疾病的干細胞基礎

莫顯明

(四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室干細胞生物學研究室，四川 成都 610041)

大約在15年前，應主編楊志明老師邀請，在《中國修復重建外科雜志》發表了“成體干細胞與干細胞疾病”，在文中提出了退行性疾病和增生性疾病可能源于成體干細胞功能障礙，為干細胞疾病。隨著對胚胎發育探索深入和對干細胞特別是成體干細胞認知深入，對疾病發病機理理解深入，認識到疾病特別是非營養性和非外因損傷性疾病的發病基礎均有機體組織器官結構變異。而組織器官結構變異可能是胚胎發育過程中組織器官結構構筑出現變異，也可能是在出生后機體成熟過程中組織器官生長重塑過程出現變異，抑或是在成熟期組織器官維持重塑出現變異，這些變異均可成為疾病的發病基礎，而這些組織器官的變異基礎均可源于胚胎期的母細胞或成體干細胞變異。本文將梗概探討疾病的干細胞基礎相關問題，不涉及細胞和分子表型及機制。

1 干細胞概述

正常生命個體在生長發育、成熟過程中組織器官內均存在原始細胞，這類細胞在胚胎發育時期，分化發育形成各種細胞，構建組裝為機體內各種組織器官[1]。在胚胎期發育成熟個體出生后，繼續發育到成熟期個體，在這一過程中，位于各組織器官中的具有多種分化潛能的原始細胞，分化形成各類功能細胞，除補充維持在生長過程中由各種因素導致耗損的組織細胞外，增大組織器官體積，使組織器官到達個體成熟后的體積與大小。在個體成熟后，組織器官內多種分化潛能的原始細胞分化形成各類功能細胞維持各種因素導致耗損的組織細胞及個體適應性構筑所需的組織細胞，維持個體的穩態[2]。這些在生命個體中具有多種分化潛能的原始細胞即為干細胞，干細胞的根本性特征為多向分化能力與自我更新能力[3]。在機體生命周期內目前確定有兩類干細胞。一類是胚胎干細胞，是早期胚胎發育過程中存在的干細胞，具有形成生命個體并能傳代的細胞。一類是組織干細胞或稱為成體干細胞，這類細胞位于各組織器官中，分化形成各類特定組織細胞，構筑和維持特定組織器官結構與功能[4-5]。

干細胞與其他具有分化能力的細胞比較，其根本特性為自我更新能力[3]。在細胞進行分裂的時候，形成與分裂前細胞一致的兩個完全一樣的細胞，這種分裂方式即為自我更新。鑒定干細胞自我更新能力的手段是動物體內實驗測定。胚胎干細胞的測定是在動物體內能夠發育形成完全的胚胎，并能形成胚胎內的生殖細胞，在胚胎發育成熟后，胚胎干細胞來源的個體具有生殖能力，能夠傳代。成體干細胞需要進行二次動物體內移植實驗證明其自我更新的能力。第一次移植后測試的細胞能夠在動物體內分化形成相應的組織器官，然后分離出具有測試細胞性質的細胞，進行第二次動物體內移植，測試細胞能夠再次分化形成相應的組織器官，證明成體干細胞的自我更新能力[3]。由于人體研究的倫理，不能應用人體實驗證明人體干細胞的自我更新能力，通常可以通過體外單細胞分析實驗以及免疫缺陷性動物體內連續移植實驗證明人體干細胞的自我更新能力。

2 成體組織干細胞

在發育完成的組織器官中理論上均存在成體干細胞。在生長期的個體，成體干細胞是組織器官體積增大及適應性重塑的來源細胞[1]。成體干細胞經過一系列分化過程，最終形成具有功能的成熟細胞，構建組織器官。在發育成熟的個體中，成體干細胞是維持組織器官穩態的細胞，是組織器官損傷、耗損以及適應改構的來源細胞。在組織器官內，成體干細胞分化與自我更新保持平衡，才能夠維持組織器官的穩態與功能[1]。當成體干細胞老化，導致其分化與自我更新的能力下降，不能維持組織器官的穩態與功能，組織器官功能衰退，導致組織器官老化，進而導致個體老化。

