造血干細胞進展綜述

1、 干細胞生物學成體干細胞研究進展綜述 生命科學學院 食品科學與工程 201213010141 丁魯冰摘要 成體干細胞存在于人和哺乳動物的各種組織中，具有自我更新和分化潛能。已證實骨髓、神經(jīng)、肌肉、脂肪等多種組織中的干細胞具有多向分化潛能，可以打破胚層界限，橫向分化為無關(guān)組織的成熟細胞。成體干細胞具有可塑性，它及其衍生的細胞、組織或器官移植治療可能成為各種退行性疾病、腫瘤、免疫異常癥等疾病治療以及創(chuàng)傷修復(fù)、組織器官功能重建的理想措施。關(guān)鍵詞 成體干細胞；可塑性；疾病治療Abstract Adult stem cells exist in various tissues of human and

2、mammal, which have the potential of self-renewal and differentiation. The stem cells in bone marrow, nerve, muscle, fat and other tissues have the potential to differentiate, and can break the germ layer boundaries, and differentiate into mature cells. The adult stem cells are plastic, and the cell,

3、 tissue or organ transplantation therapy may be the ideal treatment for the treatment of various diseases, tumor, immune disorders and other diseases. Keywords Adult stem cell ；plasticity； disease treatment （一）、造血干細胞的概念造血干細胞(hematopoietic stem cel1HSC)是一小群具有高度自我更新和多向分化潛能的造血前體細胞。目前已證實HSC至少能夠分化成l2個系列的

4、血細胞及其它細胞，包括紅細胞、粒細胞、單核細胞、嗜酸粒細胞、嗜堿粒細胞、肥大細胞、血小板、TLC、BLC、樹突狀細胞(dendritic cell，DC)、自然殺傷細胞，以及骨髓中的成骨細胞及成纖維細胞。 （二）、造血干細胞的來源和分布關(guān)于一般造血干細胞來源于以下途徑：骨髓造血干細胞、外周造血干細胞、臍帶血造血干細胞、胎盤來源造血干細胞。造血干細胞是體內(nèi)各種血細胞的唯一來源,它主要存在于骨髓、外周血、臍帶血中、胎盤組織中。今年年初,協(xié)和醫(yī)大血液學研究所的龐文新又在肌肉組織中發(fā)現(xiàn)了具有造血潛能的干細胞。 （三）、造血干細胞的特征 骨髓中的干細胞，具有自我更新能力并能分化為各種血細胞前體細胞，最終

5、生成各種血細胞成分，包括紅細胞、白細胞和血小板。造血干細胞有兩個重要特征：其一，高度的自我更新或自我復(fù)制能力；其二，可分化成所有類型的血細胞。造血干細胞采用不對稱的分裂方式：由一個細胞分裂為兩個細胞。其中一個細胞仍然保持干細胞的一切生物特性，從而保持身體內(nèi)干細胞數(shù)量相對穩(wěn)定，這就是干細胞自我更新。另一個則進一步增殖分化為各類血細胞、前體細胞和成熟血細胞，釋放到外周血中，執(zhí)行各自任務(wù)，直至衰老死亡，這一過程是不停地進行著的。（四）、造血干細胞的造血原理 1 造血干細胞具有多潛能性，即具有自身復(fù)制和分化兩種功能。在胚胎和迅速再生的骨髓中，多處于增殖周期之中；而在正常骨髓中，則多數(shù)處于靜止期，當機體

6、需要時，其中一部分分化為成熟血細胞，另一部分進行分裂增殖，以維持的數(shù)量相對穩(wěn)定。人類首先出現(xiàn)于胚齡第周的卵黃囊，在胚胎早期（第個月）遷至肝、脾，第個月又從肝、脾遷至骨髓。從胚胎末期一直到出生后，骨髓成為的主要來源。造血干細胞進一步分化發(fā)育成不同血細胞系的定向干細胞。定向干細胞多數(shù)處于增殖周期之中，并進一步分化為各系統(tǒng)的血細胞系，如紅細胞系、粒細胞系、單核-吞噬細胞系、巨核細胞系以及淋巴細胞系。2 由造血干細胞分化出來的淋巴細胞有兩個發(fā)育途徑，一個受胸腺的作用，在胸腺素的催化下分化成熟為胸腺依賴性淋巴細胞，即T細胞；另一個不受胸腺，而受腔上囊（鳥類）或類囊器官（哺乳動物）的影響，分化成熟為囊依賴

7、性淋巴細胞或骨髓依賴性淋巴細胞，即B細胞。并分別由T、B細胞引起細胞免疫及體液免疫。如機體內(nèi)造血干細胞缺陷，則可引起嚴重的免疫缺陷病。 （五）、造血干細胞的鑒定和檢測對于HSC必須聯(lián)合應(yīng)用HSC的表型特征及體內(nèi)、體外的檢測方法進行鑒定。1、體外檢測 體外檢測即利用造血細胞的體外培養(yǎng)來檢測造血細胞增殖和分化能力的方法。常用的有以下幾種。a、 CFC檢測 集落形成細胞( colony forming cell，CFC)檢測屬于短期體外檢測(short-term invitro assay)，是用于鑒定造血祖細胞的技術(shù)。對于特定系別的細胞而言，可以根據(jù)它們對細胞因子的敏感性、生成分化細胞所需的時間和

