干細胞(stem cell)是指機體中可自我更新，并存在多向分化潛能的細胞類群。按照發(fā)育階段來源可將哺乳動物干細胞分為胚胎干細胞(embryonic stem cell)和成體干細胞(adult stem eell)兩類。

按照分化潛能的大小可將其分為全能干細胞(totipotent stern cell)、多潛能干細胞(pluripotent stem cell)、多能干細胞(nmltipotent stem cell)和單能干細胞(unipotent stem cell)四類。

干細胞研究具有極為廣闊的應(yīng)用前景， 關(guān)于干細胞的新名詞不斷出現(xiàn)，本文歸納梳理了哺乳動物中部分重要干細胞的概念、特點及應(yīng)用。

按照發(fā)育階段來源分類

胚胎干細胞

胚胎干細胞是來源于囊胚內(nèi)細胞團、具有多潛能性的一類克隆細胞系，可在不分化狀態(tài)下持續(xù)生長，也可被誘導(dǎo)形成任意胚層細胞，繼而分化 為機體所有類型的細胞。但胚胎干細胞無法分化出胚外組織，因而無法形成完整個體。

早期，胚胎干細胞只能從流產(chǎn)的胎兒或體外受精的胚胎中取材，存在諸多倫理爭議。2011年，科學(xué)家利用流式細胞分選術(shù)從小鼠孤雌生殖囊胚中分離并建立了孤雌單倍體胚胎干細胞系，為獲取胚胎干細胞提供了新思路。

目前已可以通過多種方法獲取胚胎干細胞。例如，通過物理或化學(xué)方法激活未受精卵母細胞，促使其發(fā)育得到孤雌囊胚；給去核卯母細胞注射精子獲得孤雄囊胚；以及將體細胞核移植到去核卵母細胞內(nèi)促使體細胞重編程構(gòu)建胚胎干細胞系。

胚胎干細胞較常見的應(yīng)用是誘導(dǎo)朝向外胚層分化，形成視網(wǎng)膜色素上皮細胞或神經(jīng)細胞，應(yīng)用于視網(wǎng)膜黃斑病變及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療。將胚胎干細胞來源的外胚層誘導(dǎo)分化為視網(wǎng)膜色素上皮細胞后，移植入視網(wǎng)膜下腔，可促進黃斑受損區(qū)域重建色素上皮細胞層，改善眼部生理。

胚胎干細胞來源的外胚層也可誘導(dǎo)分化形成少突膠質(zhì)細胞、多巴胺神經(jīng)前體細胞等，為脊髓損傷、帕金森癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供了可能。

成體干細胞

成體干細胞是指存在于表皮、脂肪、肌肉、骨髓等多處組織器官中的未分化細胞。

間充質(zhì)干細胞和造血干細胞等多能性干細胞、神經(jīng)干細胞和表皮干細胞等單能干細胞皆屬于成體干細胞的范疇。正常情況下，成體干細胞多以休眠形式存在，相關(guān)組織受損后可被激活，實現(xiàn)對損傷組織功能的代償或修復(fù)。

成體干細胞可分化形成的細胞類型較為有限， 多分化為原有組織中的特定細胞。也有部分成體干細胞具有橫向分化能力。例如，臍帶間充質(zhì)干細胞就具有多譜系分化潛能，既可向內(nèi)胚層方向分化形成胰島細胞．也能向中胚層方向分化形成成骨細胞，還能向外胚層方向分化為神經(jīng)細胞。

由于取材方便、應(yīng)用不涉及倫理問題、免疫原性低等優(yōu)點，成體干細胞的應(yīng)用范圍較廣，在皮膚損傷、腦卒中、神經(jīng)退行性疾病、心肌梗死等疾病的治療中均顯示出了良好的應(yīng)用前景。

按照分化潛能分類

全能干細胞

全能干細胞是指具備發(fā)育成完整個體的潛能或特性的一類細胞。目前普遍認為，細胞期前胚胎中的所有細胞均屬于全能干細胞，除具備三胚層分化能力外，還能分化為胚外組織。全能干細胞目前主要應(yīng)用于動物克隆和轉(zhuǎn)基因動物實驗等方面的研究。合適條件下全能干細胞能發(fā)育形成完整個體，從而獲得大量克隆動物。通過對全能干細胞進行 轉(zhuǎn)基因或基因編輯?？筛牧紕游锲贩N和生產(chǎn)藥物等。

通常全能干細胞只能從細胞前的胚胎中獲取，但是最近一項研究顯示，通過向培養(yǎng)基中添加某些化合物， 可將人多能干細胞誘導(dǎo)成為細胞期胚胎樣細胞，獲得了人類體外培養(yǎng)細胞中的“最年輕細胞”。這可以看作是一種人誘導(dǎo)全能干細胞，如果能進一步證實， 將是人類干細胞研究史上的里程碑式成果，為再生醫(yī)學(xué)研究帶來巨大突破。

