科普目前临床应用广泛的干细胞概念及其应用

干细胞(stem cell)是指机体中可自我更新，并存在多向分化潜能的细胞类群。按照发育阶段来源可将哺乳动物干细胞分为胚胎干细胞(embryonic stem cell)和成体干细胞(adult stem eell)两类。

按照分化潜能的大小可将其分为全能干细胞(totipotent stern cell)、多潜能干细胞(pluripotent stem cell)、多能干细胞(nmltipotent stem cell)和单能干细胞(unipotent stem cell)四类。

干细胞研究具有极为广阔的应用前景， 关于干细胞的新名词不断出现，本文归纳梳理了哺乳动物中部分重要干细胞的概念、特点及应用。

按照发育阶段来源分类

胚胎干细胞

胚胎干细胞是来源于囊胚内细胞团、具有多潜能性的一类克隆细胞系，可在不分化状态下持续生长，也可被诱导形成任意胚层细胞，继而分化 为机体所有类型的细胞。但胚胎干细胞无法分化出胚外组织，因而无法形成完整个体。

早期，胚胎干细胞只能从流产的胎儿或体外受精的胚胎中取材，存在诸多伦理争议。2011年，科学家利用流式细胞分选术从小鼠孤雌生殖囊胚中分离并建立了孤雌单倍体胚胎干细胞系，为获取胚胎干细胞提供了新思路。

目前已可以通过多种方法获取胚胎干细胞。例如，通过物理或化学方法激活未受精卵母细胞，促使其发育得到孤雌囊胚；给去核卯母细胞注射精子获得孤雄囊胚；以及将体细胞核移植到去核卵母细胞内促使体细胞重编程构建胚胎干细胞系。

胚胎干细胞较常见的应用是诱导朝向外胚层分化，形成视网膜色素上皮细胞或神经细胞，应用于视网膜黄斑病变及神经系统疾病的治疗。将胚胎干细胞来源的外胚层诱导分化为视网膜色素上皮细胞后，移植入视网膜下腔，可促进黄斑受损区域重建色素上皮细胞层，改善眼部生理。

胚胎干细胞来源的外胚层也可诱导分化形成少突胶质细胞、多巴胺神经前体细胞等，为脊髓损伤、帕金森症等神经系统疾病的治疗提供了可能。

成体干细胞

成体干细胞是指存在于表皮、脂肪、肌肉、骨髓等多处组织器官中的未分化细胞。

间充质干细胞和造血干细胞等多能性干细胞、神经干细胞和表皮干细胞等单能干细胞皆属于成体干细胞的范畴。正常情况下，成体干细胞多以休眠形式存在，相关组织受损后可被激活，实现对损伤组织功能的代偿或修复。

成体干细胞可分化形成的细胞类型较为有限， 多分化为原有组织中的特定细胞。也有部分成体干细胞具有横向分化能力。例如，脐带间充质干细胞就具有多谱系分化潜能，既可向内胚层方向分化形成胰岛细胞．也能向中胚层方向分化形成成骨细胞，还能向外胚层方向分化为神经细胞。

由于取材方便、应用不涉及伦理问题、免疫原性低等优点，成体干细胞的应用范围较广，在皮肤损伤、脑卒中、神经退行性疾病、心肌梗死等疾病的治疗中均显示出了良好的应用前景。

按照分化潜能分类

全能干细胞

全能干细胞是指具备发育成完整个体的潜能或特性的一类细胞。目前普遍认为，细胞期前胚胎中的所有细胞均属于全能干细胞，除具备三胚层分化能力外，还能分化为胚外组织。全能干细胞目前主要应用于动物克隆和转基因动物实验等方面的研究。合适条件下全能干细胞能发育形成完整个体，从而获得大量克隆动物。通过对全能干细胞进行 转基因或基因编辑。可改良动物品种和生产药物等。

通常全能干细胞只能从细胞前的胚胎中获取，但是最近一项研究显示，通过向培养基中添加某些化合物， 可将人多能干细胞诱导成为细胞期胚胎样细胞，获得了人类体外培养细胞中的“最年轻细胞”。这可以看作是一种人诱导全能干细胞，如果能进一步证实， 将是人类干细胞研究史上的里程碑式成果，为再生医学研究带来巨大突破。

