干細(xì)胞技術(shù)的研究熱點領(lǐng)域與最新進(jìn)展

1、生物技術(shù)進(jìn)展年 第 卷 第 期 進(jìn)展評述Reviews 收稿日期 ：；接受日期 ：作者簡介 ：熊 鷹 ，本科 ，研究方向為生物科學(xué) ： 通信作者 ：王 琦 ，副教授 ，碩士 ，主要從事動物保護(hù)及生理生態(tài)學(xué)研究 ：干細(xì)胞技術(shù)的研究熱點領(lǐng)域與最新進(jìn)展熊 鷹 ， 余歡歡 ， 張龍威 ， 王 琦 陜西理工學(xué)院生物科學(xué)與工程學(xué)院 ，陜西 漢中 摘 要 ：近兩年在干細(xì)胞分離鑒定 誘導(dǎo)分化 重編程調(diào)控機制 可塑性與疾病治療等方面取得了重大突破 ，使得干細(xì)胞 技術(shù)從一種實驗室概念逐漸轉(zhuǎn)變成用于醫(yī)學(xué)治療的實際手段 本文分別從以上四個熱點領(lǐng)域介紹了 年國內(nèi) 外干細(xì)胞的最新研究進(jìn)展 ，并對干細(xì)胞研究中存在的問題進(jìn)行

2、了初步分析 ，為研究者提供參考 關(guān)鍵詞 ：干細(xì)胞 ；研究熱點 ；進(jìn)展 ：，：，：； 干細(xì)胞是人體及其各種組織細(xì)胞的最初來 源 ，因其具有高度自我復(fù)制 增殖和多向分化的潛 能 ，而成為國際生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點 年 ，英國科學(xué)家 和日本科學(xué)家 因在細(xì)胞核重新編程研究領(lǐng)域 做出革命性貢獻(xiàn) ，而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎 ，干細(xì)胞技術(shù)突飛猛進(jìn) 雖然干細(xì)胞的研究具有不 可估量的醫(yī)學(xué)價值和誘人的應(yīng)用前景 ，但在干細(xì) 胞誘導(dǎo) 分化調(diào)節(jié)機制等方面仍然存在不少問題 從 年國內(nèi)外干細(xì)胞的最新研究進(jìn)展 來看 ，研究的熱點領(lǐng)域涵蓋了干細(xì)胞分離鑒定 誘 導(dǎo)分化 重編程調(diào)控機制 可塑性與疾病治療等方 面 隨著分子生物學(xué)

3、技術(shù)的發(fā)展 ，基因組分析 單 細(xì)胞測序等技術(shù)的運用 ，新發(fā)現(xiàn)的一些實驗證據(jù) 使以往的重要認(rèn)識產(chǎn)生動搖甚至顛覆 ，干細(xì)胞研 究領(lǐng)域的爭論不斷出現(xiàn) 而另一些新技術(shù) ，如 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù) ，則加快了干細(xì)胞的實際應(yīng)用 干細(xì)胞的分離鑒定干細(xì)胞的分離鑒定是研究干細(xì)胞生物學(xué)特性 的基礎(chǔ) ，大量研究集中在對干細(xì)胞表面標(biāo)志物和 多向分化潛能的鑒定上 對不同組織來源的干細(xì) 胞進(jìn)行分離鑒定的一些結(jié)果表明 ，在干細(xì)胞分化 和轉(zhuǎn)歸的方向上 ，其所處的微環(huán)境有著重要意義 等 在卵巢表面上皮細(xì)胞 （，）間皮和輸卵管上皮之間 的過度或交界區(qū)域 ，確認(rèn)了一個干細(xì)胞小生境 ，包 含有癌癥傾向的干細(xì)胞 ，能在排卵期修復(fù)受損的 卵巢上

4、皮細(xì)胞 ，而且很容易轉(zhuǎn)化為腫瘤細(xì)胞 成 體干細(xì)胞在兩種上皮細(xì)胞之間的交界地區(qū)存在 ，這樣的干細(xì)胞小生境易發(fā)生癌癥 在其他器官 ，如子宮頸和肛門 ，類似的接合區(qū)域也可以包含癌 癥傾向的干細(xì)胞小生境 ，從而能夠解釋這些區(qū)域惡變的易感性 這可能成為一個有吸引力的模式 以進(jìn)一步研究在交界區(qū)域的干細(xì)胞小生境能夠執(zhí) 行上皮再生功能的分子和細(xì)胞機制 ，并且可能有 助于了解卵巢癌等類似癌癥的發(fā)病機制 造血干細(xì)胞 （）可 大致分為偏向生成淋巴或骨髓血細(xì)胞的兩種亞 型 ，但是否存在其他偏好性的亞型 ，這些亞型在何 種條件下產(chǎn)生并維持其偏好性 ，以及它們之間的 相互關(guān)系等還不清楚 等 在小鼠 體內(nèi)鑒定出一種血小板偏