多潛能干細胞與多能干細胞

多潛能干細胞和多能干細胞都具有多向分化潛能，多潛能干細胞可分化為三胚層的任意細胞，但多能干細胞一般限于分化形成同胚層細胞。多潛能干細胞主要是胚胎時期囊胚內(nèi)細胞團來源的干細胞和生殖嵴來源的干細胞，獲取上存在較大倫理爭議，現(xiàn)也可通過人工誘導(dǎo)的方式獲得多潛能干細胞。多能干細胞主要包括間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell)和造血干細胞(hematopoietic stem cell)。

誘導(dǎo)多潛能干細胞

2006年，日本科學(xué)家山中伸彌將0ct3/4(Oetamer—binding transcription factor3/4， 八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子3/4基因)、Sox2(SRY related HMG box一2，性別決定相關(guān)基因簇2)、Klf4(Kruppel—like factor4．Kmppel樣因子4基因)和c—Myc(Celylular homologue of avian myelocytomatosis oncogene，髓細胞增生原癌因)4個基因通過病毒載體轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細胞中，誘導(dǎo)得到了囊胚期干細胞，即iPSC(induced pluripotent stem cell，誘導(dǎo)性多潛能干細胞)。

iPSC經(jīng)體細胞重編程逆轉(zhuǎn)而來。具有多向分化潛能，對于干細胞的研究意義重大， 既避免了從胚胎中獲取多潛能干細胞的倫理問題，也從根源上解決異體移植的免疫排斥問題，山中伸彌也因此獲得了2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

但是，這種誘導(dǎo)方式存在部分轉(zhuǎn)錄因子易發(fā)生基因突變、病毒載體有整合到細胞基因組的風(fēng)險以及誘導(dǎo)效率極低等問題。

2013年，北京大學(xué)鄧宏魁團隊利用七種小分子化合物組合成功誘導(dǎo)中胚層來源的小鼠成纖維細胞轉(zhuǎn)化成了多潛能干細胞。利用小分子化合物進行誘導(dǎo)具有操作簡單、安全性更強、作用可逆及便于精準調(diào)控等優(yōu)勢。

2016年，該團隊再次利用上述小分子組合，誘導(dǎo)外胚層來源的小鼠神經(jīng)干細胞和內(nèi)胚層來源的小腸上皮細胞重編程為多潛能干細胞，證實了利用小分子化合物誘導(dǎo)小鼠多潛能干細胞的通用性。與小鼠體細胞相比，人表觀基因組穩(wěn)定性高，誘導(dǎo)重編程的難度極大，歷經(jīng)多年的嘗試后，該團隊于2022年又成功誘導(dǎo)人成纖維細胞、脂肪間充質(zhì)基質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化為多潛能干細胞。iPSC技術(shù)極大地推動了干細胞研究在基礎(chǔ) 應(yīng)用和臨床治療領(lǐng)域的發(fā)展。

目前，iPSC已廣泛應(yīng)用于視網(wǎng)膜病變、腫瘤等疾病的治療研究，在新藥研發(fā)、 藥物安全性評估領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。

間充質(zhì)干細胞

間充質(zhì)干細胞大部分起源自中胚層， 是分散于各胚層上皮之下的組織，由間充質(zhì)細胞和細胞間基質(zhì)組成，以后發(fā)育為成體的各種結(jié)締組織。成體疏松結(jié)締組織中存在的分化潛能與胚胎間充質(zhì)細胞類似的細胞，稱間充質(zhì)干細胞。

目前研究較多的有骨髓間充質(zhì)干細胞、臍帶間充質(zhì)干細胞和脂肪間充質(zhì)干細胞。骨髓間充質(zhì)干細胞是動物骨髓基質(zhì)中具有較高分化潛能的一類干細胞。骨髓間充質(zhì)干細胞能繼續(xù)分化為成骨細胞、脂肪細胞、神經(jīng)細胞和胰島前體細胞等。骨髓間充質(zhì)干細胞免疫原性較低，異體移植時發(fā)生免疫排斥的風(fēng)險小。是干細胞治療的理想材料，但獲取率較低。

目前臨床上常利用骨髓間充質(zhì)干細胞進行骨缺損、糖尿病等疾病的治療研究。

2001年，Quarto等“首次成功開展了利用自體骨髓間充質(zhì)干細胞治療肢骨缺損的臨床試驗，此后關(guān)于自體移植骨髓充質(zhì)干細胞治 療牙槽裂骨缺損、頜骨缺損、上頜囊性骨缺損等的研究相繼出現(xiàn)。骨髓間充質(zhì)干細胞在糖尿病的臨床治療中也展現(xiàn)出了廣闊前景。向糖尿病患者移植骨髓間充質(zhì)干細胞后，骨髓間充質(zhì)干細胞可定向遷移至胰島處，抑制原有胰島β細胞凋亡，并能夠分化產(chǎn)生新的胰島β細胞。一項對比安慰劑治療與異體骨髓間充質(zhì)干細胞移植治療的臨床研究充分驗證了骨髓間充質(zhì)干細胞用于治療糖尿病的有效性和安全性。 

