等于胚胎,因此决定资助进行胚胎干细胞研究;对此,美国73位著名科学家(其中67位是诺贝尔奖获得者)立即联名表示支持,美国几个颇具影响的学术团体也都支持这一决定,NIH主任沃马斯称这将使该项研究前景辉煌。克林顿政府对这一问题也持支持态度,并采用迂回做法,规定只要用于研究的干细胞是从私立第三方研究机构获得的,联邦资金即可进行资助。

但DHHS和克林顿政府的态度却遭到某些国会、教会和人权组织人士的反对。天主教人士指责该决定严重违反法律,会导致利用私人资金摧毁胚胎,而利用联邦资金从事胚胎实验;1999年2月,70位众议员致信DHHS,认为该决定违犯了联邦法律;美国生命联盟人权组织抗议使用干细胞,因为它们来自应受美国法律保护的可发育成人的胚胎;国会议员杰.迪凯极力反对该规定,甚至声称要将DHHS告上法庭,他强调“科学应为人类服务,而不是人为科学服务”;反堕胎活动分子也要求国会干预和阻挠此类研究。

在此情况下,美国国立卫生研究院(NIH)公布了《关于胚胎干细胞研究的指导原则》,该原则允许使用私人资助的现已获得的来自人胚胎的细胞系进行研究;但禁止用干细胞创建人胚胎的研究,禁止将人胚胎干细胞与动物胚胎结合的研究,禁止使用干细胞进行生殖克隆,禁止使用为研究目而专门创建的胚胎干细胞。该指导原则对使用和研究来自胎儿组织的细胞系相对比较宽容,可以说为人类胚胎干细胞研究打开了大门。

2.争论的导火索:

7月初发生的一件事成为引发争论的导火索:美国琼斯生殖医学研究所的科学家对12名妇女和2名男子捐献的卵子和精子进行了实验 ,培育出40个内含100到300个细胞的胚囊(早期的胚胎),然后毁掉胚囊,提取出有重要治疗用途的干细胞,这一研究成果在11日出版的《生育与不育》杂志上发表,立即轰动美国医学界,同时在社会各界引起了激烈的争论,如何对待人体胚胎的问题再度成为美国社会的热门话题。许多反堕胎组织、人权组织、宗教界人士纷纷表示强烈反对。他们认为,这一研究成果损害了生命,极大地违反了人类的道德准则。但支持者的声音也不小,病人组织、医生组织以及主张扩大研究的人士认为,制造用于研究目的的胚胎是合乎道德和科学的,而且有助于人类了解自己早期的发展情况,更为重要的是,这有助于科学家们早日攻克许多疑难病症,从而更好地为人类服务。

3.美国国会的态度:

在此情况下,美国众议院于7月31日在国会休会前提出了两个关于人类克隆和胚胎干细胞研究的紧急提案,其中由詹姆斯?格林伍德议员提出的一个法案禁止任何克隆人试验,但允许用人胚胎干细胞进行医学研究;由戴夫?韦尔登议员提出的另一个法案则不仅禁止克隆人的尝试,还禁止利用胚胎干细胞进行医学研究。结果,前者未能获得众议院多数支持,而后一法案则以262票对162票获得通过。根据韦尔登法案,进行克隆人尝试或者利用克隆胚胎进行研究者,将被处以至少100万美元罚款和多达10年的监禁,该法案还禁止运输、接受或进口克隆胚胎及胚胎干细胞等克隆胚胎衍生产品的行为。这一法案在正式生效之前需要得到美国参议院批准并由美国总统签署。美国国内有评论认为,如果“韦尔登法案”真的在美国获得通过,大批从事干细胞研究的科学家将可能转向其他国家以继续研究,这样美国不仅将失去一批优秀的科学家,还将失去在这个研究领域的领先地位。这一法案遭致了美国科学家的强烈反对。

4.布什发表声明:

布什原定在9月初美国国会复会之前就胚胎干细胞研究作出正式决定,但科学界的强烈呼声以及当时的形势迫使布什决定将宣布日期提前近一个月。8月9日布什在得州休假地突然向全国发表了上任以来的首次电视讲话,他一改坚持反对干细胞研究的立场,宣布允许将联邦政府经费用于胚胎干细胞研究,实际上是宣布否决了韦尔等法案,但布什也强调胚胎干细胞研究要只限于目前已提取出的60多种干细胞集群,即今后从胚胎获取干细胞的研究将不会获得联邦经费资助。

5.各界的反应:

布什讲话立即在美国引起轩然大波:科学家和生物科技工业界认为布什的决定为进行这项大有可为的科学研究项目规划了方向,将造福于人类;如果说这些人也有不满,那就是开的口子还不够大,一些人质疑干细胞研究是否真的必须只限于现有的60个细胞系;还有一些科学家对向干细胞研究施加限制可能会阻碍科学发展表示忧虑;民主党人士则干脆批评布什的决定力度不够,有在保守派和激进派之间取平衡之嫌。而反对者则称这一决定将造成滥用人类胚胎,导致人类研究资源的枯竭;有的则认为应当将是否允许进行干细胞研究交给法庭决断;更强大的反对声浪发自一些宗教人士和反堕胎组织,他们认为提取干细胞后胚胎必然被破坏,这等于扼杀生命;有些反对者发誓将利用法律手段迫使联邦政府停止所有资金的拨款。