2.1 骨髓干細胞

1908年俄國組織學家Alexander Maksimov通過分析骨髓細胞，提出了“干細胞”的概念，他認為在血細胞中有一種類似淋巴細胞的細胞具有形成多種血細胞的能力，這種細胞就是干細胞。1924年他從骨髓間充質中分離到一種能夠分化為多種細胞的“前體細胞”，該細胞后來被證實為骨髓間充質干細胞。科學家們對血細胞來源的干細胞認識來源于放射線照射的人體和動物。人體經過大劑量放射線照射后，導致造血衰竭。在經過放射線照射的動物體內移植骨髓細胞，可在受體動物脾臟內形成包含有紅系、髓系、淋巴系及多核巨細胞的集落，顯示骨髓內有形成各種血細胞的細胞。后經過一系列的研究證明骨髓內有造血干細胞，并建立了干細胞測試體系[6]。在個體發育過程中，胚胎AGM區的生血內皮細胞[7]，分化形成造血干細胞，在人體中先遷移到肝臟，后遷移到骨髓，成為終身維護機體血細胞的細胞。造血干細胞在骨髓內自我更新維持造血干細胞數量，分化形成所有的血細胞包括淋巴細胞、髓系細胞、紅細胞及巨核細胞及其子代血小板，隨著年齡的增加，造血干細胞自我更新能力下降，分化能力下降，分化譜系發生改變，導致造血系統老化。最終，造血系統不能維持正常功能而衰竭。

2.2 皮膚干細胞

皮膚干細胞是目前研究較為充分的干細胞。現已知皮膚的干細胞包括了能夠形成毛發和表皮的干細胞、能夠形成毛發的毛囊干細胞以及形成表皮的表皮干細胞三種干細胞。經過實驗證實表皮干細胞位于皮膚毛囊與表皮間的漏斗部[8]；毛囊干細胞位于毛囊的穹隆部；具有形成毛發和表皮能力的干細胞位置目前還沒有完全清晰，有實驗顯示該類干細胞位于穹隆部和漏斗部交界處。目前還沒有證據證明這三種皮膚干細胞間的關系。皮膚干細胞是維持皮膚結構的關鍵細胞，毛囊干細胞功能不全或有障礙時，毛發形成不全或不能形成毛發。在毛發移植時，如果不能移植毛囊干細胞，則毛發生長脫落后，就不能再生。如表皮干細胞的功能不能被維持，則表皮結構不能維持，出現缺損。

2.3 腸道干細胞

在1960年代，通過對腸道上皮細胞更新的研究，顯示腸道上皮存在一類細胞，具有更新腸道各種上皮細胞的能力，即存在腸道上皮干細胞[9]。通過轉基因誘導標記和特異性的基因敲入與敲出證實，在腸道腸道絨毛隱窩部有Lgr5陽性的細胞[10-11]，具有分化為所有腸道上皮細胞的能力，包括分泌性細胞、吸收細胞、潘氏細胞等，并具有自我更新的能力，為腸道干細胞，表達Bmi1等特異性蛋白。當個體老化后，腸道干細胞同樣老化，不能很好的補充腸道上皮細胞的耗損，出現腸道功能的紊亂。

理論上，機體內各種組織器官均有成體干細胞，以維持組織器官功能與結構所需細胞的日常耗損、損傷修復和結構功能重塑[2]。目前已鑒定出的組織器官內成體干細胞有造血干細胞、骨骼肌干細胞、神經干細胞及肺上皮干細胞等。過去有多種心肌干細胞被報道，然而這些鑒定出的心肌干細胞要么不能被重復，要么發現研究結果造假，到目前還沒有確切的心肌干細胞被發現。心臟是機體內最繁忙的器官，在運行過程中發生耗損、損傷和結構功能變化等，需要功能細胞快速的補充、修復和結構功能重塑，以維持心臟功能的穩定和機體的穩定，需要心肌干細胞參與這些過程，因此，心肌干細胞亟待認真鑒定并獲得充分研究的。