8、克隆的大小的不同區(qū)分處于不同成熟階段的祖細胞。b、 LTC-IC、ELTC-IC和CAFC檢測長期培養(yǎng)起始細胞( LTC-IC)檢測、延長長期培養(yǎng)起始細胞(extended long-termculture initiating cell，ELTC-IC)檢測、鵝卵石區(qū)形成細胞(cobble stone area formingcell，CAFC)檢測都是體外鑒定造血干祖細胞的長期體外檢測(long-term in vitro as-say)。這些用于鑒定不成熟祖細胞的培養(yǎng)體系的培養(yǎng)時間都超過35周，這樣才能使不成熟的祖細胞有足夠的時間進行分化，并且能排除殘存的CFC的影響。 c、HPP-CF

9、C檢測 將造血細胞培養(yǎng)于含多種重組細胞因子的特殊雙層瓊脂培養(yǎng)體系中可以鑒定高增殖潛能集落形成祖細胞(highly proliferative potential colony-forming cell，HPP-CFC)，7它是經(jīng)48周體外培養(yǎng)后仍具有再接種能力的造血細胞。每個HPP-CFC克隆含50 000個以上的細胞，直徑大于0. Smm，在培養(yǎng)皿中肉眼可見。 2、體內(nèi)檢測a長期造血重建細胞的鑒定及量化 Till和McCulloch在1 961年建立的脾集落技術(shù)是HSC體內(nèi)測試的經(jīng)典方法。實際上，受體小鼠體內(nèi)存在的可移植細胞也是一個連續(xù)體，可被分為3個細胞群(Coulombel等，2004)

10、：短期生存細胞：如Till和McCulloch首先檢測到的12d的CFU-S，即移植12d后在受者脾臟中形成混合集落的細胞；前集落形成單位細胞移植2周后在受體骨髓中能檢測到它的存在，并且它在二次移植時具有生成CFU-S的能力，即骨髓再植能力(mar-row repopulating activity，MRA)；長期造血重建細胞(LTRC) b體內(nèi)檢測的動物模型 CFC和LTC-IC檢測常用于體外檢測細胞的功能特性，由于倫理原因不可能以人作為實驗對象，為了鑒定人HSC高度自我更新和長期 造血的重建性能，近幾年來人們建立了幾種動物模型以達到這一檢測目的。如：綿羊子宮內(nèi)胎羊移植系統(tǒng) 、SCID小鼠模

11、型 、SCID-Hu Bone小鼠模型和SCID-Hu Thymus小鼠模型 5、成體干細胞研究進展成體干細胞的研究始于20世紀60年代人們對造血干細胞的研究。它移植治療血液系統(tǒng)及其他系統(tǒng)惡性腫瘤、自身免疫病和遺傳性疾病等均取得令人矚目的進展，極大促進了這些疾病的治療，同時也為其他類型成體干細胞的研究和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。成體干細胞的應(yīng)用研究是再生醫(yī)學的一個重要組成部分，同時又是一個多學科交叉的領(lǐng)域，隨著對成體干細胞可塑性研究的不斷深入和臨床應(yīng)用研究的不斷擴展，成體干細胞最終走向臨床應(yīng)用的希望越來越大。 5.1 成體干細胞的可塑性 傳統(tǒng)認為,成人組織中的干細胞只能定向分化為其所在組織類型的成

12、熟細胞,但最近的一些研究結(jié)果顯示,即使干細胞已經(jīng)專門化,在某些條件下,成體干細胞具有多向分化潛能,甚至可以打破胚層界限,橫向分化為無關(guān)類型的成熟細胞4。估計體內(nèi)可能存在著處于不同分化階段和不同分化潛能的干細胞,這些干細胞在向成熟細胞分化時,可能并不直接分化成終末細胞,而是先分化成定向祖細胞,然后再經(jīng)過多次的分裂后定向分化,進一步可準確無誤地分化為有絲分裂后細胞及終末分化細胞。目前已在成人骨髓、軟骨、牙髓、血液、神經(jīng)、肌肉、脂肪、皮膚、角膜緣、肝臟、胰島等多種成體組織中發(fā)現(xiàn)了干細胞,證實許多組織中的干細胞具有多向分化潛能并以干細胞為種子培育成功一些組織器官3-7。干細胞的分化受細胞與細胞、細胞與

