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人胚胎干細(xì)胞

人胚胎干

202414上海市第85醫(yī)院兒科

1998年11月,美國(guó)James和JohnGearhart領(lǐng)導(dǎo)的2個(gè)科學(xué)小組分別闡

述如何利用囊胚和原始的胚胎生殖細(xì)胞培育出可能的人全能型胚胎干細(xì)胞(ESce

lls)和胚胎生殖細(xì)胞系(EGcells)[1,2]。ES細(xì)胞最引人關(guān)注的2條特征

是:ES細(xì)胞能在體外條件下生長(zhǎng),在原始的去分化條件下能夠無(wú)限地分裂;同時(shí)在體

外培育的全部時(shí)間內(nèi)都能保持胚胎來(lái)源細(xì)胞的一個(gè)關(guān)鍵性特征—全能性,即發(fā)育成

成體中各種細(xì)胞的力量。

ES細(xì)胞的應(yīng)用前景非常令人鼓舞。胚胎干細(xì)胞可以作為討論人類胚胎發(fā)育、出

生缺陷及胚胎瘤等疾病的新的手段;可以用于至今為止尚未進(jìn)行的關(guān)于的方法;制造

人類疾病模型以利用于基礎(chǔ)討論、藥物開發(fā)和毒理學(xué)討論,假如克隆技術(shù)可以從患

者自體組織中獲得干細(xì)胞,則它們可解決用于治療退行性疾病的組織短缺以及結(jié)束

在移植治療中使用免疫抑制劑;另外干細(xì)胞還可以用來(lái)作為基因治療的一種新的基

因運(yùn)載系統(tǒng)??傊?,其前景非常廣泛。

1胚胎干細(xì)胞的一般定義特征

考慮到ES或EG細(xì)胞的特性,可以認(rèn)為有一些表型是全部的ES細(xì)胞都應(yīng)當(dāng)具有的

,其他一些特點(diǎn)可能是屬于從不同種屬或不同組織中分別出來(lái)的某種特定全能性細(xì)

胞所特有,或表現(xiàn)出在胚胎發(fā)育過(guò)程中某個(gè)特定階段所具有的特征。一般認(rèn)為全能

性干細(xì)胞所應(yīng)具有的特征如下:(1)來(lái)源于一個(gè)全能性的細(xì)胞群體;(2)具有正常

的細(xì)胞核型;(3)具永生性,在胚胎狀態(tài)下能無(wú)限制的分裂;(4)培育的細(xì)胞株在

體外或在畸胎瘤中能自發(fā)分化成胚胎外組織(extraembryonictissues)和分屬所

有3種胚層的體細(xì)胞。但到目前為止,全部已培育勝利的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,除小鼠

外,靈長(zhǎng)類動(dòng)物ES細(xì)胞只滿意上述4條標(biāo)準(zhǔn)的前3條。一些討論人員將ES細(xì)胞的定義

限定為那些能分化成包括生殖細(xì)胞在內(nèi)的全部的細(xì)胞。但出于倫理上的緣由,來(lái)源

于人的ES細(xì)胞不行能進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證是否滿意這一標(biāo)準(zhǔn)。因此,假如來(lái)源于人的細(xì)

胞能滿意其他3條關(guān)于ES細(xì)胞的一般定義,我們就認(rèn)為它屬于ES細(xì)胞。需要指出的

是,要從體外培育或畸胎瘤試驗(yàn)驗(yàn)證一個(gè)ES細(xì)胞能否分化成全部組織類型的細(xì)胞是

非常困難的,由于不論在體外培育條件下或畸胎瘤中,一些組織都是非常罕見(jiàn)的。

2胚胎干細(xì)胞的最新討論

JamesThomson和同事于1998年報(bào)道利用治療不孕癥所遺棄的囊胚分別出ES細(xì)

胞。他們所使用的技術(shù)與分別小鼠ES細(xì)胞相像:將可能抑制ES細(xì)胞培育的滋養(yǎng)外胚

層去除,內(nèi)層細(xì)胞團(tuán)移植到小鼠胚胎來(lái)源的成纖維細(xì)胞飼細(xì)胞層上,經(jīng)過(guò)短暫的粘

附和綻開的過(guò)程,將細(xì)胞重新分散(disaggregated)并轉(zhuǎn)移到另外的飼細(xì)胞層,

在培育基和培育系統(tǒng)與方面,培育人ES細(xì)胞與小鼠ES細(xì)胞并沒(méi)有太大的不同,而且

人ES細(xì)胞的勝利率相對(duì)還要高一些。Thomson等人培育猴ES細(xì)胞的工作無(wú)疑對(duì)他們

首先勝利培育人ES細(xì)胞是有很大關(guān)心的。靈長(zhǎng)類的全能性干細(xì)胞在許多方面與小鼠

ES細(xì)胞是不同的,特殊是在形狀上,且靈長(zhǎng)類全能性干細(xì)胞不簡(jiǎn)單分散成單個(gè)的細(xì)