多潜能干细胞与多能干细胞

多潜能干细胞和多能干细胞都具有多向分化潜能，多潜能干细胞可分化为三胚层的任意细胞，但多能干细胞一般限于分化形成同胚层细胞。多潜能干细胞主要是胚胎时期囊胚内细胞团来源的干细胞和生殖嵴来源的干细胞，获取上存在较大伦理争议，现也可通过人工诱导的方式获得多潜能干细胞。多能干细胞主要包括间充质干细胞(mesenchymal stem cell)和造血干细胞(hematopoietic stem cell)。

诱导多潜能干细胞

2006年，日本科学家山中伸弥将0ct3/4(Oetamer—binding transcription factor3/4， 八聚体结合转录因子3/4基因)、Sox2(SRY related HMG box一2，性别决定相关基因簇2)、Klf4(Kruppel—like factor4．Kmppel样因子4基因)和c—Myc(Celylular homologue of avian myelocytomatosis oncogene，髓细胞增生原癌因)4个基因通过病毒载体转入小鼠成纤维细胞中，诱导得到了囊胚期干细胞，即iPSC(induced pluripotent stem cell，诱导性多潜能干细胞)。

iPSC经体细胞重编程逆转而来。具有多向分化潜能，对于干细胞的研究意义重大， 既避免了从胚胎中获取多潜能干细胞的伦理问题，也从根源上解决异体移植的免疫排斥问题，山中伸弥也因此获得了2012年诺贝尔生理学或医学奖。

但是，这种诱导方式存在部分转录因子易发生基因突变、病毒载体有整合到细胞基因组的风险以及诱导效率极低等问题。

2013年，北京大学邓宏魁团队利用七种小分子化合物组合成功诱导中胚层来源的小鼠成纤维细胞转化成了多潜能干细胞。利用小分子化合物进行诱导具有操作简单、安全性更强、作用可逆及便于精准调控等优势。

2016年，该团队再次利用上述小分子组合，诱导外胚层来源的小鼠神经干细胞和内胚层来源的小肠上皮细胞重编程为多潜能干细胞，证实了利用小分子化合物诱导小鼠多潜能干细胞的通用性。与小鼠体细胞相比，人表观基因组稳定性高，诱导重编程的难度极大，历经多年的尝试后，该团队于2022年又成功诱导人成纤维细胞、脂肪间充质基质细胞转化为多潜能干细胞。iPSC技术极大地推动了干细胞研究在基础 应用和临床治疗领域的发展。

目前，iPSC已广泛应用于视网膜病变、肿瘤等疾病的治疗研究，在新药研发、 药物安全性评估领域也发挥着重要作用。

间充质干细胞

间充质干细胞大部分起源自中胚层， 是分散于各胚层上皮之下的组织，由间充质细胞和细胞间基质组成，以后发育为成体的各种结缔组织。成体疏松结缔组织中存在的分化潜能与胚胎间充质细胞类似的细胞，称间充质干细胞。

目前研究较多的有骨髓间充质干细胞、脐带间充质干细胞和脂肪间充质干细胞。骨髓间充质干细胞是动物骨髓基质中具有较高分化潜能的一类干细胞。骨髓间充质干细胞能继续分化为成骨细胞、脂肪细胞、神经细胞和胰岛前体细胞等。骨髓间充质干细胞免疫原性较低，异体移植时发生免疫排斥的风险小。是干细胞治疗的理想材料，但获取率较低。

目前临床上常利用骨髓间充质干细胞进行骨缺损、糖尿病等疾病的治疗研究。

2001年，Quarto等“首次成功开展了利用自体骨髓间充质干细胞治疗肢骨缺损的临床试验，此后关于自体移植骨髓充质干细胞治 疗牙槽裂骨缺损、颌骨缺损、上颌囊性骨缺损等的研究相继出现。骨髓间充质干细胞在糖尿病的临床治疗中也展现出了广阔前景。向糖尿病患者移植骨髓间充质干细胞后，骨髓间充质干细胞可定向迁移至胰岛处，抑制原有胰岛β细胞凋亡，并能够分化产生新的胰岛β细胞。一项对比安慰剂治疗与异体骨髓间充质干细胞移植治疗的临床研究充分验证了骨髓间充质干细胞用于治疗糖尿病的有效性和安全性。 

