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干细胞是治疗多种疾病的新希望吗?
  发布日期:2011-05-06  |  来源:  |      

干细胞是在多细胞组织中发现的一种“原性”细胞,它们具有自我更新和分化成多种特定组织的能力。干细胞广泛存在于动、植物体内,相比动物干细胞,植物干细胞的全能性更强,比如顶端分生组织(apical meristem),它们可以分化成植物体的各个部分。动物干细胞研究工作的开展,起源于加拿大科学家Ernest A. McCulloch 和James E. Till的实验,他们在对小鼠进行骨髓移植时发现一些脾脏细胞实际上来源于骨髓移植细胞[1]

动物干细胞按照不同的划分标准,可以分为多种不同的种类。从囊胚内细胞团分离而来的干细胞称为胚胎干细胞,而从孤雌胚胎中分离得到的干细胞,被称为孤雌胚胎干细胞。相应地,从不同成体组织中分离而来的干细胞则称为成体干细。1981年,Martin Evans,Matthew Kaufman和Gail R. Martin第一次成功地分离出小鼠的胚胎干细胞。1998年James Thomson又首先成功分离出人类的胚胎干细胞。胚胎干细胞的成功分离及体外培养方法的不断成熟,为其临床应用提供了先决条件。我们所说的成体干细胞又可分为造血干细胞,乳腺干细胞、间充质干细胞、内皮干细胞、神经干细胞、以及睾丸干细胞等多种不同的种类。而这些细胞并不是只具有单一的分化能力,如造血干细胞甚至可以分化成神经细胞,但与胚胎干细胞相比,其多能性明显降低。

那么,干细胞到底有哪些神奇之处,让全世界的科学家和大众都对它如此着迷?最重要的原因在于,干细胞具有两个普通细胞所不具有的“看家本领”。这两个本领,一个是干细胞自我更新的能力,另一个,则是干细胞强大的分化能力——多能性或全能性。在众多种类的动物干细胞中,分化能力最强的是胚胎干细胞,它具有分化成为个体身上所有200多种细胞的能力。而干细胞的自我更新能力,理论上能够使人们可以得到无限多的干细胞。干细胞的这两种本领被揭示之后,人们心中就燃起了一个愿望:也许能够通过干细胞的分化,来获得不同的体细胞,进一步作为细胞移植和细胞治疗的材料。干细胞,这么一个小小的生命单元,成为了治疗人类疾病的新希望。

想要让希望变成现实,使干细胞移植成为治疗多种疾病的首选方法,科学家们需要战胜很多困难。首先要解决的问题,是如何获得大量的干细胞。2006年,日本科学家通过特定因子(Oct4、Sox2、c-MYC和Klf4)的诱导,成功地在体外将小鼠胎儿成纤维细胞转变为诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS)[2]。这一发现立刻在胚胎干细胞研究领域引起了巨大轰动,并极大推动了这一领域的相关研究。时至今日,科学家们已成功的获得了小鼠及人类的iPS细胞;与此同时,iPS也已经被证明是一种具有“真正的全能性”的细胞。iPS的出现有效地解决了干细胞的来源问题,避免了之前利用胚胎干细胞所引起的诸多伦理道德问题,为干细胞在人类临床治疗中的应用开辟了新的天地。但是,制备iPS细胞需要人为地导入基因并使其表达,会带来和转基因一样的生物安全性问题。如何通过非基因导入途径高效地制备iPS,是未来干细胞研究的一个重要课题。

通过干细胞移植治疗疾病面临的另一个问题是,什么样的细胞才是适合进行移植的?是将干细胞分化成体细胞之后,再移植到病人体内,还是直接用干细胞移植?由于胚胎干细胞分化能力太强,如果直接移植到动物体内,可能会在原位产生一个“肿瘤”;而且由于胚胎干细胞是来自于早期的胚胎,因而在研究与应用中就不可避免的会面对诸多伦理道德方面的争议。成体干细胞增殖能力不强,也不容易在宿主体内存活,所以目前一般是考虑用成体干细胞进行移植治疗。目前在临床上使用的最多的干细胞,主要有骨髓间充质干细胞和造血干细胞。这两类细胞中,前者来源广泛、免疫耐受性较好,且具有一定的分化潜能[3];后者在治疗自身免疫性疾病等方面具有优势。尽管如此,目前的干细胞治疗都只能缓解病情,而不能根治疾病。

干细胞临床应用有异体移植和自体移植两种。异体移植的干细胞主要应用于自身免疫疾病的治疗,为了消除患者的免疫系统对自身组织的排斥,需要用捐献者的干细胞来对患者的免疫系统进行“再造”,而异体干细胞移植在治疗损伤性疾病时,则通常无法避免免疫排斥这一重大困难。自体移植则是取出患者自身的骨髓干细胞,体外培养后移植回病人体内[4,5]。这种方法避免了免疫排斥的问题,多用于白血病,淋巴瘤和多种实体瘤的治疗。然而,无论是自体移植还是异体移植,都有自己的缺陷。异体移植会导致免疫排斥,而自体移植可以治疗的疾病范围太过狭窄。利用iPS技术可以解决这两个问题:患者自己的体细胞诱导成的iPS细胞,不会引发自身的免疫排斥,而iPS细胞和胚胎干细胞相近的增殖和分化能力,则可能在不久的将来应用到更广泛的领域中。

从理论上讲,干细胞具有分化为各种细胞的潜能。利用移植的干细胞治疗疾病时,一般是希望让干细胞分化为某一种或某几种类型的细胞。但是,控制干细胞向某一种细胞类型分化,涉及内在和微环境因素的复杂调控。阐明相关的调控机制,对于干细胞的有效、适当的应用具有非常重要的意义。

由于干细胞的相关机制的研究尚未到达足够的深度,现在想要广泛的应用于临床还为时过早,就算是小范围应用,也必须在严格的监管下进行,才能维护科学的严谨性,保护患者的权益[6]。另一方面,对干细胞和相关领域的研究正在如火如荼地进行。相信在不久的将来,当人们对干细胞及其分化、更新和移植的机制有了深刻的了解之后,这颗医学新星将会成长为一颗真正的“医学明星”,在治疗多种疾病上发挥重要作用。随着干细胞技术的研究与应用的不断地深化和发展,干细胞将为人类展现出一幅神奇、奥妙的图景,并造福于人类。(动物所 / 周琪)

参考文献:

1 Becker AJ, McCulloch EA, Till JE. Cytological demonstration of the clonal nature of spleen colonies derived from transplanted mouse marrow cells. Nature, 1963, 197: 452–454.

2 Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell, 2006, 126:663-676.

3 徐隋意,李光来.人骨髓间充质干细胞向神经元样细胞诱导分化.中国组织工程研究与临床康复,2009,13:5385-5388.

4 朱应合, 韩金铃, 刘彦平, 等.自体骨髓干细胞经肝动脉移植治疗急性肝损伤的实验研究. 介入放射学杂志,2009,18:529-533.

5 党懿,齐晓勇,孟存良, 等.骨髓间充质干细胞体外诱导培养后的电生理特性. 中国组织工程研究与临床康复,2009,13:5261-5264.

6 李万刚.干细胞治疗:需要监督的梦想. 科技新时代,2009,7:17-18

【来源:《10000个科学难题——生物学卷》P228-230。】

【本文为动物所科研人员原创文字;本文不得转载,不得用于商业用途!】
 

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