二、其它国家对胚胎干细胞研究的态度

1.英国在干细胞研究领域占据领先地位,英国政府对胚胎干细胞研究的态度也比较积极。今年1月,英国第一个将克隆研究合法化,既允许科学家破坏被生育诊所废弃的胚胎用于研究,也允许通过试管内受精培养研究用胚胎和克隆人类早期胚胎并从中提取干细胞进行研究,并将这一研究定性为“治疗性克隆”,但要求研究中使用过的所有胚胎必须在14天后销毁,因为他们认为人在胚胎存活14天后开始了生命历程。此后不少英国的实验室纷纷扩充设施,向干细胞研究领域发起攻势,其中包括4年前克隆“多利”羊获得成功的爱丁堡罗斯林研究所。

2.法国政府对胚胎干细胞研究持相对谨慎态度,现正在酝酿一项禁止干细胞生产的法律,但在该法律出台前允许继续相关研究。而法国部分学者对此不满,并联名向法国科研部长提交报告,呼吁政府大力加强对干细胞研究的扶持力度。

3.德国方面,胚胎受到极为严格的法律保护。德国1990年通过的胚胎保护法规定生命从怀孕之时开始,每一个受精卵都有生存的权利,由于干细胞采集自存活的人体胚胎,因此“克隆”干细胞或为采集干细胞而破坏胚胎在德国是非法的。因此德国政府下令终止一切涉及人类胚胎组织,包括干细胞在内的研究工作。因此一些私营生物技术公司纷纷想办法避开本国法律的限制,如以开发心脏病治疗药物为宗旨的卡迪昂公司在美国波士顿建立了一个遗传研究分支机构,以便从一定程度上绕开德国的法规;海德堡的西托内公司正在考虑将其有关研究外包给以色列或英国。现在在德国已经出现了相关领域科技人员大迁移的局面,这使圈内人士深感忧虑,担心德国近年来刚刚恢复元气的生物技术会像80年代那样再度受挫。当时在德国大部分遗传学研究甚至包括人类胰岛素生产一概被宣布为非法,由此造成科技人才纷纷外流。施罗德总理最近也表示:“关注就业和经济繁荣同样是道德责任的一部分。”但他同时又声称,最早在今秋之前不会对有关法律重新进行审核。

4.在以色列,根据犹太人传统,胚胎只有在子宫内着床后才算是人,因此其干细胞研究与出口方面均居领先地位。

5.在日本,干细胞研究是其“千年世纪工程”的核心内容之一。但日本政府规定,用于研究的胚胎细胞只能从那些本该被废弃、用于生育治疗目的的胚胎中获取。目前,日本京都大学再生医科学研究所已向该校伦理委员会提出申请,要求加强胚胎干细胞研究,开发其国产化的人体胚胎干细胞。

6.在新加坡,干细胞研究在新加坡正在进行之中。今年早些时候,新加坡政府任命了一个哲学、科学和法律专家组,专门研究与生物技术研究有关的伦理道德问题。

三、争论的焦点

从以上不难看出,此次争论的焦点在于干细胞的来源,即是否可以从胚胎中获取干细胞进行研究,如果可以,是从治疗生育疾病所多余的或流产的胚胎中选取,还是从通过“克隆”等技术制造出的专门用于干细胞研究的胚胎中选取。说到底就是人胚胎干细胞的来源是否合乎法律及道德,应用过程中所产生的伦理及法律问题如何处理。

赞成胚胎干细胞研究的人认为,科学家并没有杀死胚胎,而只是改变了其命运,尤其是那些治疗生育疾病过程中剩余的胚胎,与将其抛弃相比,利用它进行研究以利于科学发展和人类健康是更可取的做法。此外,由于胚胎干细胞只是胚泡中的内细胞群,没有滋养层得支持,不可能独立发育成胎儿,所以他们不是胚胎,因此胚胎干细胞研究并不违反伦理道德。也有一些科学家用体细胞核转移的方法生成胚泡,然后分离培养多能干细胞系,他们认为既然实验用的卵细胞是去核和未受精的,无不同个体的遗传物质融合,从而未发生受精过程,所以用这种方法制造的干细胞并不违反道德和伦理准则。

反对者则认为,从胚胎中收集胚胎干细胞是不道德的,因为人的胚胎也是生命的一种形式,无论目的如何高尚,破坏胚胎是对生命的不珍重,是无法容忍的;有些人担心,为获得更多的细胞系,公司会资助体外受精获得囊胚及人工流产获得胎儿组织,可能导致人工流产的泛滥;有人认为,如果胚胎干细胞和胚胎生殖细胞可以作为细胞系通过买卖获取,将会对传统伦理道德产生巨大冲击;有人认为应该鼓励成体干细胞研究而应放弃胚胎干细胞研究。对于用体细胞核转一生成胚泡的方法,反对者认为把这样的胚泡移植到妇女子宫中也有可能克隆出人,尝试此类研究当然与现行道德准相驳,也是违法行为。

