干细胞研究进展及应用前景展望

干细胞研究进展及应用前景展望

湖北师范学院生科院1104班李振坤2011114020412

摘要：干细胞是一类具有自我更新能力的多向分化潜能细胞，在一定条件下可以分化为多种功能的组织和器官，具有重要的理论研究意义和临床应用价值。近年来的研究成果不仅揭示了许多有关细胞生长发育的基础理论难题，也在创伤修复、神经再生、抵抗衰老、糖尿病、帕金森氏症、老年痴呆、白血病、肿瘤等疾病的治疗方面显示了巨大的应用潜力，是应用生物学进入一个崭新的领域。

关键词：干细胞；分化；诱导性多能干细胞；糖尿病；肿瘤；伦理争议；正文：

1. 干细胞

在人类生命形成的开始，单个受精卵可以分裂发育形成不同的组织和器官，并通过进一步分裂分化，形成生命个体。在成体细胞中，大部分高度分化的细胞则失去了再分化的能力，而特定组织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，这种具有在分化能力的细胞，即为干细胞。

干细胞（Stem Cells，SC）是一类具有自我更新能力的多向分化潜能细胞，在一定的条件下，它可以分化成多种功能的器官组织。这些细胞呈圆形或椭圆形，体积较小，核质比大，具有较强的端粒酶活性，因此具有较强的增殖能力。

干细胞是一种未充分分化、尚不成熟的细胞，其再生各种组织器官和人体的潜在功能，吸引着越来越多人的眼球。

2. 干细胞的研究历史

干细胞的研究被认为起始于二十世纪六十年代，加拿大科学家James E. Till和Ernest A.McCulloch发现并命名造血干细胞之后。

60年代，几个近亲种系的小鼠睾丸畸胎瘤的研究表明，其来源于胚胎干细胞，确立了胚胎癌细胞是一种干细胞；

1968年，Edwards 和Bavister 在体外获得了第一个人卵子； 1978年，第一个试管婴儿Louise Brown 在英国诞生。

1981年，Evan, Kaufman 和Martin从小鼠胚泡内细胞群分离出小鼠ES细胞，建立了小鼠干细胞体外培养条件，将干细胞注入上鼠，能诱导形成畸胎瘤。

1984-1988年，Anderews 等人从人睾丸畸胎瘤细胞系Tera-2中产生出多能的、克隆化的胚胎癌细胞，克隆的干细胞在视黄酸的作用下分化形成神经元细胞和其他类型的细胞。

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。中国科学院研究生院《细胞生物学》 201028003833091 王艳妨化学学院

1996年，轰动世界的polly羊诞生，引发了干细胞研究的热潮。

1998年，德美医学小组和密苏里小组成功地培养出人类胚胎干细胞（ESC），使得利用人类ESC治疗各种疾病成为可能。

1999年，Goodell实验室首先报道，小鼠源骨骼肌成体干细胞具有很强的横向分化能力，能分化形成各种血细胞。

2001年，Reubinoff BE指出，ESC可诱导产生神经祖细胞，这些神经祖细胞移植到新生鼠的脑室后，将广泛分布与脑部软组织中，并且在一个特定区域能够分化成三种神经细胞谱系的祖细胞。

2003年，建立了人类皮肤细胞与兔子卵细胞种间融合的方法，为人胚胎干细胞研究提供了

新的途径。

2004年，Massachusetts Advanced Cell Technology 报道克隆小鼠的干细胞可以通过形成细小血管的心肌细胞修复心衰小鼠的心肌损伤，首次显示克隆干细胞在活体动物体内修复受损组织。

2005年，美国心脏协会报道了一个三国多中心用干细胞治疗心肌梗塞的204例临床病例的研究报告，证实干细胞能够显著改善患者的心脏功能。

2007年，《Nature》和《Cell》同时刊出美国和日本两个研究报告，证实皮肤细胞经基因直接重组后，具有胚胎干细胞特性，称为诱导性多能干细胞 (iPS)，推动了干细胞发展。

近几年，干细胞在各方面都有了应用都有了较强理论依据，各国都加大了对其研究力度，争取扩大其实际应用范围，如用于治疗治疗心脏病、老年痴呆、帕金森氏综合症、中风、糖尿病等疾病。

3. 干细胞的研究现状

干细胞具有多向分化潜能，根据其发育阶段，干细胞可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞的分化和增殖是构成机体发育的基础，而成体干细胞的进一步分化则是机体组织和器官修复再生的基础。