5、好性造血干細(xì)胞 ，而且 發(fā)現(xiàn)該 亞型可以組織成一個細(xì)胞層次 ，位于細(xì)胞層次的頂端 ，主要分化為血小板 ，補充 免疫系 統(tǒng) 中 的 關(guān) 鍵 性 血 細(xì) 胞 分 離 鑒 定 此 類 ，分析其細(xì)胞標(biāo)志物與標(biāo)志物的變化 ，對于骨 髓移植和化療后造血功能重建很有意義 同時也 提示在干細(xì)胞功能活躍的造血干細(xì)胞 中 ，干 細(xì)胞所處的細(xì)胞層次可能影響其分化偏好性或者 其分化偏好性影響了其聚類成不同的細(xì)胞層次 上述基于微環(huán)境差異分離鑒定特征性干細(xì)胞的研 究有助于理解成體干細(xì)胞或造血干細(xì)胞的發(fā)生與 作用機制 干細(xì)胞的分離鑒定不僅僅是干細(xì)胞研 究的基礎(chǔ)手段 ，更可為干細(xì)胞在誘導(dǎo)分化 重編程 以及疾病治療等方面的研究

6、提供依據(jù) 干細(xì)胞的誘導(dǎo)分化干細(xì)胞誘導(dǎo)分化最近的研究集中在采用病毒 轉(zhuǎn)錄 因 子 多 聚 嘧 啶 序 列 結(jié) 合 蛋 白 （，）活性抑制 代 謝調(diào)控或化學(xué)因子調(diào)控等方法來誘導(dǎo)干細(xì)胞的分 化 等 利用逆轉(zhuǎn)錄病毒的 種轉(zhuǎn)錄因 子 ，首次實現(xiàn)了將人類成纖維細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化為視 網(wǎng)膜色素上皮樣細(xì)胞的技術(shù)突破 ，為人類視網(wǎng)膜 變性和老年性黃斑變性等視網(wǎng)膜退行性疾病的疾 病模型 細(xì)胞治療和藥物篩選提供了新的途徑 人為誘導(dǎo)分化需要解決分化細(xì)胞不同步 不均一 以及潛在癌變風(fēng)險的問題 等 利用心 肌細(xì)胞和未分化細(xì)胞的葡萄糖和乳酸代謝的顯著 差異 ，將多能干細(xì)胞 （，）培養(yǎng)成為大量高純度的心肌細(xì)胞 ，該方法比現(xiàn)有 技術(shù)

7、效率更高 成本更低 ，并且得到的心肌細(xì)胞幾 乎不存在癌化風(fēng)險 體外誘導(dǎo)分化最直接的應(yīng)用 靶向于組織器官的構(gòu)建與移植 等 利用化學(xué)因子成功地將人 細(xì)胞轉(zhuǎn)化成了功能性的 肺細(xì)胞和呼吸道細(xì)胞 模擬自然狀態(tài)下的三維環(huán) 境 ，能夠較容易獲得體外誘導(dǎo)培養(yǎng)困難的特異細(xì) 胞 類 型 如 ，等 利 用 人 胚 胎 干 細(xì) 胞（，）和 細(xì) 胞 （，），經(jīng)生長因子誘導(dǎo)培養(yǎng) 成具有腎臟性質(zhì)的中胚層細(xì)胞 ，再通過 細(xì)胞 培養(yǎng)技術(shù) ，獲得了與腎臟相似的三維組織結(jié)構(gòu) ，打 破了只能人工誘導(dǎo)產(chǎn)生腎臟前體細(xì)胞的限制 ，為 腎臟的構(gòu)建提供了一個平臺 此外 ，對造血干細(xì) 胞轉(zhuǎn)化為免疫細(xì)胞的時機有了新的認(rèn)識 ，從而加 深了對造血干細(xì)