13、細胞外基質(zhì)間相互作用的影響,甚至連機械作用力也可以影響干細胞的分化進程。組織中的干細胞細胞因子在傳遞細胞與胞外基質(zhì)之間、細胞與細胞之間的信息中起重要作用。5.2 成體干細胞可塑性的依據(jù) 骨髓間質(zhì)干細胞 骨髓間質(zhì)干細胞具有向多種中胚層和神經(jīng)外胚層來源的組織細胞分化的能力,這些細胞包括肌細胞、肝細胞、成骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞、皮膚細胞、神經(jīng)細胞、脂肪細胞等,也可以分化為造血干細胞和基質(zhì)細胞,在一定條件下,還可以形成肌小管和肌腱6-8。當把人MMSC植入正常發(fā)育至免疫系統(tǒng)開始發(fā)育前后的綿羊早期胚胎內(nèi),它可隨胚胎發(fā)育而進入多種組織中,分化為相應(yīng)組織類型的成熟細胞,包括肌腱、脂肪、骨骼肌、心肌、骨

14、髓基質(zhì)及胸腺基質(zhì)細胞等 9-11 。將流產(chǎn)胎兒體內(nèi)的MMSC干細胞植入人為誘發(fā)病變的實驗鼠肝臟內(nèi),發(fā)現(xiàn)干細胞在實驗鼠體內(nèi)長為肝細胞,病鼠肝臟恢復(fù)正常功能10。 神經(jīng)干細胞 神經(jīng)干細胞存在于胚胎神經(jīng)系統(tǒng)及成年腦的某些特定部位,其特征性的抗原為神經(jīng)巢蛋白12,13。從成年哺乳動物腦中分離出的NSC,能在體外長期培養(yǎng)并保持多向分化潛能。將體外培養(yǎng)、擴增后的NSC注入成年大鼠的海馬、小腦等處,可分化成與環(huán)境相對應(yīng)的神經(jīng)元細胞。最近,有人從成年人的嗅球部位分離得到了NSC,表明成人的嗅球有再生的潛能,可作為移植神經(jīng)干細胞的來源12。在體外培養(yǎng)條件下,寡突膠質(zhì)細胞的前體在特定情況時可重新程序化而形成多能神

15、經(jīng)干細胞,后者則可分化成為神經(jīng)元細胞,這一發(fā)現(xiàn)為獲得神經(jīng)干細胞提供了又一新途徑。 皮膚干細胞 皮膚皮脂腺開口處與立毛肌毛囊附著處之間的毛囊外根鞘處含有豐富的干細胞，表皮基底層中有1%10%的基底細胞為干細胞,隨著年齡的增大,干細胞的數(shù)量也隨之減少 14 。表皮多種相關(guān)細胞因子或天然物質(zhì)、異體或異種皮膚覆蓋等可刺激創(chuàng)面周圍及底部殘存的表皮干細胞增值、分化、移行，可促進受損部位皮膚干細胞的再生和分化。從鼠皮膚分離獲得的干細胞可轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元細胞、神經(jīng)膠質(zhì)細胞、平滑肌細胞和脂肪細胞等 15 。其它干細胞 最近發(fā)現(xiàn)脂肪組織中含有豐富的AS細胞,這類細胞具有與MMSC相似的多向分化潛能,可在體外被誘導(dǎo)分化

16、為神經(jīng)、肌肉、骨、脂肪等16。胰腺干細胞也是目前研究的熱點之一,已從胰導(dǎo)管分離獲得胰干細胞,并在體外誘導(dǎo)培養(yǎng)為胰島素分泌細胞。將體外培養(yǎng)的鼠胰干細胞經(jīng)體外誘導(dǎo)成成熟胰島后移植到非肥胖型糖尿病模型鼠體內(nèi)可以完全緩解模型鼠對胰島素的依賴17。將體外擴增后胰干細胞置于薄層基質(zhì)上培養(yǎng),會形成胰島樣三維結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)成熟胰島細胞表面標志,分泌胰島素。角膜上皮細胞來自于角膜緣干細胞,業(yè)已證明眼角膜緣含有豐富的干細胞,角膜緣受損后,結(jié)膜上皮長入角膜表面,新生血管生成,角膜上皮結(jié)膜化18。6、 結(jié)語成體干細胞的研究對推動整個干細胞研究和揭示個體發(fā)育過程的機制有重要意義，在推動醫(yī)學發(fā)展的進步和防病治病、增進健康方面

17、也具有誘人的前景。一方面，在成體組織中廣泛存在有不同階段不同發(fā)育潛能的原始細胞，可以通過動員和調(diào)控局部組織具有較強發(fā)育潛能的細胞生成終末細胞參與組織原位的修復(fù)與再生，為組織再生修復(fù)與原位重建提供新的思路19。另一方面，研究成體組織中早期發(fā)育階段保留下來的不同潛能的原是多能細胞的分離與生物學性狀將在細胞替代治療、基因治療和組織工程中均有重要的前景，特別是有望解決自體應(yīng)用細胞的來源限制，使自體移植更廣泛和可行。此外，成體干細胞與腫瘤細胞比較生物學也是一個需要重新關(guān)注的重要領(lǐng)域20.【參考文獻】1 Lovel-Badge R. The future for stem cell research. N

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