脐带间充质干细胞来源于脐带血或脐带血管周围组织，生物学特性与骨髓间充质干细胞相类似，但其增殖能力更强，免疫原性更低。除可被诱导分化为受损组织细胞外，脐带间充质干细胞还可旁分泌多种细胞因子，调节炎症反应、促进邻近受损组织修复，目前已用于移植物抗宿主病、糖尿病、神经功能异常、循环系统疾病的临床治疗研究。 

2001年，Zuk等首次从脂肪内血管周围分离获得脂肪间充质干细胞。脂肪间充质干细胞来源广泛、 取材方便、获取率高、免疫原性低且遗传稳定性高，这 些优势使其迅速成了再生医学研究的热点。目前关于 脂肪间充质干细胞的研究已涉及皮肤组织再生、骨组 织修复、肝损伤修复、免疫紊乱调节、脑神经元再生等多个领域。 

造血干细胞

造血干细胞是指具有分化成各种血细胞能力的成体干细胞。主要存在于动物骨髓、外周血、脐带血中，分化潜能高，是目前研究最为深入的一种多能干细胞。 

自1957年美国科学家首次进行临床骨髓移植以来。关于造血干细胞的应用研究日新月异，迄今接受造血干细胞移植的患者已超100万。造血干细胞可重建患者的造血功能和免疫功能，临床上已广泛应用于治疗多发性骨髓瘤、急性白血病等恶性血液系统疾病及自身免疫病。 

单能干细胞

多能干细胞进一步分化后可以得到单能干细胞。单能干细胞分化潜能低，只能分化为 一种细胞或是功能上密切相关、共同完成某一生理过程的几种细胞。

目前，研究较为深入的单能干细胞主要有神经干细胞(neural stem cell)。 

神经干细胞

神经干细胞主要存在于中枢神经系统，具备分化为神经元与神经胶质细胞的潜能。

神经系统功能受损时，神经干细胞可在脑内迁移、代偿性分化为缺损的神经细胞，并产生神经营养因子，重建脑部微环境，在一定程度上修复神经通路。

神经干细胞移植为治疗阿尔兹海默症、帕金森病等神经系统疾病带来了新的希望。阿尔兹海默症患者脑内有部分神 经组织发生退行性变化甚至坏死，向患者体内移植神经干细胞后，损伤部位会释放趋化因子，吸引神经干细胞聚集到病灶处，分泌神经营养因子、形成新的神经细胞。动物实验已证实，移植异体神经干细胞可有效改 善阿尔兹海默症大鼠的学习、记忆能力。

帕金森病人脑黑质中的多巴胺能神经元缺损、坏死，黑质-纹状体通路转运的多巴胺含量减少，导致患者出现震颤、肌肉僵直等症状。移植神经干细胞能够促进生成多巴胺能神经元与胶质细胞，为神经功能的恢复创造有利条件。临床研究显示，移植人类孤雌神经干细胞可有效改善帕金森患者的运动障碍症状、认知能力与情绪。

总结

在干细胞的研究史中，iPSC技术的出现避开了人类干细胞获取的伦理问题和免疫排斥问题，是干细胞研究中里程碑式的成果。从采用转录因子诱导到小分子化合物诱导，干细胞的获取方式更加安全、有效。当然目前也存在干细胞诱导及体外扩增效率偏低等诸多技术难点，不同组织来源的体细胞诱导成功的效率也不尽相同。

干细胞治疗的临床研究尚处于初始阶段， 仍有许多问题亟待解决，特别是干细胞的培养条件、输注时机、输注数量、递送方式等尚无明确标准，移植后干细胞的存活率、迁移能力与分化效率等也难以监测跟踪。

但总的来说，干细胞在再生医学、生产基因编辑动物、阐释疾病发生机制、构建疾病模型和新药研发等方面显示出了极大的优势，基于干细胞的再生医学，有望解决人类面临的各种医学难题，引发继药物和手术治疗疾病之后的新一轮医学革命。

参考资料：许艺红,庄云婷,肖义军. 一些重要干细胞的概念及其应用[J]. 生物学教学,2023,48(1):5-8. DOI:10.3969/j.issn.1004-7549.2023.01.003.

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