8、胞誘導(dǎo)分化的機制的理解 等 利用一種新型微流體技術(shù)證實 ，在感染存在 條件下 ，造血干細(xì)胞能夠直接將病原入侵信號轉(zhuǎn) 換為細(xì)胞因子信號 ，非常迅速地生成大量 多種細(xì) 胞因子 ，并快速生成新免疫細(xì)胞 ，參與炎癥反應(yīng) 造血干細(xì)胞具有與其分化的免疫細(xì)胞相似的捕捉 危險信號的能力 ，外源壓力刺激通過信號轉(zhuǎn)換來 誘導(dǎo)干細(xì)胞分化 ，因此 ，有可能產(chǎn)生在細(xì)胞水平上 的新的誘導(dǎo)分化方法 干細(xì)胞重編程及其調(diào)控機制重編程是指已分化細(xì)胞轉(zhuǎn)化成具有分化能力 的干細(xì)胞 等 將 個轉(zhuǎn)錄因子 轉(zhuǎn)入實驗老鼠的成纖維細(xì)胞 ，制 造出的一種類似人體造血干細(xì)胞的細(xì)胞類型 ，有 望解決血液供給問題 等 用麻風(fēng)桿菌 感染小鼠雪旺細(xì)胞 ，

9、發(fā)現(xiàn)該細(xì)菌對細(xì)胞進(jìn)行了重 編程 ，使其恢復(fù)到一種類似干細(xì)胞的未分化狀態(tài) ，再將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧蛹?xì)胞 ，使得病菌感染得以擴(kuò)散 雪旺細(xì)胞能夠轉(zhuǎn)變?yōu)樾迯?fù)細(xì)胞 ，幫助修復(fù)受損神 經(jīng) ，細(xì)菌利用了這種細(xì)胞小生境的可塑性機制 ，通 過分化相關(guān)基因的上調(diào)或下調(diào) ，實現(xiàn)對成體細(xì)胞 的重編程 干細(xì)胞重編程受到細(xì)胞因子的調(diào)控 ，主要包 括分化抑制因子和生長因子兩類 通過對干細(xì)胞 重編程及其細(xì)胞因子調(diào)控機制的研究 ，有利于高 效而高量地制造用于醫(yī)學(xué)治療的干細(xì)胞 等 通過刪除轉(zhuǎn)錄因子 ，發(fā)現(xiàn) 是 自我更新和分化的調(diào)節(jié)因子 ，并受 信 號通路的調(diào)控 ，對骨髓移植和基因治療具有重要 作用 等 發(fā)現(xiàn)了激活的 分子能 熊 鷹 ，

10、等 ：干細(xì)胞技術(shù)的研究熱點領(lǐng)域與最新進(jìn)展抑制腦內(nèi)神經(jīng)干細(xì)胞的再生 ，并揭示了其抑制機 制 ，有利于腦卒中治療 等 發(fā)現(xiàn)利用小 鼠 細(xì)胞與人類成纖維細(xì)胞融合的異核體 ，能 使重編程后的多能性更有效 ，而且用 短暫培 養(yǎng)細(xì)胞 ，可以不需 因子誘導(dǎo) ，從而降低癌癥 基因的表達(dá) ，使構(gòu)建的 細(xì)胞更安全地用于疾 病治療 等 研究發(fā)現(xiàn) ，在 細(xì)胞誘導(dǎo) 過程中 ，能夠在重編程的早期通過 復(fù) 合 物 ，啟 動 自 噬 調(diào) 節(jié) ，參 與 細(xì) 胞 的 重 編 程 ü等 研究發(fā)現(xiàn) 和 細(xì)胞可以促使骨 髓基質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞因子的釋放 ，從而刺激造血祖細(xì)胞 （，），達(dá)到調(diào)控 人體 自 身 防 御 機 制 的 目 的

11、 等 使 用 和 四種誘導(dǎo)因子 ，在活鼠 體內(nèi)多個器官誘導(dǎo)形成畸胎瘤 ，證明了體內(nèi)重編 程的可行性 ，而且出現(xiàn)在血循環(huán)中的體內(nèi)重編程 細(xì)胞的全能性比體外產(chǎn)生的 細(xì)胞要高 ，在 轉(zhuǎn)錄水平上更接近于 ，同時比 處于更加原 始的細(xì)胞狀態(tài) ，可塑性更強 這對于腫瘤的發(fā)生 機制研究非常有價值 可塑性與疾病治療干細(xì)胞在疾病治療方面的研究主要集中在建 立疾病模型 組織工程 （器官誘導(dǎo) ）細(xì)胞治療 （腫 瘤治療 ）藥物篩選等領(lǐng)域 ，而干細(xì)胞的 可塑性 在這些領(lǐng)域中扮演了重要的角色 一些成體干細(xì) 胞 ，如心肌干細(xì)胞 神經(jīng)膠質(zhì)干細(xì)胞等具有可塑 性 研究干細(xì)胞微環(huán)境與干細(xì)胞的可塑性之間關(guān) 系 ，結(jié)合重編程的分子機制