3.1 胚胎干细胞（Embryonic Stem cell， ESC）

在受精卵发育成囊胚时，内细胞层（Inner Cell Mass）的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，在体外培养条件下可以建立稳定的干细胞系，并保持高度未分化状态，可以分化形成成体的所有组织和器官，包括生殖细胞。

在1998年末，两个研究小组成功地培养出人类ESC，保持了ESC分化为各种体细胞的全能性，这使得科学家利用人类ESC治疗各种疾病成为可能。随着ESC的研究日益深入，科学家对人类ESC的了解迈入到了一个新的阶段。目前，关于胚胎干细胞的研究大多以小鼠胚胎干细胞为基础的：德美医学小组成功地将由ESC培养出的神经角质细胞移植到了小鼠体内，随后，密苏里的研究人员通过鼠胚细胞移植技术，使瘫痪的猫恢复了部分肢体活动能力。

3.2 成体干细胞(Adult stem cells，ASC)成体干细胞存在于成年体的许多组织器官中，如表皮干细胞和造血干细胞，具有修复和再生能力。在特定的条件下，ASC或产生新的干细胞，或分化形成功能细胞，从而使组织和器官维持生长和衰退的动态平衡。最新研究表明，高度分化的神经组织仍包含神经干细胞，这证明了机体中成体干细胞普遍存在，关键在于如何寻找和分离特异性干细胞。

目前干细胞研究突飞猛进，在分离、培养、定向诱导和应用基础研究方面取得了诸多突破性进展，部分干细胞产品已进入临床应用，为许多疑难病症治疗带来了希望。

3.2.1 造血干细胞（hematopoietic stem cell, HSC）造血干细胞主要存在于骨髓、外周血、脐带血中，是体内各种血细胞的唯一来源，具有重要的临床价值。

20世纪50年代，临床上就开始应用骨髓移植来治疗血液系统疾病。八十年代末，外周血干细胞移植技术逐渐被推广使用，提高了治疗的效率并缩短了疗程。近年，脐血干细胞移植的成功，为造血干细胞移植技术注入了新的活力。与前两者相比，脐血干细胞无来源限制，对HLA配型要求不高，且不易受病毒和肿瘤的感染，在临床上具有明显的优势。随着脐血干细胞移植技术的不断完善，造血干细胞将成为治疗血液系统疾病、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，为世界上更多的血液病和肿瘤患者带来希望。3.2.2 间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSC)

间充质干细胞主要来源于骨髓，在合适的条件下，MSC可以分化成为间充质组织细胞，如成骨细胞和结缔组织细胞，也可分化成为神经细胞、干细胞和肌肉细胞。近期文献报道，间充质干细胞不但可以修复骨、软骨、肌腱、肌肉、血管和造血系统等中胚层来源的组织，而且也可能作为修复外胚层来源的神经组织嘲和内胚层来源的肝脏、肾脏、胰腺等器官的种

子。

3.2.3 神经干细胞(neural stem cells，NSC)

神经干细胞分布于成人及胚胎的中枢及周围神经系统，在不同的条件下，能够分化为不同类型的神经元。从理论上，任何一种中枢神经系统疾病都可以归结为神经干细胞功能的紊乱。由于血脑屏障的存在，干细胞移植到中枢神经系统后，脑和脊髓不会产生免疫排斥反应。将多巴胺生成细胞产生的神经干细胞移植给帕金森氏综合症患者，可治愈患者的部分症状。此外，神经干细胞也可应用于药物检测方面，对判断药物的有效性和毒性有一定的作用。

3.2.4 胰腺干细胞(Pancreas stem cells, PSC)

PSC在人类糖尿病的治疗方面具有广阔的应用前景，胰腺在人体血糖代谢的调节中具有重要作用，其胰岛a细胞分泌胰高血糖素，升高血糖浓度，胰岛b细胞分泌胰岛素，降低血糖浓度。

目前，对于胰腺中转化为胰岛的是干细胞还是祖细胞以及这种细胞在胰腺中的具体位置还存在着较大的争议。有报道表明干细胞存在于导管细胞中，在器官形成和再生过程中转化、迁移形成新的胰岛，也有人认为胰腺干细胞存在于胰岛或腺泡组织中，也有报道干细胞可来自组织细胞并被诱导成胰岛类似细胞。

3.2.5 肿瘤干细胞(Cancer stem cell, CSC)

