干細(xì)胞相關(guān)名詞及其分類

干細(xì)胞研究與細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、胚胎發(fā)育學(xué)、遺傳學(xué)、生殖醫(yī)學(xué)以及有關(guān)的臨床醫(yī)學(xué)有著密切關(guān)系。但通常干細(xì)胞研究劃歸組織工程學(xué)研究領(lǐng)域。1987年美國國家科學(xué)基金會提出“組織工程學(xué)”一詞。人體組織器官的再生要求三個基本生物學(xué)因素：細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和生物材料。近年來，作為組織工程三要素之一，干細(xì)胞的研究以及用干細(xì)胞干預(yù)治療和修復(fù)損傷組織器官的嘗試，為人類戰(zhàn)勝頑癥展現(xiàn)了新的曙光。干細(xì)胞的研究引起了生命科學(xué)家的極大關(guān)注，美國《科學(xué)》雜志在1999年度世界十大科學(xué)成就評選中，將干細(xì)胞的研究排名第一。2000年12月干細(xì)胞的研究再次被《科學(xué)》雜志評為該年度的世界十大科學(xué)成就之一。利用胚胎干細(xì)胞和各種成體干細(xì)胞，成為基因治療載體、基因工程、藥物篩選以及干細(xì)胞相關(guān)基礎(chǔ)和臨床研究的重要領(lǐng)域。干細(xì)胞移植可能干預(yù)治療一些臨床難以治愈的疾病，如脊髓損傷、脊髓側(cè)索硬化癥、帕金森病、糖尿病、心臟病、終末腎病、肝衰竭和癌癥等。干細(xì)胞的應(yīng)用價值得到公眾、法律和商界的關(guān)注。

干細(xì)胞（stemcell）是一類具有自我復(fù)制和多分化潛能的細(xì)胞，即干細(xì)胞保持未定向分化狀態(tài)和具有增殖能力，在合適的條件或給予合適的信號，可以分化為許多不同類型的具有特征性形態(tài)、特異分子標(biāo)志和特殊功能的成熟細(xì)胞。干細(xì)胞來源于胚胎、胎兒組織和成年組織。來自胚胎和胎兒組織的胚胎干細(xì)胞和胚胎生殖干細(xì)胞具有多潛能分化特性，可分化為成熟個體體內(nèi)幾乎全部200多種以上的成熟細(xì)胞類型。而成年個體組織來源的成體干細(xì)胞（adultstemcell）有造血干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞和胰腺干細(xì)胞等。干細(xì)胞研究進(jìn)入前沿研究領(lǐng)域，在全球掀起干細(xì)胞研究熱潮。關(guān)于干細(xì)胞研究的文章中描述干細(xì)胞的專門術(shù)語比較混亂，各學(xué)科之間缺乏統(tǒng)一的術(shù)語描述。本文將概述有關(guān)干細(xì)胞的概念、相關(guān)研究狀況和進(jìn)展。一般按細(xì)胞發(fā)育進(jìn)程將干細(xì)胞分為胚胎干細(xì)胞、胚胎生殖干細(xì)胞、成體干細(xì)胞。按干細(xì)胞分化的潛能將干細(xì)胞分為全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞。

按發(fā)育進(jìn)程定義干細(xì)胞

一、胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcell，EScell）

1970年，MartinEvans分離小鼠的胚胎干細(xì)胞，建立體外培養(yǎng)鼠的胚胎干細(xì)胞技術(shù)。直到1998年Wisconsin大學(xué)JamesA.Thomson^[1]領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室首次用人類早期胚泡（blastocyststage），分離出14個細(xì)胞的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（innercellmasses），并培養(yǎng)出5個人胚胎干細(xì)胞系，其中H1，H13和H14為正常XY染色體組型（normalXYkaryotype），H7和H9為正常XX染色體組型，得到了人的多潛能胚胎干細(xì)胞系。人胚胎干細(xì)胞能在體外保持未分化狀態(tài)增殖，從一個胚胎干細(xì)胞擴(kuò)增為數(shù)百萬個細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞在特殊條件下體外培養(yǎng)可具有未分化狀態(tài)和多潛能分化特性，能夠形成集落。而在無白血病抑制因子（LIF）培養(yǎng)的條件下，胚胎干細(xì)胞聚集成胚胎樣小體（embryo-likebody）或稱胚體（embryonicbody，EB）^[2]。胚體在許多方面類似于畸胚瘤，由一些排列雜亂的未分化和已分化細(xì)胞構(gòu)成，可見三個胚層來源的分化細(xì)胞。如果將胚泡內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的胚胎干細(xì)胞注射到特定宿主小鼠的胚泡內(nèi)，檢查嵌合體子代，可發(fā)現(xiàn)供體的胚胎干細(xì)胞分布于嵌合體子代體內(nèi)的全部組織，包括生殖細(xì)胞。