2.4 成體干細胞的特性

成體干細胞在機體內是會老化。目前研究顯示，老人的骨髓內造血干細胞分化能力、自我更新能力下降，分化譜系改變，淋巴細胞形成能力下降，髓性細胞生成增多，紅細胞形成減少，嚴重時形成重度貧血。神經系統內神經干細胞老化，導致神經細胞的再生能力下降，神經功能下降，不能維持正常的神經功能等。成體干細胞的老化，可能與干細胞本身的自我更新的次數有關。成體干細胞老化后，對應組織器官功能與結構細胞的日常耗損、損傷修復和結構功能重塑能力下降或缺失，導致相應組織器官衰竭。目前對成體干細胞老化機制認識甚少。

3 組織器官構筑變異導致非營養障礙和非外因損傷性疾病

3.1 組織器官構筑變異與心血管疾病的關系

動脈粥樣硬化癥波及大血管，導致受累器官出現缺血性病變，是目前最主要發病與死亡的疾病。動脈粥樣硬化癥經典病理描述已經有上百年歷史，對于該病變的發病機制的認識近期才有所進展。動脈粥樣硬化癥發病起始現在已經明確是由于動脈血管內皮細胞功能與結構變異而引起的[12]。動脈血管內皮細胞是高度可變的，在受到血液壓力、高脂、氧化脂蛋白、細菌、病毒、炎性因子等各種系統性和局部性刺激可導致血管內皮細胞損傷，改變內皮細胞的結構與構筑方式。當血管內皮細胞受到刺激損傷后，來自血管壁和血液的干細胞分化形成功能性的內皮細胞，修復替代功能和結構變異的內皮細胞，維持血管壁內皮層的完整性，保障血管的結構和功能的完整性，以適應環境的變化。在受到刺激損傷后，血管內皮細胞修復功能障礙，不能維持保障血管的結構和功能的完整性，來自血液的物質如脂蛋白等進入到血管壁，誘導一系列的炎癥反應，最終導致泡沫細胞形成、血管平滑肌增生等病理改變，繼而進一步發展為粥樣斑塊，誘導一系列的繼發病變如血栓形成等，導致相應組織器官出現缺血性病變[13]。

3.2 組織器官構筑變異與腫瘤的關系

腫瘤包括白血病是由腫瘤細胞和支持組織構筑而成，白血病的腫瘤組織位于其發生部位骨髓。腫瘤組織內含有與成體干細胞性質一致的腫瘤細胞[14]，該類細胞在動物模型中能夠形成與來源腫瘤高度一致或相似的腫瘤組織并具有自我更新的能力。分離的胃癌、結直腸癌、肝癌和肺癌的腫瘤干細胞在動物模型中可以形成血管和神經等關鍵的支持組織，顯示腫瘤細胞可能形成其本身所需的支持組織[15]。雖然在動物體內獲得人腫瘤細胞能夠形成支持組織不能排除是由于腫瘤細胞適應性所致，這一結果提示腫瘤細胞具有潛在能力形成腫瘤細胞外的其他組織細胞，構成腫瘤組織，維持腫瘤的生長。上述結果也顯示目前對腫瘤發生和增長的認知可能與人體內腫瘤發生與生長有明顯的差距，需要更多的探索。從成體干細胞維持組織器官的穩定性方面入手，可能更好的尋求腫瘤發生與生長的內在驅動力；也有可能腫瘤本身就是組織器官構筑變異形成的。