四、为什么一定要进行胚胎干细胞研究

有一种观点认为胚胎干细胞研究是没有必要的,因为成体干细胞完全可以取代胚胎干细胞。最近一些研究报告表明人体脂肪、胎盘等组织中的干细胞,具有惊人的可塑性,和胚胎干细胞一样,可以分化成各种各样的组织细胞,可以通过诱导使成体干细胞进行特化发育,然后将其移植回病人体内,这样既可以避免发生排斥现象,也可以避免使用来源于人体胚胎或人体胎儿的干细胞。

但应该看到,尽管成体干细胞具有一定的优越性,但仍有一些因素限制了它的利用,主要包括:1.人们尚未从人体的全部组织中分离出成体干细胞,例如人们尚未发现人类的成体心脏干细胞。2.成体干细胞含量极微,很难分离和纯化,且数量随年龄增长而降低。3.在一些遗传缺陷疾病中,遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中,这样的干细胞不适于移植。4.成人身上获得的干细胞可能没有年轻人的干细胞那样的增殖能力。5.由于日常生活中人是暴露在各种环境之下的,日光和毒素等都有可能造成基因突变,成体干细胞可能包含更多的DNA异常等等。这些潜在的弱点必将在某种程度上限制成体干细胞的使用,因此成体干细胞研究不可能完全代替胚胎干细胞。

成体干细胞

成年动物的许多组织和器官,比如表皮和造血系统,具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下,成体干细胞或者产生新的干细胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能细胞,从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明,以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞,说明成体干细胞普遍存在,问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞经常位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体,与干细胞相互作用,控制干细胞的更新和分化。

越来越多的证据表明,当成体干细胞被移植入受体中,它们表现出很强的可塑性。通常情况下,供体的干细胞在受体中分化为与其组织来源一致的细胞。而在某些情况下干细胞的分化并不遵循这种规律。1999年Goodell等人分离出小鼠的肌肉干细胞,体外培养5天后,与少量的骨髓间质细胞一起移植入接受致死量辐射的小鼠中,结果发现肌肉干细胞会分化为各种血细胞系。这种现象被称为干细胞的横向分化(trans-differentiation)

目前国外科学家不仅重视人胚胎干细胞的研究,而且更加重视成体干细胞的研究。在短短的不到三年时间里,干细胞的横向分化研究出现了非常令人兴奋的结果。人们现在突然发现人体各个系统内的干细胞原来都是可以通过诱导而相互转化的。

科学家发现机体的多种成熟分化的组织中普遍存在成体干细胞,如造血干细胞、皮肤干细胞、间质干细胞、肌肉干细胞,肝脏干细胞、神经干细胞等。这些干细胞大部分都可以“横向分化”为至少2-3种以上其它的组织细胞。例如,从骨髓间质中分离出的一种名叫MAPC(多样成熟原始细胞)的干细胞以及从脐血中分离出的一种干细胞其分化潜能几乎可以和人胚胎干细胞媲美,可以在体内外分化出机体的任一组织;皮肤干细胞及从脂肪组织中分离出的一种干细胞在体内至少也能分化为5种以上的组织。表明了成体干细胞横向分化不仅具有相当的普遍性,而且具有多能性。这种“横向分化”的分子机制一旦被研究清楚,就有望利用病人自身健康组织的干细胞,诱导分化成可替代病变组织的功能细胞来治疗各种疾病。这样既克服了由于异体细胞移植而应起的免疫排斥,又避免了由于胚胎细胞来源不足以及其他社会伦理问题,人们可望从自体中分离出成体干细胞,在体外定向诱导分化为靶组织细胞并保持增殖能力,将这些细胞回输入体内,从而达到长期治疗的目的。因此横向分化的发现在干细胞研究中具有革命性意义,它为干细胞生物工程在临床治疗中的广泛应用奠定了基础。探讨成体干细胞“横向分化”的机制已成为干细胞研究的另一个热点。

日本科学家最近通过动物实验发现,肝脏干细胞能够分化发育成为胰脏和小肠等其他内脏器官。 日本筑波大学讲师谷口英树等科学家,把从老鼠的肝脏里取出来的干细胞大量地移植到老鼠的胰管里。三个月后,从肝脏干细胞分化出来的细胞就取代了胰脏细胞,并且分泌出胰脏所特有的液化酶等物质。把肝脏干细胞移植到小肠里去,它也转变成长为小肠细胞。

美国佛罗里达大学的研究人员最近在一项实验中,成功地将成年人的骨髓干细胞转化成鼠的心肌细胞,这为将来在人体身上进行类似实验积累了经验。

这一成果发表在美国专业刊物《循环》上。论文作者之一伯恩指出,他们的新研究不仅证明了“成人骨髓干细胞具备转化为心脏细胞的能力”,也为了解骨髓干细胞在心脏组织中的再生机制提供了很多形象的细节。这些都有助于科学家们研究如何将骨髓干细胞用于治疗人类的心脏疾病。