胚胎干細(xì)胞可分化為多種細(xì)胞譜系，包括心肌細(xì)胞、胰島細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、色素細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、上皮細(xì)胞和脂肪細(xì)胞等。當(dāng)將胚胎干細(xì)胞移植到免疫缺陷的裸鼠皮下或腎包囊后，在宿主動物體內(nèi)可分化為畸胎瘤（teratocarcinomas）。瘤內(nèi)包括混合的多種類型分化細(xì)胞。因此，胚胎干細(xì)胞不適宜直接給患者使用。臨床使用前需要進(jìn)行定向誘導(dǎo)分化。在個體發(fā)生時期的最早期，胚胎干細(xì)胞是全能的（totipotent），而來自早期胚泡中的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的胚胎干細(xì)胞是多能（pluripotent）干細(xì)胞^[3]。

胚胎干細(xì)胞具有的特性：①胚胎干細(xì)胞來源于胚胎早期的胚泡中的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，保持未分化狀態(tài)，具有自我復(fù)制的能力，具有向胚胎三個胚層來源的所有細(xì)胞分化的潛能。②胚胎干細(xì)胞可通過單細(xì)胞克隆建立有相同遺傳特性的胚胎干細(xì)胞系。建立的胚胎干細(xì)胞系有與親代細(xì)胞相同的特征。③胚胎干細(xì)胞具有正常、完整（雙倍體）及穩(wěn)定的染色體核型。④胚胎干細(xì)胞缺乏細(xì)胞周期中G1期的限制點(diǎn)（checkpoint），胚胎干細(xì)胞大部分時間都處于細(xì)胞周期的S期，在此期進(jìn)行DNA合成。胚胎干細(xì)胞不需外源信號刺激啟動DNA的復(fù)制。⑤胚胎干細(xì)胞表達(dá)三種特異性標(biāo)志分子：細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子（intrinsictranscriptionfactor，Oct4）、白血病抑制因子（leukemiainhibitoryfactor，LIF）和堿性磷酸酶（alkalinephosphatase，AP）。⑥雌性哺乳動物來源的胚胎干細(xì)胞內(nèi)，不存在X染色體失活現(xiàn)象。⑦胚胎干細(xì)胞端粒酶活性呈陽性，具有維持端粒長度，保持干細(xì)胞增殖能力的重要作用。⑧胚胎干細(xì)胞裸鼠皮下或腎包囊接種，可形成畸胎瘤。

二、胚胎生殖干細(xì)胞（embryonicgermcell，EGcell）

Hopkins大學(xué)JohnD.Gearhart^[4]領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室從來自流產(chǎn)胎兒（5~9周）生殖嵴（gonadalridge）的原始生殖細(xì)胞（primordialgermcell，PGC）中分離培養(yǎng)出人胚胎生殖干細(xì)胞。在正常胚胎發(fā)育過程中，生殖嵴發(fā)育為睪丸或卵巢，原始生殖細(xì)胞生成精子或卵子。胚胎生殖干細(xì)胞屬于多能干細(xì)胞，其特性與來源于囊胚期的胚胎干細(xì)胞不同。胚胎生殖干細(xì)胞可在體外培養(yǎng)近20代，多數(shù)倍增40倍，最大可增殖70~80倍（胚胎干細(xì)胞可增殖300倍甚至450倍），核型正常。胚胎生殖干細(xì)胞自發(fā)形成集落，自發(fā)分化，最終分化為含有三個胚層的衍生物。免疫缺陷的裸鼠接種不形成畸胎瘤。