肿瘤干细胞是在肿瘤中具有自我更新能力并能够产生特异性肿瘤细胞的细胞，近年来，越来越多的学者认为CSC是恶性肿瘤复发和转移的根源。1967年，Hamburger等对来自肺癌卵巢癌等的肿瘤细胞进行体外培养，发现仅1/5000-1/1000的肿瘤细胞能形成克隆，表明仅有极少数肿瘤细胞才具有致癌性，即肿瘤干细胞。Dick等首次从白血病中分离出白血病肿瘤干细胞，证实了肿瘤干细胞的存在。随后，研究者们相继在乳腺癌、脑肿瘤、胰腺癌、肺癌、肝癌、前列腺癌等中找到了相似的肿瘤干细胞，并更一步证实CSC为肿瘤发生的根源。

随着研究的深入，CSC的靶向疗法为恶性肿瘤的治疗带来了新的希望。

4. iPS-诱导性多能干细胞

4.1 iPS

2006年，日本京都大学Shinya Yamanaka在《Naure》上率先报道了诱导性多能干细胞的研究：把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4这四种转录因子基因克隆入病毒载体，然后引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。2007年，美国威斯康辛大学詹姆斯·汤姆森的研究小组在《Science》上发表将体细胞转变成iPS的研究成果，而日本京都大学Shinya Yamanaka的研究小组也于同日在《Cell》上发表类似的研究结果。不同的是日本科学家用的人体皮肤细胞分别取自一个36岁的女性和一个69岁的男性；而美国威斯康星大学的实验材料则取自一名胎儿的皮肤和一个新生儿的包皮。

随后，美国马萨诸塞州怀德海特生物医学研究所的雅各布·汉纳小组用患镰刀形细胞贫血症的小鼠尾巴的皮肤细胞诱导产生了iPS，研究人员用基因特异打靶的方法用未患病的小鼠基因取代了涉及镰刀形细胞贫血症的基因。当这些诱导性多能干细胞发育成造血干细胞后，将干细胞输给患病小鼠，这些细胞在小鼠身上开始产生正常的血细胞，小鼠的病症因此也有很大的改善。为干细胞在治疗人类疾病方面提供了广阔的应用前景。 4.2 iPS的研究进展2008年4月，美国加利福尼亚大学报道，将实验鼠皮肤细胞改造为iPS细胞，并成功分化为心肌细胞，血管平滑肌细胞及造血细胞。

2009年2月，日本东京大学报道，利用人类皮肤细胞制成的iPS细胞培育出血小板；庆应大学宣布，利用实验鼠的iPS细胞培育出角膜上皮细胞。

2009年3月，英国和加拿大科学家发现了不借助病毒、安全将皮肤细胞转化为iPS细胞的

方法；美国科学家也宣布可以将iPS细胞中因转化需要而植入的有害基因移除，且保证由此获得的神经元细胞基本功能不受影响。2009年7月，中国科学家周琪和高绍荣等利用iPS 细胞克隆出实验鼠，首次证明iPS细胞与胚胎干细胞一样具有全能性。

2009年8月，英国研究人员发现使干细胞获得全能性的―总开关‖-―Nanog‖。 2009年10月，美国科学家报道化学小分子可以替代基因诱导iPS 细胞。

2009年12月，中科院广州生物医药与健康研究院的研究小组发现，通过在培养过程中添加维生素C可使iPS诱导效率提高10倍。

2010年3月，日本京都大学的一个研究小组利用老鼠皮肤细胞制造的iPS细胞进行培养，得到了听神经祖细胞。

2010年6月，中科院广州生物医药与健康研究院的研究小组揭示了体细胞逆转为多能干细胞的启动机制。

2010年7月，两个美国科研小组宣称，他们首次发现，成人细胞在被重新编程为诱导多功能干细胞（iPS）的过程中并不会放弃其对原始组织的“记忆”，在直接使用iPS细胞分化成移植用人体组织时，可能会产生问题。

2010年8月，山中伸弥率领的研究小组发现，使用基因“L－Myc”代替基因“c－Myc”可大幅降低iPS细胞癌变的风险。

……

可以看出，iPS的发展是非常迅速的，越来越多的国家加入到iPS细胞研究的激烈竞争中，美国，公布了干细胞研究规范，明文规定对成体干细胞及iPS细胞的研究可获得联邦政府资金的支持。日本在京都大学设立的iPS细胞研究中心，还选定庆应和东京大学及理化研究所作为iPS细胞的研究机构。英国则通过各种措施鼓励研究人员从事这一领域的研究…… 4.3 iPS 的优势及挑战

iPS不仅规避了干细胞研究过程中面临的伦理和法律等障碍，还消除了潜在的移植免疫排异反应，使干细胞研究的来源不受限，在医学领域显示出广阔的应用前景。

但是，有诱导性多能干细胞治疗人类疾病仍存在很多挑战，在诱导时添加4个“重新编程”基因或取代疾病细胞中有缺陷基因的方法都可能引发细胞癌变，而且获得iPS的效率仍比较低等。因而，在诱导性多能干细胞应用于人类疗法前，我们还需要发展处安全的方法来解决这些及其他潜在的问题。