此前,已有科学家实验将鼠骨髓干细胞转化为鼠心脏细胞(加拿大研究者今天在2000年美国心脏协会科学会议上报告说,一项新的干细胞技术提供给威胁生命的心力衰竭治疗的令人兴奋的前景。该方法包括动物自身骨髓抽取成体干细胞,并且将其直接注射入心脏。这些细胞,成为骨髓间质细胞,之后分化成心脏肌肉细胞。到目前为止,这些实验还仅仅在动物中进行。来自加拿大的这一研究组报告说,他们已经在22只大鼠中的20只体内成功地制造了可用的心肌。),而伯恩等人的研究在此基础上更进了一步。研究人员从成年人骨髓中提取出的是一种间质干细胞,他们将其注入实验鼠的冠状动脉内。这些实验鼠都经过了免疫缺乏处理,不会对人体细胞产生免疫反应。研究人员在两个星期后发现,经过鼠循环系统运输的成人骨髓干细胞,有一部分会到达心脏部位,开始分化成鼠心肌细胞,并且具备与鼠自身的心脏细胞完全一样的物理特征。这些心肌细胞能在鼠体内正常工作两个月以上,并一直保持健康状态。

德国杜塞尔多夫大学医院的科学家2001-8-24日证实,他们运用自体干细胞移植方法治疗一名心肌梗塞患者获得成功。这是世界上第一个自体干细胞移植治疗心脏病成功的病例。他们从患者的脊椎中取出干细胞,经过必要处理后,又将其注入借助“球体膨胀法”撑开的梗塞动脉中。经观察,手术10个星期后,患者心肌梗塞的规模便缩小了近三分之一,心脏功能也得到明显改善。它证实,植入的干细胞成功地再造了被破坏的心肌组织,再造的心肌也已部分地承担起已坏死组织的功能。

胚胎干细胞和成体干细胞研究的比较

 与胚胎干细胞相比,成体干细胞具有许多优势:

1、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。

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。

3、细胞也具有类胚胎干细胞的高度分化能力。

但应该看到,尽管成体干细胞具有一定的优越性,但仍有一些因素限制了它的利用,主要包括:1.人们尚未从人体的全部组织中分离出成体干细胞,例如人们尚未发现人类的成体心脏干细胞。2.成体干细胞含量极微,很难分离和纯化,且数量随年龄增长而降低。3.在一些遗传缺陷疾病中,遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中,这样的干细胞不适于移植。4.成人身上获得的干细胞可能没有年轻人的干细胞那样的增殖能力。5.由于日常生活中人是暴露在各种环境之下的,日光和毒素等都有可能造成基因突变,成体干细胞可能包含更多的DNA异常等等。这些潜在的弱点必将在某种程度上限制成体干细胞的使用,因此成体干细胞研究不可能完全代替胚胎干细胞。

胚胎干细胞自身的优势: 1、 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。

4、胚胎干细胞具有全能性,研究的历史长,技术上有优势。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。

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。

成体干细胞的问题:

人类成体干细胞研究表明,这些专能干细胞在细胞疗法的研究和发展中具有极大的利用价值。例如,利用成体干细胞进行移植有诸多优势。如果能从病人身上分离出成体干细胞,诱使它们分化并指导它们进行特化发育,而后将它们移植回病人体内,这样的细胞不可能发生排斥现象。使用成体干细胞进行这样的治疗,显然会降低、甚至避免使用来源于人体胚胎或人体胎儿的干细胞(这些来源往往会给人们带来伦理上的麻烦)。

  成体干细胞显示出真正的希望,但仍有一些重要的因素限制了它们的利用。首先,人们尚未从承认体内的全部组织中分离出成体干细胞。尽管多种不同类型的专能干细胞已得到确定,但所有类型细胞和组织的成体干细胞尚未在成人体内发现。例如,人们尚未发现人类的成体心脏干细胞或成熟胰岛干细胞。

  其次,成体干细胞含量极微,很难分离和纯化,且数量随年龄增长而降低。比如,成人的脑细胞有可能是神经干细胞的情况,只是在移除癫痫患者的部分脑组织时才可见,而这一点价值甚微。

  如果尝试使用患者自身的干细胞进行治疗,那么首先必须从患者体内分离干细胞,并体外培养,只至有足够数量的细胞才可用于治疗。对于某些急性病症,恐怕没有足够的时间进行培养。在另一些遗传缺陷疾病中,遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中,这样的干细胞不适于移植。有证据表明,成人身上获得的干细胞,可能没有年轻人的干细胞那样的增殖能力。此外,由于日常生活的暴露,包括日光、毒素、以及在一生中DNA复制过程中的某些错误,成体干细胞可能包含更多的DNA异常。这些潜在的弱点将限制成体干细胞的使用。