通常將來自胚泡的胚胎干細(xì)胞和胎兒組織的胚胎生殖干細(xì)胞，統(tǒng)稱為胚胎干細(xì)胞。

三、成體干細(xì)胞（adultstemcell）

成體干細(xì)胞源于骨髓、血液、角膜、視網(wǎng)膜、腦和脊髓、骨骼肌和心肌、牙髓、肝臟、皮膚、胃腸道上皮、胰腺等，存在于全部三個胚層發(fā)育而來的組織中。有人認(rèn)為胚胎發(fā)育中由于存在非對稱性分裂，而被保留下來的未分化的成體干細(xì)胞，存在于已分化的組織中。成體干細(xì)胞有兩個特征：①具有保持長期增殖而不分化的能力，即長時程自我復(fù)制特性；②具有分化為源于組織的所有特化類型細(xì)胞的潛能和分裂產(chǎn)生祖細(xì)胞（progenitororprecursorcell）的能力。祖細(xì)胞在胎兒或成人的組織中存在，通常分裂形成更多的祖細(xì)胞或分化的成熟細(xì)胞，但不能復(fù)制自身。因此，成體干細(xì)胞沒有胚胎干細(xì)胞和胚胎生殖干細(xì)胞相同的分化潛能。成體干細(xì)胞的增殖能力也有較大的限制，在實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)條件下，許多成體干細(xì)胞不易增殖或有限地增殖，限制了成體干細(xì)胞產(chǎn)生足夠數(shù)量的干細(xì)胞。多數(shù)成體干細(xì)胞數(shù)量極少，缺乏特異性的表面標(biāo)志，難以識別、分離和純化。

成體干細(xì)胞中被研究最廣泛和深入的細(xì)胞是源于骨髓和血液的干細(xì)胞，包括造血干細(xì)胞（hematopoieticstemcell）和基質(zhì)干細(xì)胞(stromalstemcell)，或稱間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymalstemcell）兩類主要的干細(xì)胞。臍帶血是血液干細(xì)胞的豐富來源，從臍帶血、骨髓或外周血分離的干細(xì)胞沒有任何質(zhì)量上的差異，只有不同類型干細(xì)胞數(shù)量上的差別。目前，成體干細(xì)胞的應(yīng)用只限于造血干細(xì)胞。成體干細(xì)胞移植常遇到免疫排斥的困擾。因此，對免疫系統(tǒng)和成體干細(xì)胞兩個方面的修飾是成體干細(xì)胞應(yīng)用的重要研究項(xiàng)目。

成體干細(xì)胞有分化為其他來源組織細(xì)胞的能力，稱為可塑性（plasticity）。到目前為止，除間充質(zhì)干細(xì)胞外，還沒有單一成體干細(xì)胞（即單細(xì)胞克隆建立的成體干細(xì)胞系）分化為從全部三個胚層發(fā)展而來的特定細(xì)胞的證據(jù)。因此，成體干細(xì)胞沒有和胚胎干細(xì)胞同樣程度的多潛能性。

在成體干細(xì)胞中，間充質(zhì)干細(xì)胞是一個例外，可存在于由三個胚層發(fā)育而來的組織器官中，它是惟一的、源于同一原始胚層的成體干細(xì)胞，并可分化為三個胚層的終末分化細(xì)胞。例如從中胚層來源的骨髓或血液干細(xì)胞中、外胚層皮膚中及內(nèi)胚層胰腺組織中均已分離獲得間充質(zhì)干細(xì)胞。研究表明，來源于中胚層骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞除可分化為中胚層來源的組織，如骨骼肌、心肌外，還可分化為內(nèi)胚層來源的肝細(xì)胞和外胚層來源的神經(jīng)組織細(xì)胞。

1．造血干細(xì)胞（hematopoieticstemcell，HSC）

造血干細(xì)胞是從血液或骨髓中分離的具有自我復(fù)制能力的，可分化為血液中各種類型成熟細(xì)胞的一類成體干細(xì)胞。它能從骨髓中動員進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)，能經(jīng)歷程序性死亡，即細(xì)胞凋亡。造血干細(xì)胞可利用其物理特性和細(xì)胞表面特征富集。如采用抗細(xì)胞表面抗原的單克隆抗體和特殊染料可分選純化小鼠骨髓內(nèi)的造血干細(xì)胞。造血干細(xì)胞分為：長期干細(xì)胞（longtermstemcell，LT-HSC），其能在造血系統(tǒng)中存活幾個月，具有自我復(fù)制的能力，在宿主體內(nèi)LT-HSC自我復(fù)制能力保持終生；短期祖細(xì)胞（short-termprogenitor，ST-HSC），其不能長期自我復(fù)制，移植體內(nèi)后大約維持8周或立即分化為各種類型的終末血細(xì)胞^[5]。造血干細(xì)胞能分化為血液和免疫系統(tǒng)的各種細(xì)胞類型，可用于治療白血病、淋巴瘤和遺傳性血液病，如各種遺傳性貧血、先天代謝失調(diào)和癌癥化療后造血干細(xì)胞的恢復(fù)等。

