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2004年8月26日
尽管"干细胞"这个概念早在数十年前已经为世人所知了，但是直至今天，干细胞也仅限于功能上的定义, 而没有形态学和表型上存在的证据。干细胞可以自我更新, 繁殖产生更多的干细胞, 同时也可以分化成各种各样的祖细胞, 后者又可进一步成熟发展成许多有特定功能的细胞系。干细胞这种功能特性极大地吸引了来自基础医学和临床医学的研究者。这些关于干细胞的基本功能给基础科学的研究者们提供了一种模式, 利用这种模式,他们可以从细胞的原始阶段来研究发展生物学。干细胞所具有的修复、替代和再生的能力也为临床医学提供了一个发展新疗法的机会。
鉴定
因为干细胞仅仅是通过其具有的功能所定义的，所以鉴定和分离这类独特的细胞群将会成为一种非常具有挑战性的工作。胚胎干细胞(ES，一种从着床前的胚胎内细胞群中得到的一种细胞)被认为是最具有多能性的一类干细胞。随着人多能胚胎干细胞系和胚胎生殖细胞系的成功建立，这一领域成为热点。这些细胞可以在体外环境下无限制的、无差别的增殖下去,而且还能保留着向许多方向分化的能力。尽管胚胎干细胞有很大的发展潜力,但是围绕着来源于胚胎的细胞及组织的伦理学争论还是将其从试验和应用领域排除出去了。因此，成人干细胞将会成为未来治疗手段的首选。
目前已经从成人组织中发现了多种干细胞系。其中一种成人干细胞系在人体造血活动中扮演着重要角色，称为造血干细胞(HSC)。这种干细胞可以终生增殖和分化，产生淋巴细胞和骨髓细胞。骨髓源性干细胞能够分化成各种细胞：脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞、肝实质细胞、心肌细胞和神经元。在生长期和成熟的哺乳动物中枢神经系统有一种未分化的，可以产生多种子代的细胞，称为神经干细胞(NSC)。神经干细胞的发现和其广泛的发展前景也极大的激起了研究者的兴趣。利用神经干细胞的这种可塑性(即人们常说的nestin positive cells)可以产生出一个谱系，并且可以在神经移植上派上用场，比如替代受伤后或神经退行性变后的神经组织。来源于上皮和脂肪组织的多能干细胞也在被逐步认识。因为潜在的伦理学问题和组织相容性问题，自体成人干细胞移植将会成为今后组织工程战略中很有希望的方向。但是成人干细胞能否和胚胎干细胞一样的有效，依然不能定论。脐带血(UCB)可能是替代骨髓或外周血作为HSC的一个有效来源。关于脐带血干细胞的特性和应用潜力，目前还在广泛的试验当中。
分离
理想情况下，一种真正的干细胞系在体外处理前必须在体内环境下来鉴别出来。但是，目前大多数分离干细胞的工作都是在体外模拟环境中进行的。体外分离技术是建立在对细胞表面标记物的识别基础上。已经用来纯化干细胞的标记包括CD34、AC133、STRO-1、神经营养受体p7520等。分离方法包括荧光标记细胞分选、免疫磁分离和免疫吸附柱分离。最近发现了一些新奇的细胞标记物阴性的干细胞，因此有些人对使用单一细胞标记物来分离干细胞提出了一些异议。例如，细胞膜上的CD34表达并不总和干细胞的活动有关。在小鼠身上有大量静止的干细胞系，它们缺乏CD34的表达，但是却拥有完全的再建能力。一种类似的静止CD34阴性的造血干细胞也在人体上被发现。因此，利用某些特定成熟细胞的表面标记物来去除成熟细胞而保留干细胞的方法将会在未来占据更大的优势。
扩增
为克服干细胞数目少的局限性,研究人员致力于开发干细胞体外扩增技术.然而,要使干细胞在长期扩增中保持未分化状态和多系分化潜能,研究人员尚面临着巨大挑战。含已知细胞因子和生长因子的无基质无血清体外培养物最终目的是应用于临床,而造血细胞在临床上有广泛应用前景。目前科学家已成功开发体外培养人造血干细胞(HSC)技术以获得大量HSC。IL-3、干细胞因子(SCF)和Flt-3配体(FL)具有早期效应和细胞系非特异性造血刺激功能, 因而在干细胞扩增中颇受青睐。但目前为止,还没有获得这方面HSC体外扩增的确凿证据。在加入FL、TPO(thrombopoietin) 、IL-6 和IL-11条件下,脐血HSC得以最大程度地扩增。PDGF-BB和EGF则使人BMSC最大程度地扩增。神经元祖细胞已从人皮质培养物中成功分离,并在EGF和FGF-2条件下扩增,200天不到的时间内细胞数增加了150万倍。过去十年内这些体外干细胞和祖细胞扩增实验的开展归功于重组细胞因子和细胞筛选技术的进展,因此,发现新细胞因子和已有细胞因子的新功能可促进干细胞扩增研究。另外, 系统性分析生长因子受体的表达有助于设计干细胞体外扩增培养的新方法.