  在成体干细胞上可能无法研究细胞特化的早期阶段,因为它们的特化性比多能干细胞强。此外,一个成体干细胞系能形成几个,可能是3 或4个组织类型,但目前,还没有明显的证据表明成体干细胞具有多能性,无论是人类还是动物。为了确定众多人体特化的细胞和组织的最佳来源,为新疗法乃至治愈方法服务,进行成体干细胞发展潜能研究及其与多能干细胞的对比研究将是非常重要的。

造血干细胞

造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源,它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。造血系统是体内高度活跃和高度新陈代谢系统,造血干细胞的基本特征是具有自我维持和自我更新,即干细胞通过不对称性的有丝分裂,在不断产生大量祖细胞的同时,使自己不增殖也不分化,而造血祖细胞进一步的增殖与分化是补充和维持人体外周血细胞的基础。由造血干细胞到祖细胞再到外周血细胞的这种分化调节过程相当复杂,依赖于各种造血生长因子、造血基质细胞、细胞外基质等多种因素的相互作用与平衡,并涉及细胞的增殖分化、发育成熟、迁移定居、衰老凋亡和癌变等生命科学中的许多基本问题,这也是基础研究的主要热点。

造血干细胞与其它多能干细胞比较,有以下不同之处:首先,在个体发育过程中,造血干细胞历经多次迁移,先由卵黄囊转移到胎肝,最后到达骨髓,而其后的某些条件下又可出现髓外造血的情况;而其它多能干细胞多在固定的场所发育成特定的组织;其次,由于生理需要,造血干细胞始终处于较为活跃的增殖与分化状态,能从骨髓源源不断地进入外周血而到达全身各处,而成熟个体中的多能干细胞多局限于相应的组织器官中,一般情况下处于类似休眠的状态。第三,造血干细胞具有可塑性,可以分化为肝脏、肌肉及神经等组织的细胞,一定条件下又可来源于肌肉干细胞、神经干细胞等,而这种分化大多在相应组织病变的情况下完成。

在临床治疗中,造血干细胞应用较早,造血干细胞移植,就是应用超大剂量化疗和放疗以最大限度杀灭患者体内的白血病细胞,同时全面催毁其免疫和造血功能,然后将正常人造血干细胞输入患者体内,重建造血和免疫功能,达到治疗疾病的目的。但是,造血于细胞并不能在人群中随意移植,正如输血需要配ABO血型一样,造血干细胞移植需先进行HLA配型。HLA即人白细胞抗原,是人体细胞表面的“主要组织相容性复合物”,只有两个个体HLA配型相同,才能进行造血干细胞移植,否则会发生移植物抗宿主反应(GVHD)或移植排斥反应,严重者可危及患者生命。HLA由遗传决定,理论上说,每五个同胞兄弟姐妹中可能有2人的HLA抗原完全相合,而在无血缘关系的人群中,约10万人以上才可能有两个HLA完全相同的个体。鉴于我国国情,在年轻患者的同胞中寻找HLA相合供体的可能性极小。由于造血干细胞具有自我复制功能,捐赠骨髓一般不影响健康。而且由于科技进步,现在可通过造血干细胞“动员”技术,采集分离约200毫升外周血而得到足够数量的造血干细胞,称为外周血干细胞移植。所谓骨髓库,是抽取自愿者数毫升血用于HLA定型,并将资料储存于电脑。有病人需要供体时,将其HLA资料经电脑检索配型,由配型相合者捐献骨髓或外周血用于移植。发达国家现已建立了多达数百万人的骨髓库网络.多达70%需要移植的病人可获捐赠造血干细胞而得以挽救生命。此外,科学研究证明,脐带血中含有丰富的造血干细胞,可用于造血干细胞移植,如能建立脐血细胞库,变“废”为“宝”,将会使大批病人受益。目前全球已有数百例病人接受了脐血移植。与两者相比,脐血干细胞移植的长处在于无来源的限制,对HLA配型要求不高,不易受病毒或肿瘤的污染。除了可以治疗急性白血病和慢性白血病外,造血干细胞移植也可用于治疗重型再生障碍性贫血、地中海贫血、恶性淋巴瘤、多发性骨髓瘤等血液系统疾病以及小细胞肺癌、乳腺癌、睾丸癌、卵巢癌、神经母细胞瘤等多种实体肿瘤。对急性白血病无供体者,也可在治疗完全缓解后采取其自身造血干细胞用于移植,称为自体造血干细胞移植。

我国现已掌握了脐血干细胞分离、纯化、冷冻保存以及复苏的一整套技术,并在上海开始筹建我国第一个脐血库,预计可保存一万份脐血样本,以缓解脐血干细胞数量不足的缺陷。在北京医科大学人民医院细胞治疗中心,也正在筹建一座全世界最大的异基因脐带血干细胞库,计划到2002年完成冻存5万份异基因脐带血干细胞,为全世界的华人患者提供脐带血干细胞做移植用。在今年初,东北地区首例脐血干细胞移植成功,又为中国造血干细胞移植技术注入新的活力。随着脐血干细胞移植技术的不断完善,它可能会代替目前APBSCT的地位,为全世界更多的血液病及恶性肿瘤的患者带来福音。