造血干細(xì)胞的來源：

骨髓（bonemarrow）造血干細(xì)胞的經(jīng)典來源是骨髓。骨髓中大約100000個細(xì)胞中只有1個是長期造血干細(xì)胞。

外周血（peripheralblood）外周血中干細(xì)胞和祖細(xì)胞數(shù)量很少。但研究發(fā)現(xiàn)，如果對供體注射一種細(xì)胞因子，如粒細(xì)胞集落形成刺激因子（granulocyte-colonystimulatingfactor，GCSF），可動員干細(xì)胞從骨髓遷移到外周血。臨床治療時，對供體注射GCSF進(jìn)行動員，使干細(xì)胞遷移至外周血。收集時在靜脈中插入導(dǎo)管，使血液通過分選系統(tǒng)，分選出CD34+白細(xì)胞，讓紅細(xì)胞返回供體，以便收集動員后的造血干細(xì)胞。利用此方法分選出的細(xì)胞中大約5%~20%是造血干細(xì)胞。采用高純度的、被動員的、具有CD34+/Thy-1+表面標(biāo)志的外周血細(xì)胞移植，無并發(fā)癥^[5]。

臍帶血（umbilicalcordblood）20世紀(jì)80年代末，人們開始認(rèn)識到來自臍帶和胎盤的血是造血干細(xì)胞的豐富來源。這些組織在孕期支持胎兒的生長發(fā)育中起著重要作用。自1989年世界第一例用臍帶血移植治療再生障礙性貧血成功以來，全世界已有近千例病人接受臍帶血移植治療，涉及疾病30余種。臍帶血內(nèi)干細(xì)胞與骨髓干細(xì)胞有許多相類似的特性，臍帶血比較骨髓移植有很多優(yōu)越性：臍帶血來源廣泛，富含造血干細(xì)胞，增殖與分化能力強(qiáng)，有體外集落形成能力，動員后進(jìn)入細(xì)胞周期的速度和自泌生長因子的能力均強(qiáng)于骨髓。臍帶血細(xì)胞端粒酶活性較強(qiáng)，易在體外擴(kuò)增。臍帶血T淋巴細(xì)胞較原始，抗原表達(dá)較弱且不充分，細(xì)胞毒性反應(yīng)較低，移植后較少發(fā)生排斥反應(yīng)。

2．神經(jīng)干細(xì)胞（neuralstemcell）

神經(jīng)干細(xì)胞是成體干細(xì)胞之一。具有自我復(fù)制和多潛能分化的能力^[6]。神經(jīng)干細(xì)胞的標(biāo)志為巢蛋白（nestin）。在特定細(xì)胞因子的誘導(dǎo)下可分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)和少突膠質(zhì)細(xì)胞。1992年Reynolds和Richards先后在成年鼠的紋狀體和海馬中分離出神經(jīng)干細(xì)胞，中樞神經(jīng)系統(tǒng)其他部位，如端腦、間腦、中腦、腦干和脊髓也相繼分離出神經(jīng)干細(xì)胞。中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷性和退行性疾病，如急性脊髓損傷、腦血管栓塞、帕金森病、老年性癡呆、脊髓側(cè)索硬化、共濟(jì)失調(diào)和亨廷頓綜合征等在臨床幾乎不能治愈。人們將希望寄托于轉(zhuǎn)基因治療和干細(xì)胞移植。

3．胰腺干細(xì)胞

人類胰島內(nèi)有4種細(xì)胞：分泌胰島素的β細(xì)胞（占65%~90%），分泌胰高血糖素的α細(xì)胞（占10%~20%），分泌生長抑素的δ細(xì)胞（占3%~10%）和分泌胰多肽的pp細(xì)胞（polypeptide，占1%）。在胚胎發(fā)育時，胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞由胰管內(nèi)的胰島干細(xì)胞（isletstemcell）分化而來。典型的導(dǎo)管細(xì)胞表達(dá)編碼結(jié)構(gòu)蛋白的細(xì)胞角蛋白-9（cytokeratin-9），作為胰島干細(xì)胞的標(biāo)志，β細(xì)胞表達(dá)編碼啟動胰島素轉(zhuǎn)錄的蛋白PDX-1基因，稱為胰島β細(xì)胞的標(biāo)志^[7]。