12、的研究 ，應(yīng)用于組織工 程方面 ，可通過體內(nèi)或體外誘導(dǎo) ，初步獲得心臟 肝臟 內(nèi)耳等器官的類似結(jié)構(gòu) 可塑性當(dāng)將成體干細(xì)胞暴露于新環(huán)境時 ，它們會有 很強的可塑性 干細(xì)胞的可塑性 ，是干細(xì)胞用于 疾病治療的關(guān)鍵 等 利用不同的彌散 性心肌損傷造成的急性心力衰竭大鼠模型 ，發(fā)現(xiàn) 受損的心肌細(xì)胞能通過心臟干細(xì)胞 （，）再生恢復(fù)心臟功能 ，有望用于預(yù)防和 治療人類心力衰竭 等 將人體神經(jīng)膠質(zhì) 祖細(xì)胞 （，）植入小鼠體 內(nèi) ，發(fā)現(xiàn)這些人體細(xì)胞能明顯提高小鼠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)的學(xué)習(xí)能力和可塑性 ，為醫(yī)學(xué)界提供了一個了 解和治療神經(jīng)障礙的新工具 組織工程與細(xì)胞治療目前 ，人類組織或器官受損治療 ，主要依靠器 官捐

13、獻(xiàn) ，難以滿足患者的需求 ，干細(xì)胞具有分化為 不同組織或器官的能力 ，通過體外或體內(nèi)誘導(dǎo) ，獲 得人造器官 ，是解決醫(yī)療臟器問題的關(guān)鍵 干細(xì) 胞所處的培養(yǎng)環(huán)境對其成功分化意義重大 組織 原位能夠激發(fā)多能干細(xì)胞分化潛能 ，使其分化出 多種 相 關(guān) 細(xì) 胞 類 型 來 組 織 成 功 能 性 器 官 等 將人類干細(xì)胞誘導(dǎo)分化的多能心血管祖細(xì) 胞注入小鼠的脫細(xì)胞心臟 ，發(fā)現(xiàn)多能心血管祖細(xì) 胞通過遷移 ，原位增殖并分化成心肌細(xì)胞 平滑肌 細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞 ，重建了脫細(xì)胞的心 ，而且人造心 臟組織具有自發(fā)收縮性 ，能產(chǎn)生機械力和藥物應(yīng) 答 ，有望用于未來的器官移植和新藥研發(fā) 聯(lián)合 多種分化潛能不同的細(xì)胞

14、，可幫助組建起器官雛 形 等 將人類 細(xì)胞與人類臍靜脈 內(nèi)皮細(xì)胞 間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng) ，形成了具有與人 類肝臟功能相似的三維肝芽 還有許多研究傾向 于采 用 更 為 簡 便 和 更 有 確 定 性 的 方 法 如 ，等 使用三維細(xì)胞培養(yǎng)方法 ，誘導(dǎo)實驗 鼠的胚胎干細(xì)胞發(fā)育成了內(nèi)耳的關(guān)鍵結(jié)構(gòu) ，有助 于科學(xué)家們更好地理解內(nèi)耳的發(fā)育過程 ，并構(gòu)建 出新的疾病模型 ，為聽力損失和平衡失調(diào)尋找新 的藥物和療法 等 結(jié)合遺傳修復(fù)技術(shù) 與細(xì)胞重編程技術(shù) ，在小鼠模型中獲得了能再生 出肌肉的干細(xì)胞 ，可以用于治療杜氏肌營養(yǎng)不良 癥 等 在已經(jīng)成熟的腫瘤免疫細(xì)胞治 療技術(shù) ，如 細(xì)胞治療技術(shù) （）中 ，采用

15、細(xì) 胞生成了靶向 的 淋巴細(xì)胞 ，在移植瘤模 型中 ，能 夠 抑 制 小 鼠 腫 瘤 的 生 長 ，可 用 于 腫 瘤 治療 干細(xì)胞研究中存在的問題雖然干細(xì)胞技術(shù)已取得了重大的突破 ，但是 仍面臨許多方面的問題 ，影響干細(xì)胞技術(shù)的應(yīng)用 干細(xì)胞的培養(yǎng)干細(xì)胞培養(yǎng)條件是干細(xì)胞技術(shù)的基礎(chǔ) ，干細(xì) 胞常規(guī)培養(yǎng)對環(huán)境條件的要求極為苛刻 ，雖然已 有研究者報道不用滋養(yǎng)層細(xì)胞和動物血清 ，簡單生物技術(shù)進(jìn)展 高效地培養(yǎng) 細(xì)胞 ，同時減少移植過程中引發(fā) 感染風(fēng)險的方法 ，但是簡化 完善和規(guī)范培養(yǎng)條件 仍然是科學(xué)家面臨的一大難題 倫理問題與 細(xì)胞的研究自 年克隆羊多利誕生以來 ，胚胎干細(xì)胞 研究涉及到的倫理 宗教