神经干细胞

神经干细胞是中枢神经系统中保持分裂和分化潜能的细胞。

神经干细胞是胚胎干细胞的一种,胚胎干细胞可以无限增殖并分化成全身200多种细胞类型。相对于胚胎干细胞而言,神经干细胞可以进一步分化成中枢神经系统某些细胞类型。与胚胎干细胞相似,神经干细胞也可以在分化前的培养过程中无限增殖。三家神经干细胞研究公司均从胎儿组织中分离神经干细胞。   至少在动物中干细胞具有如下特性。例如,把人的神经干细胞注射入小鼠大脑,细胞将迁移到损伤部位,分化成所需要的细胞种类。

神经干细胞的另一个特点是当移植入中枢神经系统后不具有免疫排斥反应。脑和脊髓由于血脑屏障的存在使之成为免疫系统中较为特殊的器官。如给帕金森氏综合征的患者脑内移植含有多巴胺生成细胞的人胚胎脑组织,可以治愈部分患者的症状。但此方法没有广泛采用的主要原因是胎儿脑组织较难取材。

神经干细胞研究起步较晚,由于分离神经干细胞所需的胎儿脑组织较难取材,加之胚胎细胞研究的争议尚未平息,神经干细胞的研究仍处于初级阶段。理论上讲,任何一种中枢神经系统疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。脑和脊髓由于血脑屏障的存在使之在干细胞移植到中枢神经系统后不会产生免疫排斥反应,如:给帕金森氏综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经干细胞,可治愈部分患者症状。除此之外,神经干细胞的功能还可延伸到药物检测方面,对判断药物有效性、毒性有一定的作用。

目前的研究主要集中于神经干细胞在脑中的起源、分布及在治疗中的应用等方面。在发育和成熟的中枢神经系统中均存在着神经干细胞(neural stem cells,NSCs )。另外也有实验证实,胎鼠的小脑半球、海马、皮层脑室区等亦可分离出神经干细胞。近来研究者已从人胎儿大脑皮层中分离出中枢神经干细胞。同时使用表皮生长因子(EGF)、神经生长因子(EGF-2)等扩增出细胞群,并用低物诱导细胞可分化出神经元及星型细胞。脑内的神经干细胞是多能干细胞,它可以分化为脑内三种神经细胞。目前尚不清楚的是干细胞是否只能分化为它们定居点的细胞类型,是否具有向其它胚层细胞转化的能力。最新研究发现,小鼠神经干细胞被移植到经放射线照射的小鼠体内后,产生了各系血细胞。提示起源于外胚层的神经细胞可向中胚层细胞转化,同时也表明神经干细胞有更广泛的分化潜能和应用前景,对于神经干细胞的研究价值将是无法估量的。

 尽管在体外可以分离和培养神经干细胞,但目前对神经干细胞的生物学特性知之甚少。由于对神经干细胞的研究才刚刚起步,尚有许多关键性问题尚未解决。因此,研究者认为未来对神经干细胞的研究将集中在以下几个方面:第一,进一步研究神经干细胞生物学特征以及分离、纯化和扩增的条件;第二,确定人类是否也具有神经干细胞;第三,人类神经干细胞在脑内的定位以及怎样在原位诱导神经干细胞增殖分化以补充因疾病和损伤所丢失的神经细胞;第四,人类神经干细胞是否也可向其它胚层的细胞转化等等。中枢神经系统疾病中有很多是因为某种特定的脑细胞发生退行性死亡,导致一些重要的神经递质、蛋白质因子或某些重要结构的匮乏所致。因次在成功地培养了神经干细胞之后,人们很自然的想到利用它直接进行移植治疗,或利用病毒载体,携带目的基因,导入神经干细胞,将筛选得到的体外高效表达目的基因的克隆进行移植。则中性的细胞治疗方法具有以下优点:(1)神经干细胞在脑中能根据其周围微环境的诱导而分裂,分化成为相应的细胞类型,其形态和功能与附近的宿主细胞非常类似。即使是将因转入原癌基因而永生化的神经干细胞植入脑后也未长出肿瘤。(2)中枢神经系统具备特殊的结构--血脑屏障,这使的淋巴细胞很难进入,因此不同个体之间,甚至是不同物种之间的神经干细胞移植,都几乎没有排斥反应,大大提高了神经干细胞的来源。(3)神经干细胞可以在体外根据不同的需要导入相应的外源基因,成为一种光谱的细胞载体。目前很多研究组根据神经干细胞的这些特性,从不同角度加以应用,在神经系统疾病治疗上取得了很大进展。总之,神经干细胞是一种具有广泛应用前景的干细胞,随着其研究的不断深入,人类的神经干细胞将有望作为脑移植的供体细胞以及基因治疗的载体用于临床。而其增殖和定向诱导分化机制的最终阐明,将有赖于分子生物学、发育生物学等生物学科的相互协作和研究方法的进一步完善。