5. 干细胞的应用

干细胞的应用非常广泛，涉及到医学的多个领域。现在，科学家能够在体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞，并以其为种子，培育出一些人的组织器官。干细胞及其衍生组织器官广泛的临床应用，将产生一种全新的医疗技术，即利用自己干细胞再生人体组织器官，来替换自身病变的或衰老的组织器官。假如某位老人能够使用上自己婴幼儿时期或者青年时期保存起来的干细胞，生组织器官，那么，这位老人的寿命就可以得到明显的延长。1999年，《Science》将干细胞研究列为世界十大科学成就第一。新加坡国立大学医院和中央医院通过脐带血干细胞移植手术，根治了一名因家族遗传而患上严重的地中海贫血症的男童，这是世界上第一例移植非亲属的脐带血干细胞而使患者痊愈的手术。脐带血干细胞移植并不复杂，由于脐带血自身固有的特性，脐带血干细胞移植比骨髓移植更有效。现在，造血干细胞移植技术已经成为治疗白血病、各种恶性肿瘤放化疗后引起的造血系统和免疫系统功能障碍等疾病的一种重要手段。科学家预言，用神经干细胞替代已被破坏的神经细胞，有望使因脊髓损伤而瘫痪的病人重新站立起来。不久的将来，失明、帕金森氏综合症、艾滋病、老年性痴呆、心肌梗塞和糖尿病等绝大多数疾病的患者，都可望借助干细胞移植手术获得健康。

6．干细胞研究中存在的问题

无可否认，干细胞的研究和应用，对于有效治疗人类疾病方面具有巨大的潜能，但在其实际的研究过程中，仍存在很多问题。 6.1 研究程度与应用安全性

目前，关于干细胞的许多作用机制还没完全清楚，如在干细胞可塑性机理研究上还存在着分歧；体外大量扩增干细胞并诱导其分化是临床医学上应用的关键，干细胞如何到达不同的靶目标并分化为正确的细胞类型和数量，以及在正确位置与正确的把组织建立正确的联系二步产生错误连接等还属未知。

干细胞的研究仍处在初始阶段，无论是成体干细胞还是胚胎干细胞的研究与临床应用之间还差距甚远。干细胞移植时易产生不适宜的分化，产生免疫排斥，带来安全隐患。控制和调节人体胚胎干细胞向成熟器官的发育是非常复杂和困难的，现在人们所能掌握的技术还远远没有达到这个水平。 6.2 伦理争议

干细胞的研究和应用，引发了若干社会、法律和伦理问题，使得干细胞治疗性研究受到限制。人体胚胎干细胞主要有三个来源：从人工受精中捐赠的多余胚胎中获取、从死亡胎儿的原始生殖组织中分离、从体细胞核转移产生的胚胎中分离。这三种来源均涉及到人类的胚胎，引起胚胎是否是生命、应不应该受到尊重等伦理问题，国际上不少国家特别是西方国家从伦理的角度反对利用人类胚胎进行干细胞的研究，这也是干细胞研究中人们所要面对的问题之一。

7．我国的干细胞研究

在20世纪60年代，我国就开始了骨髓干细胞移植方面的研究。1992年，中国骨髓库正式接受捐赠。2002年，北京建立了期待干细胞库。2009年，国家干细胞工程技术研究中心医学转化基地在上海成立，干细胞技术进入了临床应用阶段。

全国其他科研单位也开展了干细胞的研究：在北京，有中国科学院动物研究所、协和医科大学、北京大学干细胞研究中心和军事医学科学院等胚胎干细胞研究机构。在上海，上海生命科学院、上海交通大学、上海第二军医大学都设有干细胞研究实验室。在天津，建立了全球首个脐带间充质干细胞细胞库，也是我国最大的干细胞研究中心。此外，中山大学第二附属医院、广州健康研究院和湖南湘雅医学院也都有干细胞研究队伍。

8.我国干细胞的研究与国外相比存在差距

近年来，虽然我国通过大力支持干细胞研究，各方面已经取得了较大进展，但是对比美国等发达国家，我国的干细胞研究与产业化水平还存在较大差距。目前，我国干细胞基础研究发展水平与国外仍存在较大差距。据ISI Web of Science数据库统计，2009年，我国干细胞研究文献发表数量虽居世界第五位，而平均引用频次仅2.40次/篇，排名第九，远低于排名第一美国的5.30次/篇。据统计，2009年全球约有100多个重要干细胞中心，美国和加拿大有50个先进中心，英国大约有20个，欧洲其他地区大约25个，亚太地区约30个，主要集中在日本和韩国。我国基础研究能力和取得的成果不足以支撑该领域的迅速发展。