按分化潛能定義干細(xì)胞

一、全能干細(xì)胞（totipotentstemcell）

全能性是指具有潛能生成組成胚胎以及支持胚胎在子宮生長發(fā)育的全部細(xì)胞和組織，并能繼續(xù)分化一直生長為一個成熟個體。全能干細(xì)胞（如受精卵）不但可以分化為胚胎發(fā)育中三個胚層的全部種類的細(xì)胞，還包括分化為胚胎發(fā)育所必需的胚胎外組織，如由滋養(yǎng)層形成的胎盤和臍帶等。當(dāng)受精卵分裂至4個或8個細(xì)胞時期（受精后27小時，桑椹胚，morula），干細(xì)胞仍具有全能性。例如，利用恒河猴形成8個卵裂細(xì)胞的胚胎分離成4個各有2個細(xì)胞的胚，植入“假孕母體”子宮，成功地誕生了靈長類動物恒河猴“Tetra”的研究證明，靈長類的受精卵分裂到8個細(xì)胞時期，仍具有全能干細(xì)胞的特性^[8]。

二、多能干細(xì)胞（pluripotentstemcell）

通常用多能干細(xì)胞描述可以分化為三個胚層的胚胎干細(xì)胞，包括胚泡內(nèi)細(xì)胞團(tuán)來源和胚胎生殖嵴生殖細(xì)胞來源的干細(xì)胞。與全能干細(xì)胞的區(qū)別在于無分化為胚胎外組織細(xì)胞（如滋養(yǎng)層形成的胎盤和臍帶組織）的能力。人胚胎發(fā)育第5天，內(nèi)細(xì)胞團(tuán)開始分化形成外側(cè)的滋養(yǎng)層，這是胚胎分化的第一個明顯標(biāo)志。體外培養(yǎng)至此期的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)大約由30~34個細(xì)胞組成，可用于胚胎干細(xì)胞的分離。

三、（成體）多能干細(xì)胞（multipotentstemcell）

通常用于描述成體干細(xì)胞定向分化為多種類型的終末成熟細(xì)胞的潛能。如腦或脊髓來源的神經(jīng)干細(xì)胞具有一定限度的多潛能分化的能力，可分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞。成體干細(xì)胞用英文“multipotent”描述的“多潛能”與胚胎干細(xì)胞用“pluripotent”描述的“多潛能”有質(zhì)的差異。體內(nèi)研究表明，多能的成體干細(xì)胞在未損傷的組織中只是單向分化，只生成一種終末成熟細(xì)胞。然而，如果組織被損傷，需要多種細(xì)胞替代，成體干細(xì)胞的多潛能性被激活，產(chǎn)生多種類型細(xì)胞修復(fù)損傷組織。

四、單能干細(xì)胞（unipotentstemcells）

常用于描述成體干細(xì)胞只能沿一個方向分化，僅生成一種終末成熟細(xì)胞。如眼睛的角膜緣干細(xì)胞可自我復(fù)制，但只能分化為角膜上皮細(xì)胞。

隨著干細(xì)胞研究的進(jìn)展，人們希望將來能利用干細(xì)胞的特性治療目前臨床醫(yī)學(xué)尚不能治愈的疾病。而目前我們首先需要解決免疫排斥和干細(xì)胞是否有形成腫瘤潛能的相關(guān)研究，以及干細(xì)胞的發(fā)生、發(fā)展、命運(yùn)等基礎(chǔ)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]ThomsonJA，Itskovitz-EldorJ，ShapiroSSetal.Embryonicstemcelllinesderivedfromhumanblastocysts.Science，282:1145—1147.

[2]NicholsJ，ZevnikB，AnastassiadisK，etal.FormationofpluripotentstemcellsinthemammalianembryodependsonthePOUtranscriptionfactorOct4.Cell，95:379—391.

[3]JonesJM，ThomsonJA.Humanembryonicstemcelltechnology.Semin.Reprod.Med，18:219—223.

[4]ShamblottMJ，AxelmanJ，WangS，etal.Derivationofpluripotentstemcellsfromculturedhumanprimordialgermcells.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.95:13726—13731.

[5]DomenJ.andWeissmanIL.Self-renewal，differentiationordeath:regulationandmanipulationofhematopoieticstemcellfate.Mol.Med.Today，5:201—208.

[6]AzuakiYoshikawa.Cellcycleregulatorsinneuralstemcellsandpostmitoticneurons.NeuroscienceResearch，37:1—14.

[7]DufayetdelaTourD，HalvorsenT，DemetercoC，etal.b-celldifferentiationfromahumanpancreaticcelllineinvitroandinvivo.Mol.Endocrinol，15:476—483.

[8]AWSChan，TDominko，CMLuetjens，etal.ClonalPropagationofPrimateOffspringbyEmbryoSplitting.Science，287:317—319.