间充质细胞(Mesenchymalstem cells, MSC)

传统的科学观点认为,骨髓只有一项功能――替换血液中的红细胞和白细胞。间质细胞被认为仅仅是支持血细胞的产生。只有在过去两年内,人们才明确地意识到骨髓间质细胞是成体干细胞。许多研究发现,在人类、鸟类、啮齿类等生物的骨髓中,可分离出一种骨髓间质干细胞(Mesenchymalstem cells, MSC)。

MSC具有干细胞的共性,即自我更新及多向分化的能力。一般认为MSC只存在于骨髓中,但最近的研究发现从人的骨骼肌中也分离出了MSC,它同样可以分化为骨骼肌管、平滑肌、骨、软骨及脂肪。此外,也有人分别从骨外膜和骨小梁分离出MSC。同造血干细胞相似,由于目前尚无MSC的特异性标志,对MSC的特征描述及其分离方法都是以一个细胞群体的形式进行的。由于它具有向骨、软骨、脂肪、肌肉及肌腱等组织分化的潜能,因而利用它进行组织工程学研究有如下优势:(1)取材方便且对机体无害。间质干细胞可取自自体骨髓,简单的骨髓穿刺即可获得。(2)由于间质干细胞取自自体,由它诱导而来的组织在进行移植时不存在组织配型及免疫排斥问题。(3)由间质干细胞分化的组织类型广泛,理论上能分化为所有的间质组织类型:将它分化为骨、软骨或肌肉、肌腱,在治疗创伤性疾病中具有应用价值。将它分化为心肌组织,则有可能构建人工心脏。将它分化为真皮组织,则在烧伤中有不可限量的应用前景。地塞米松是MSC分化的非特异诱导剂,它可使MCS分化成骨及脂肪细胞,而两性霉素B则可使MSC分化为肌细胞,还有人利用大鼠的MSC进行了向肌肉分化的研究,发现5-Azacytidine和5-Aza-2'-Deoxycytidine均可促使MSC向肌肉的分化。有关肌细胞及肌腱的诱导分化的方法还不成熟,有待进一步的研究。MSC起源于中胚层,理论上讲,它应可以向其它中胚层组织分化如真皮、结缔组织及上皮等,尤其是真皮,如能诱导成功,则在烧伤的治疗中有不可低估的作用。

五.

用干细胞生物工程治疗疾病的最显著特点就是:利用干细胞技术,可以再造多种正常的甚至更年轻的组织器官。这种再造组织器官的新医疗技术,将使任何人都能用上自己(或他人)的干细胞和干细胞衍生的新组织器官,来替代病变或衰老的组织器官,并可以广泛涉及用传统医学方法难以医治的多种顽症,比如癌症,心肌坏死性疾病,自身免疫疾病、肝脏病、肾脏病和帕金森氏症、老年性痴呆症、脊髓损伤、皮肤烧伤等修复与治疗等。如果和基因治疗相结合,还可以治疗众多遗传性疾病。应用干细胞治疗疾病较传统方法相比具有很多优点:安全性; 不需要完全了解疾病发病的确切机理; 还可能应用自身干细胞移植,避免产生免疫排斥反应。

用干细胞治疗疾病已不再只是设想。成体干细胞的研究时间不长,但用其治疗疾病已开始进入临床试验。去年科学家成功地应用自体的骨髓干细胞治疗心肌梗塞,用间质干细胞治疗造血功能低下和帕金森病。这些临床应用都收到了良好的效果。科学家认为,干细胞及其衍生物组织器官的临床应用,是人类在21世纪的最大科技成果之一,必将产生一种全新的治疗技术,是对传统医疗手段和医疗观念的一场革命。

六.我国的现状

在这场前景极其诱人的国际竞争中,我国反应较快。据专家介绍,在我国,综合性干细胞研究虽然刚刚起步,但已和世界水平取得了同步发展。例如,由北京大学医学部等组建的北京大学干细胞研究中心,在用于临床的干细胞研究方面正取得突破性进展。北京大学医学部已将干细胞研究列为“十五”期间的三大重点建设项目之一,并投入500万元建设相关研究中心。该中心目前正在建立非病毒转化的角膜干细胞体外培养体系,并已着手建立人胚胎干细胞系以及包含人体各种组织的成体干细胞库,在以干细胞技术治疗肝病、糖尿病等方面已取得了初步突破。此外,还将把同样前沿的物理学“光钳”技术和纳米技术等应用到干细胞研究中去。

另外,中国军事医学科学院的研究人员发现了 “人胚胎干细胞分泌素”。经过内地、台湾地区两万病例的临床应用后,这项成果不久前在中、美两国科学院联合举办的“中美前沿科学研讨会”上正式向全世界发布。人胚胎干细胞分泌已被证实的功效有:刺激骨髓造血;刺激红细胞增生,可用于再生障碍性贫血的治疗;刺激白细胞再生,可综合提高人体免疫力,可望用于艾滋病的治疗;可以改善脑组织代谢功能,加快脑血管意外后遗症的恢复等。我国科学家成功地在世界上首次利用原位干细胞在体外合成胃肠器官组织。这项生命科学新技术刚刚在美国申请了专利。