臍帶間充質(zhì)干細胞來源于臍帶血或臍帶血管周圍組織，生物學(xué)特性與骨髓間充質(zhì)干細胞相類似，但其增殖能力更強，免疫原性更低。除可被誘導(dǎo)分化為受損組織細胞外，臍帶間充質(zhì)干細胞還可旁分泌多種細胞因子，調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、促進鄰近受損組織修復(fù)，目前已用于移植物抗宿主病、糖尿病、神經(jīng)功能異常、循環(huán)系統(tǒng)疾病的臨床治療研究。 

2001年，Zuk等首次從脂肪內(nèi)血管周圍分離獲得脂肪間充質(zhì)干細胞。脂肪間充質(zhì)干細胞來源廣泛、 取材方便、獲取率高、免疫原性低且遺傳穩(wěn)定性高，這 些優(yōu)勢使其迅速成了再生醫(yī)學(xué)研究的熱點。目前關(guān)于 脂肪間充質(zhì)干細胞的研究已涉及皮膚組織再生、骨組 織修復(fù)、肝損傷修復(fù)、免疫紊亂調(diào)節(jié)、腦神經(jīng)元再生等多個領(lǐng)域。?

造血干細胞

造血干細胞是指具有分化成各種血細胞能力的成體干細胞。主要存在于動物骨髓、外周血、臍帶血中，分化潛能高，是目前研究最為深入的一種多能干細胞。?

自1957年美國科學(xué)家首次進行臨床骨髓移植以來。關(guān)于造血干細胞的應(yīng)用研究日新月異，迄今接受造血干細胞移植的患者已超100萬。造血干細胞可重建患者的造血功能和免疫功能，臨床上已廣泛應(yīng)用于治療多發(fā)性骨髓瘤、急性白血病等惡性血液系統(tǒng)疾病及自身免疫病。?

單能干細胞

多能干細胞進一步分化后可以得到單能干細胞。單能干細胞分化潛能低，只能分化為 一種細胞或是功能上密切相關(guān)、共同完成某一生理過程的幾種細胞。

目前，研究較為深入的單能干細胞主要有神經(jīng)干細胞(neural stem cell)。?

神經(jīng)干細胞

神經(jīng)干細胞主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，具備分化為神經(jīng)元與神經(jīng)膠質(zhì)細胞的潛能。

神經(jīng)系統(tǒng)功能受損時，神經(jīng)干細胞可在腦內(nèi)遷移、代償性分化為缺損的神經(jīng)細胞，并產(chǎn)生神經(jīng)營養(yǎng)因子，重建腦部微環(huán)境，在一定程度上修復(fù)神經(jīng)通路。

神經(jīng)干細胞移植為治療阿爾茲海默癥、帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病帶來了新的希望。阿爾茲海默癥患者腦內(nèi)有部分神 經(jīng)組織發(fā)生退行性變化甚至壞死，向患者體內(nèi)移植神經(jīng)干細胞后，損傷部位會釋放趨化因子，吸引神經(jīng)干細胞聚集到病灶處，分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子、形成新的神經(jīng)細胞。動物實驗已證實，移植異體神經(jīng)干細胞可有效改 善阿爾茲海默癥大鼠的學(xué)習(xí)、記憶能力。

帕金森病人腦黑質(zhì)中的多巴胺能神經(jīng)元缺損、壞死，黑質(zhì)-紋狀體通路轉(zhuǎn)運的多巴胺含量減少，導(dǎo)致患者出現(xiàn)震顫、肌肉僵直等癥狀。移植神經(jīng)干細胞能夠促進生成多巴胺能神經(jīng)元與膠質(zhì)細胞，為神經(jīng)功能的恢復(fù)創(chuàng)造有利條件。臨床研究顯示，移植人類孤雌神經(jīng)干細胞可有效改善帕金森患者的運動障礙癥狀、認知能力與情緒。

總結(jié)

在干細胞的研究史中，iPSC技術(shù)的出現(xiàn)避開了人類干細胞獲取的倫理問題和免疫排斥問題，是干細胞研究中里程碑式的成果。從采用轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)到小分子化合物誘導(dǎo)，干細胞的獲取方式更加安全、有效。當(dāng)然目前也存在干細胞誘導(dǎo)及體外擴增效率偏低等諸多技術(shù)難點，不同組織來源的體細胞誘導(dǎo)成功的效率也不盡相同。

干細胞治療的臨床研究尚處于初始階段， 仍有許多問題亟待解決，特別是干細胞的培養(yǎng)條件、輸注時機、輸注數(shù)量、遞送方式等尚無明確標準，移植后干細胞的存活率、遷移能力與分化效率等也難以監(jiān)測跟蹤。

但總的來說，干細胞在再生醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)基因編輯動物、闡釋疾病發(fā)生機制、構(gòu)建疾病模型和新藥研發(fā)等方面顯示出了極大的優(yōu)勢，基于干細胞的再生醫(yī)學(xué)，有望解決人類面臨的各種醫(yī)學(xué)難題，引發(fā)繼藥物和手術(shù)治療疾病之后的新一輪醫(yī)學(xué)革命。

參考資料：許藝紅,莊云婷,肖義軍. 一些重要干細胞的概念及其應(yīng)用[J]. 生物學(xué)教學(xué),2023,48(1):5-8. DOI:10.3969/j.issn.1004-7549.2023.01.003.

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