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干细胞能增殖并产生其它干细胞,也能分化为各种祖细胞,进而发育为特定细胞系的成熟细胞.
分化
干细胞研究的主要方向是使之分化为一个特定的目标细胞群,近年来有大量关于体外和体内干细胞分化为各类型成熟细胞的报道(图1).其中控制干细胞分化的细胞外信号之一是生长和分化因子的分泌. TGF-β家族成员对胚胎干细胞和神经原干细胞的分化有明显的导向效应. Wnt家族成员也在干细胞分化中发挥重要作用,但由于不能纯化Wnt功能蛋白,使得进一步研究其具体功能受到限制。除了分泌因子外,膜蛋白和细胞外基质构成了决定干细胞分化的微环境。
曾有体外ES细胞分化实验证明:使用FGF-2、 VitC、SHH(sonic hedgehog) 和FGF-8能从小鼠ES细胞获得大量多巴胺能和5-羟色氨能神经元。也有体内和体外从小鼠ES细胞分离胰岛素表达细胞的报道。这些研究表明了在一定条件下从ES细胞获取具有一定功能的成熟细胞的可行性。同时这些实验模型有助于研究帕金森氏综合症和糖尿病等疾病发病的分子机制和治疗方案。还有体内体外实验证明, 某一组织来源的成人干细胞可以被诱导分化为另一种组织。这些发现说明在特异的环境下,组织特异性成人干细胞和ES细胞并无本质区别。
鉴别和分离干细胞的一些常用标志
当干细胞更适合作为一种功能学上的概念时，一些分子标志物已经被用来给不同的干细胞群体定性。尽管这些早期标志物的作用还有待确定，细胞独特的随发展阶段而变化的表面标志为初步鉴定并分离干细胞提供了有用的工具。现总结以下标记物单独或联合应用于干细胞研究以鉴别和分离细胞:
胚胎干细胞标记物:Oct-4 ,SSEAs (特异性胚胎抗原)
造血干细胞标记物:CD34,CD133,Sca-1 (干细胞抗原1, Ly-6A/E), ABCG2 (ATP-binding cassette superfamily G member 2)
间质/基质干细胞标记物 : STRO-1
神经干细胞标记物：Nestin, PSA-NCAM (多唾液酸-神经元黏附分子), p75 Neurotrophin R (NTR)
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鉴定
因为干细胞仅仅是通过其具有的功能所定义的，所以鉴定和分离这类独特的细胞群将会成为一种非常具有挑战性的工作。胚胎干细胞(ES，一种从着床前的胚胎内细胞群中得到的一种细胞)被认为是最具有多能性的一类干细胞。随着人多能胚胎干细胞系和胚胎生殖细胞系的成功建立，这一领域成为热点。这些细胞可以在体外环境下无限制的、无差别的增殖下去,而且还能保留着向许多方向分化的能力。尽管胚胎干细胞有很大的发展潜力,但是围绕着来源于胚胎的细胞及组织的伦理学争论还是将其从试验和应用领域排除出去了。因此，成人干细胞将会成为未来治疗手段的首选。
目前已经从成人组织中发现了多种干细胞系。其中一种成人干细胞系在人体造血活动中扮演着重要角色，称为造血干细胞(HSC)。这种干细胞可以终生增殖和分化，产生淋巴细胞和骨髓细胞。骨髓源性干细胞能够分化成各种细胞：脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞、肝实质细胞、心肌细胞和神经元。在生长期和成熟的哺乳动物中枢神经系统有一种未分化的，可以产生多种子代的细胞，称为神经干细胞(NSC)。神经干细胞的发现和其广泛的发展前景也极大的激起了研究者的兴趣。利用神经干细胞的这种可塑性(即人们常说的nestin positive cells)可以产生出一个谱系，并且可以在神经移植上派上用场，比如替代受伤后或神经退行性变后的神经组织。来源于上皮和脂肪组织的多能干细胞也在被逐步认识。因为潜在的伦理学问题和组织相容性问题，自体成人干细胞移植将会成为今后组织工程战略中很有希望的方向。但是成人干细胞能否和胚胎干细胞一样的有效，依然不能定论。脐带血(UCB)可能是替代骨髓或外周血作为HSC的一个有效来源。关于脐带血干细胞的特性和应用潜力，目前还在广泛的试验当中。
分离