3.3 組織器官構筑變異與精神疾病的關系

目前認為精神障礙類疾病如精神分裂癥、抑郁、心境障礙等由神經系統結構性變異導致的[16]。由中腦腹側被蓋區的多巴胺能神經元投射到腹側紋狀體部的伏隔核構成的獎賞回路結構構筑變異可能導致心境障礙。精神分裂癥涉及到大腦神經連接網絡變異；神經元的突起-軸突與樹突形成變異、突觸連接變異、神經元間回路變異、神經元分化形成變異、膠質細胞形成變異、神經髓鞘變異、小膠質細胞變異等導致神經連接回路變異可導致精神分裂癥。中樞神經內的局部炎癥可導致精神障礙類疾病。這些神經組織結構與功能變異包括大腦局部炎癥反應，可由神經系統在發育過程和成體內神經系統維持中出現變異導致。如大腦內如果血腦屏障的結構構筑變異，可導致炎性細胞進入到大腦組織內，導致無感染性炎性反應；神經細胞分化功能改變，可導致其子代細胞比例發生改變，導致神經元與小膠質細胞比例發生改變，誘導大腦局部炎癥等。因此，認識精神障礙類疾病需要認識神經組織的構筑，尋找疾病的結構基礎，才能更好的認識這類疾病。

3.4 組織器官構筑變異與其他疾病的關系

非營養性不良與非外因損傷性的其他疾病如老年性不明原因貧血、老年性糖尿病、甲亢、骨質增生、老年癡呆癥、糖尿病、自身免疫性疾病以及各類罕見病等均可能由組織器官結構變異引起。感染性疾病如病毒感染疾病的發生與發展依賴機體免疫反應與組織器官反應與維持。乙型肝炎導致肝臟病變的基礎除機體對病毒的免疫反應外，肝臟的構筑變異是主要病理改變基礎。2019-nCoV導致的肺部病變除病毒性炎癥反應外，II型肺泡細胞功能變異可能是關鍵的病理變異基礎。

透過疾病的病理基礎，認為非營養性與非外因損傷性疾病的發生發展的基礎是組織器官構筑變異。在胚胎發育過程中，由于胚胎期前體細胞變異，可導致組織器官構筑變異，形成先天性疾病或機體成熟后的相應疾病如血管瘤等。在個體出生后，由于成體干細胞功能變異，不能維持和重塑體積、功能細胞數量與結構性細胞的數量，以維持與機體狀態一致的組織器官構筑，可導致各類關聯性疾病包括腫瘤。由于這些組織器官構筑變異的基礎是源于胚胎期的前體細胞與出生后的成體干細胞功能變異，可以將這類疾病歸為干細胞疾病[3]。胚胎期特異胚胎細胞分化發育構筑特定功能組織器官時出現變異；在成熟過程中，由組織器官內的成體干細胞分化及重塑發育為成熟組織器官出現變異，形成發育性疾病；成體內成體干細胞分化及重塑維持特定功能的組織器官發生變異；在成年個體內成體干細胞分化及重塑并維持正常組織器官內細胞數量和功能，當成體干細胞自我更新減弱與分化能力減弱，可導致功能細胞的形成減少，不能滿足組織器官功能的需要，導致相應組織器官的功能衰竭均導致非營養不良和非外因性損傷性疾病。當成體干細胞的自我更新能力增強，和/或分化障礙時，細胞增殖能力變強，引起增生性疾病[3]；當成體干細胞的自我更新減弱，提前老化，或分化不全時，可導致功能細胞的形成減少，不能滿足組織器官功能的需要，導致相應器官的功能衰竭，形成退行性疾病[3]。要認知干細胞疾病，需要更好的認識胚胎期組織器官構筑過程與機制；需要建立分離成體干細胞的技術體系，獲得足夠的與機體內特性與功能一致的成體干細胞，充分探索成體干細胞的形成、分布、維持與老化機制，探索個體的成熟過程與機制、成熟個體維持與重塑過程與機制，認識成熟個體老化過程與機制，才能尋找到控制干細胞疾病的方案。