16、道德 法律等問題 ，存在 爭議 ，嚴(yán)重阻礙了干細(xì)胞技術(shù)用于人類疾病治療 的發(fā)展 細(xì)胞實現(xiàn)將成熟體細(xì)胞誘導(dǎo)成具有 分化潛能的干細(xì)胞 ，使得干細(xì)胞技術(shù)不再受制于 細(xì)胞所面臨的倫理問題 但由于 細(xì)胞的 制備需通過病毒轉(zhuǎn)染 ，且誘導(dǎo)效率一直比較低 ，重 現(xiàn)性較差 陸續(xù)出現(xiàn)的其他 細(xì)胞的制備方法 或改進(jìn) ，亦尚未有大的突破 細(xì)胞在誘導(dǎo)過 程中積累的異常表觀修飾是否會影響其多能性尚 不清楚 ，僅有零星報道 ，等 發(fā)現(xiàn) 基 因的低甲基化會導(dǎo)致 細(xì)胞的多功能性降低 誘導(dǎo)分化的調(diào)節(jié)因子及機制干細(xì)胞誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)因子及其調(diào)控機制尚未清 晰 ，要誘導(dǎo)產(chǎn)生某種類型的組織或器官 ，必須了解 各種細(xì)胞因子的作用機制及其作用的

17、時期 ，否 則可能獲得功能不完善的器官或組織 此外 ，對于損傷修復(fù)中干細(xì)胞參與作用的機制與分化方 向研究證據(jù)不足 ，心肌再生干細(xì)胞療法的假陽性 問題 ，以及 陽性心肌干細(xì)胞在心機功能恢復(fù) 中對心肌再生貢獻(xiàn) 引發(fā)的爭議受到廣泛關(guān)注 定向誘導(dǎo)體外或體內(nèi)誘導(dǎo)干細(xì)胞分化成組織特異性細(xì) 胞或者使體細(xì)胞經(jīng)中胚層細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)分化為其他 細(xì)胞類型目前還存在很多不確定性 ，尤其對于腎 臟 心臟等細(xì)胞譜系復(fù)雜的組織器官 采用干細(xì) 胞治療難以確保心臟祖細(xì)胞分化成功能性心室心 肌細(xì)胞 ，以及難以確保能將分化的細(xì)胞輸送和集 成到患者的心室肌中 ，很難定向形成組織或器官 誘發(fā)腫瘤等 在誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞時發(fā)現(xiàn) ，混雜未分化細(xì)胞移

18、植會導(dǎo)致腫瘤 ，在移植過程中 ，部分誘導(dǎo)細(xì)胞會表現(xiàn)出致腫瘤性 目前 ，使用的 誘導(dǎo)因子有 和 ，但有些誘 導(dǎo)因子 ，如 雖然能夠誘導(dǎo)干細(xì)胞的分化但 使腫瘤的發(fā)生頻率明顯提高 ，其對人類干細(xì)胞可 能具有致腫瘤性 ，誘導(dǎo)器官或組織衰老通過干細(xì)胞誘導(dǎo)獲得的組織或器官 ，雖然在 形態(tài)和結(jié)構(gòu)上是新生結(jié)構(gòu) ，但是與其細(xì)胞核內(nèi)遺 傳物質(zhì)的衰老同步 ，用患者細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生的器官 或組織無法保證正常功能 免疫排斥干細(xì)胞療法面臨的瓶頸是移植后的免疫排 斥 細(xì)胞的產(chǎn)生被認(rèn)為解決了 細(xì)胞存在 的免疫排斥問題 ，但也有報道稱 細(xì)胞誘發(fā)自 身免疫反應(yīng) 雖然細(xì)胞或器官移植后 ，可使用免 疫抑制劑抑制排斥反應(yīng) ，但是長期使用免疫抑制 劑有很大毒性及其他副作用 為了實現(xiàn)干細(xì)胞治愈疾病的潛能 ，必須更加 深入地了解調(diào)控干細(xì)胞的增殖與定