理想情况下，一种真正的干细胞系在体外处理前必须在体内环境下来鉴别出来。但是，目前大多数分离干细胞的工作都是在体外模拟环境中进行的。体外分离技术是建立在对细胞表面标记物的识别基础上。已经用来纯化干细胞的标记包括CD34、AC133、STRO-1、神经营养受体p7520等。分离方法包括荧光标记细胞分选、免疫磁分离和免疫吸附柱分离。最近发现了一些新奇的细胞标记物阴性的干细胞，因此有些人对使用单一细胞标记物来分离干细胞提出了一些异议。例如，细胞膜上的CD34表达并不总和干细胞的活动有关。在小鼠身上有大量静止的干细胞系，它们缺乏CD34的表达，但是却拥有完全的再建能力。一种类似的静止CD34阴性的造血干细胞也在人体上被发现。因此，利用某些特定成熟细胞的表面标记物来去除成熟细胞而保留干细胞的方法将会在未来占据更大的优势。
扩增
为克服干细胞数目少的局限性,研究人员致力于开发干细胞体外扩增技术.然而,要使干细胞在长期扩增中保持未分化状态和多系分化潜能,研究人员尚面临着巨大挑战。含已知细胞因子和生长因子的无基质无血清体外培养物最终目的是应用于临床,而造血细胞在临床上有广泛应用前景。目前科学家已成功开发体外培养人造血干细胞(HSC)技术以获得大量HSC。IL-3、干细胞因子(SCF)和Flt-3配体(FL)具有早期效应和细胞系非特异性造血刺激功能, 因而在干细胞扩增中颇受青睐。但目前为止,还没有获得这方面HSC体外扩增的确凿证据。在加入FL、TPO(thrombopoietin) 、IL-6 和IL-11条件下,脐血HSC得以最大程度地扩增。PDGF-BB和EGF则使人BMSC最大程度地扩增。神经元祖细胞已从人皮质培养物中成功分离,并在EGF和FGF-2条件下扩增,200天不到的时间内细胞数增加了150万倍。过去十年内这些体外干细胞和祖细胞扩增实验的开展归功于重组细胞因子和细胞筛选技术的进展,因此,发现新细胞因子和已有细胞因子的新功能可促进干细胞扩增研究。另外, 系统性分析生长因子受体的表达有助于设计干细胞体外扩增培养的新方法.
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干细胞能增殖并产生其它干细胞,也能分化为各种祖细胞,进而发育为特定细胞系的成熟细胞.
分化
干细胞研究的主要方向是使之分化为一个特定的目标细胞群,近年来有大量关于体外和体内干细胞分化为各类型成熟细胞的报道(图1).其中控制干细胞分化的细胞外信号之一是生长和分化因子的分泌. TGF-β家族成员对胚胎干细胞和神经原干细胞的分化有明显的导向效应. Wnt家族成员也在干细胞分化中发挥重要作用,但由于不能纯化Wnt功能蛋白,使得进一步研究其具体功能受到限制。除了分泌因子外,膜蛋白和细胞外基质构成了决定干细胞分化的微环境。
曾有体外ES细胞分化实验证明:使用FGF-2、 VitC、SHH(sonic hedgehog) 和FGF-8能从小鼠ES细胞获得大量多巴胺能和5-羟色氨能神经元。也有体内和体外从小鼠ES细胞分离胰岛素表达细胞的报道。这些研究表明了在一定条件下从ES细胞获取具有一定功能的成熟细胞的可行性。同时这些实验模型有助于研究帕金森氏综合症和糖尿病等疾病发病的分子机制和治疗方案。还有体内体外实验证明, 某一组织来源的成人干细胞可以被诱导分化为另一种组织。这些发现说明在特异的环境下,组织特异性成人干细胞和ES细胞并无本质区别。
鉴别和分离干细胞的一些常用标志
当干细胞更适合作为一种功能学上的概念时，一些分子标志物已经被用来给不同的干细胞群体定性。尽管这些早期标志物的作用还有待确定，细胞独特的随发展阶段而变化的表面标志为初步鉴定并分离干细胞提供了有用的工具。现总结以下标记物单独或联合应用于干细胞研究以鉴别和分离细胞:
胚胎干细胞标记物:Oct-4 ,SSEAs (特异性胚胎抗原)
造血干细胞标记物:CD34,CD133,Sca-1 (干细胞抗原1, Ly-6A/E), ABCG2 (ATP-binding cassette superfamily G member 2)
间质/基质干细胞标记物 : STRO-1
神经干细胞标记物：Nestin, PSA-NCAM (多唾液酸-神经元黏附分子), p75 Neurotrophin R (NTR)
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