由中国中西医结合学会徐荣祥教授领导的科研小组对外宣布他们研究多年的这一实验成果。这项实验是从小鼠体内取出胃壁和肠壁的组织细胞放在体外培养,利用特别组合的生命营养物质,使这些细胞持续分裂,克隆并持续增殖合成新的胃、肠组织。

利用原位干细胞复制胃肠器官组织的新成果应用于临床,能让受到损伤的胃肠粘膜及时得到修复,也能使胃肠疾病患者免去手术的痛苦。徐教授的科研小组正在与有关医学专家合作,不久将推出这方面的新药。

去年,我国青年创伤外科专家付小兵等率先在国际上报告了人体表皮细胞存在逆分化现象,即表皮细胞可逆分化转变为表皮干细胞,这一重要发现对揭示人体衰老的奥秘以及对创伤、难治性皮肤病等的临床治疗具有重要意义。由西北农林科技大学率领的科研小组第6次从人胚胎干细胞分化诱导得到心脏跳动样细胞团,这是我国在人类胚胎干细胞克隆领域获得的唯一此类细胞团。

与此同时,国内像天津血液研究所、上海市第二人民医院等,在血液干细胞研究上也有比较突出的成就,目前正在加紧开展其他应用的研究。北京中关村生命科技园也正将干细胞研究列为首批入园的九大项目之一。可以说,用于临床的干细胞研究,在我国正受到广泛的重视,多家著名医疗和药物研究机构涉足其间,由于干细胞研究的关键技术只是在最近三年才取得重大突破,我国干细胞研究和发达国家相比差距还不是很大,干细胞生物工程成了我国与西方国家“起跑点”最接近的重大科学领域,相信在不久的将来,完全有可能走在世界前列。


附:干细胞大事记

■ 1967年,美国华盛顿大学的多纳尔?托马斯发表报告称,如果将正常人的骨髓移植到病人体内,可以治疗造血功能障碍。评述:干细胞研究是从血液系统开始的。

■ 1998年11月,美国威斯康星大学的科学家在美国《科学》杂志报告说,他们已成功地使人类胚胎干细胞在体外生长和增殖。评述:这带动了世界范围内的干细胞研究热潮。此项进展使科学家们看到了干细胞生物工程的曙光:在体外培育所需的组织细胞,取代病人体内的坏损组织细胞。

■ 1999年12月,美国科学家在《美国科学院院刊》报告说,小鼠肌肉组织的成体干细胞可以“横向分化”为血液细胞。随后,世界各国的科学家相继证实,成体干细胞,包括人类的成体干细胞具有可塑性。评述:成体干细胞的可塑性研究,为干细胞的临床应用开辟了更为广泛的空间。因为,利用人类胚胎干细胞至少受到两方面的限制:第一,它取自人类胚胎,由此引发出一系列伦理和法律问题;第二,作为一种异体细胞移植,存在免疫排斥问题。

■ 1999年12月,干细胞研究进展被《科学》杂志评选为该年度世界十大科学进展之首。评述:科学界认为:干细胞的研究与应用将打开疾病治疗的“突破口”。

■ 2000年5月,日本启动“千年世纪工程”,干细胞工程为核心技术的再生医疗成为这项工程的四大重点之一,第一年度投资金额达108亿日元。评述:日本把干细胞技术视作在生命科学和生物技术领域赶超美欧国家的绝好机遇。

■ 2001年1月,英国议会上院通过法案,允许科学家克隆人类早期胚胎,并利用它进行医疗研究。评述:克隆人类早期胚胎后,可以从中提取未经完全发育的胚胎干细胞。此项法案的通过,经过了英国上下3年的激烈争论,参与者包括科学界、宗教界、企业界、政界等人士以及普通老百姓。

■ 2001年4月,美国科学家发现,从病人臀部和大腿处抽取的脂肪中,含有大量类似干细胞的细胞,这些细胞可以发育成健康的软骨和肌肉等。评述:这一发现有可能使脂肪成为干细胞的主要来源,科学家今后可能将不必从胚胎组织或骨髓中提取干细胞,从而既降低成本,又避免伦理上的争论。

■ 2001年4月,美国国立卫生研究院决定取消原定举行的人类胚胎干细胞研究经费申请案的审查会议。该申请案是美国第一例人类胚胎干细胞研究经费申请案。有关方面认为,这意味着布什政府将不对人类胚胎干细胞研究进行资助。评述:审查会议被取消,这引起了科学家及病人的强烈不满。据悉,迫于国内反对和支持两方的压力,布什将在近期决定是否允许政府出钱支持干细胞研究。

■2001年6月,中国完成了人体神经干细胞和角膜干细胞的移植。

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干细胞研究讲稿
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更新日期:2013-03-22 19:09:39
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