对2000－2010年收录的干细胞文献进行分析发现，美国发表的文献占干细胞研究总文献量的比例超过39%，以绝对的优势稳居全球干细胞研究领域的首位。这表明，尽管美国在奥巴马执政前一直限制政府研究经费资助干细胞的研究，但这丝毫没有降低美国研究人员对干细胞研究的兴趣。亚洲共有3个国家进入前10位，分别为日本、中国和韩国，其中中国位居全球第6位，亚洲第2位。

近些年来，我国干细胞研究在iPS和胚胎干细胞、肿瘤干细胞与干细胞分化潜能等方面研究和世界主流方向一致；但在成体干细胞研究方面如神经干细胞、造血干细胞等方面，我国基础研究的工作还不够全面；在临床结合较紧密的领域如心脏病的治疗方面，研究还不够深入；在一些新兴领域如干细胞的调控网络方面，还没有大范围开展工作。深入寻找干细胞自我更新及分化机制，并更为安全地用于临床，我国还有相当多的工作要做。

9我国干细胞研究进展的建议

(1)制定我国的干细胞长期发展规划，加强顶层设计。针对目前需要解决的科学问题，结合我国目前的发展现状，制定适合我国发展的战略规划，设计技术发展路线图。

(2)成立干细胞研究网络或中心。建立专业部、局主管的干细胞研究网络中心，设立专项资金，集中优势人才，针对急需解决的问题，设定特定的科研课题，进行攻关。

(3)建立我国的干细胞资源库。制定相应的共享机制，建立免费共享的干细胞资源库，实现资源共享、互惠互利，加快干细胞研究的进度和发展。

(4)加强干细胞的转化研究，重视跨学科研究。集成从事基础研究、医生、医药开发人员共同参与研究，促进干细胞技术的转化。

(5)加强人才的培养和引进。通过分析，可以发现尽管我国在个别研究领域具有一定的优势，但是在干细胞研究领域的体量上与美国和日本还有一定的差距，无论是文献量上，还是研究机构的数量上都存在这个问题。而从对国外的政策和研究现状分析看，无论是美国、日本、欧洲，还是韩国、印度都非常重视干细胞研究人才的培养及储备。因此应尽快制定政策、设定计划(如设立培养干细胞研究人才基金)加快对人才的培养和引进。

(6)重视知识产权保护。由于我国的知识产权立法较晚，发展薄弱，因此在知识产权保护方面意识较淡薄，而干细胞领域将来的发展对维护人类的健康具有重要的意义，必将形成一个巨大的产业，世界制药巨头公司已经开始介入干细胞领域。所以，在干细胞领域研究中应建立知识产权保护意识，应采取必要的行动加以保护。以“百人计划”等形式引进人才，全程参与干细胞的研究过程，确保最大程度保护该领域的知识产权。

(7)尽早制定干细胞临床应用的标准和规范。我国在干细胞尤其是成体干细胞的研究和应用上处于世界领先水平，然而在临床应用上缺乏标准和规范，同时没有标准的临床毒理和药理的分析方法和指标。因此，应尽快建立干细胞临床应用的标准和规范。

10．干细胞研究展望

就目前研究状态而言，本世纪正在出现一股世界性的干细胞研究热潮。随着生物细胞实验技术和分子生物学的发展，干细胞研究领域也取得了突破性的进展。

近期，中国科学院上海生命科学院和上海交通大学医学院最新研究发现，进化上高度保守的PTEN-C/EBPa-CTNNA1信号轴控制造血干细胞发育与白血病干细胞的恶性转化。美国杜克大学医学中心通过实验认证，多效生长因子可促进造血干细胞扩张和再生，开拓了干细胞在再生医学领域中的应用前景。而4月21日《Nature》在线版发表了多个研究机构共同完成的一项关于干细胞的新研究，表明miRNA可以从一个细胞移动到另一个细胞，更大规模的输送影响基因表达的信号。

如果说21世纪是生命科学的世纪，那么，干细胞研究将在生命科学中起着主导作用。相信，依靠人们的聪明才智，必定会在干细胞的研究和应用方面取得喜人的成果，为人类的健康长寿带来希望。

可以预见，干细胞特性的逐步阐明将把我们带入一个医学的新纪元。未来，干细胞的研究必然会有更大的成效。

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