胞。因此,要正確辨認(rèn)出所需的ES細(xì)胞并在傳代過(guò)程中做到正確處理是非常重要的

。但還有一個(gè)重要的條件,即人胚胎培育過(guò)程的改進(jìn),其包括不同發(fā)育階段使用不

同的培育基的兩步培育系統(tǒng),這使得能高效地得到高質(zhì)量的人囊胚[4]。

Shamblott和同事[2]在《美國(guó)科學(xué)院論文集》上,報(bào)道從受精

5~9周的胚胎和胎兒性腺中分別出全能性細(xì)胞。盡管人們對(duì)人體中原始生殖細(xì)胞的

成熟過(guò)程的小細(xì)節(jié)知之甚少,但科學(xué)家們的確知道這個(gè)過(guò)程包括生殖母細(xì)胞遷移至

性腺并開頭擴(kuò)增,隨后性腺消失明顯的性別分化。在這個(gè)階段的胚胎和胎兒性腺中

已經(jīng)可以發(fā)覺(jué)有表達(dá)生殖母細(xì)胞標(biāo)志性分子的細(xì)胞[5]。Shamblott小組所使

用的培育系統(tǒng)利用了已知能支持小鼠生殖母細(xì)胞在體外存活和有絲分裂的一些因子

,即STO成纖維細(xì)胞飼細(xì)胞層、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、白血病抑制因子(LIF)和f

orskolin[6]。由以上2種方法培育出的細(xì)胞在多大程度上能符合ES或EG細(xì)胞

的一般標(biāo)準(zhǔn)?2種培育物都來(lái)源于全能性的細(xì)胞群,都能在體外培育過(guò)程中保持有正

常的細(xì)胞核型。Thomson小組培育出的細(xì)胞株已經(jīng)傳代很多次,且細(xì)胞含有端粒酶

活性,這2點(diǎn)都提示這個(gè)細(xì)胞株是永生的。Shamblott的EG細(xì)胞雖沒(méi)有培育那么久,

但也沒(méi)有跡象顯示這些細(xì)胞將會(huì)死亡。從囊胚中分別出的細(xì)胞能形成包含全部3個(gè)

胚層組織的畸胎瘤,且個(gè)別組織表現(xiàn)為高級(jí)的組織結(jié)構(gòu)性(例如可以形成神經(jīng)管)

。但是在體外狀況下,細(xì)胞分化的證據(jù)只能限定于能表達(dá)一些滋養(yǎng)層和內(nèi)皮層形成

的某些標(biāo)志性分子(如人絨毛膜促性腺激素和α-甲胎蛋白);從生殖細(xì)胞來(lái)源的細(xì)

胞株中沒(méi)有能在體內(nèi)形成畸胎瘤的證據(jù),但是的確觀看到了在胚狀體(embry

oidbodies)中存在細(xì)胞進(jìn)行分化的狀況。胚狀體是一種在不相宜干細(xì)胞生長(zhǎng)的條

件下,由全能性干細(xì)胞在三維方向上生長(zhǎng)所形成的一種結(jié)構(gòu)。小鼠中胚狀體包括兩

層,一層是胚胎外的內(nèi)皮層,一層是外胚層。兩種細(xì)胞之間的聯(lián)接可能使外胚層細(xì)

胞分化成多種細(xì)胞類型,這種現(xiàn)象類似于體內(nèi)狀況下胚胎培植早期的狀況[2]

。Shamblott將培育出來(lái)的胚狀體切片,用免疫化學(xué)方法討論,發(fā)覺(jué)不同細(xì)胞類型

表達(dá)分別代表中胚層、內(nèi)胚層和外胚層的單個(gè)標(biāo)志分子。

人的干細(xì)胞的表型,即形狀、抗原表達(dá)及培育條件等方面與其他種類的全能型

細(xì)胞如小鼠的ES細(xì)胞或EC細(xì)胞相比有自己的特點(diǎn)。人EC細(xì)胞,猴和人的ES細(xì)胞在表

型上非常相像,與小鼠細(xì)胞或人EG細(xì)胞極易區(qū)分開來(lái)。靈長(zhǎng)類動(dòng)物細(xì)胞在單層培育

條件下呈扁平的克隆,細(xì)胞邊界較清顯;而小鼠ES細(xì)胞成堆生長(zhǎng),細(xì)胞更圓,細(xì)胞

邊界不清。靈長(zhǎng)類動(dòng)物全能型干細(xì)胞表達(dá)一系列特異性的表面抗原。小鼠ES細(xì)胞的

自我更新可以被白血病抑制因子(LIF)或相關(guān)的細(xì)胞因子促進(jìn)[7]但對(duì)人的

ES細(xì)胞卻沒(méi)有這種作用[1,2]。

在Thomson和Shamblott這2個(gè)小組的勝利帶動(dòng)下,目前對(duì)人ES細(xì)胞的討論消失

一股熱潮。假如勝利,將給人類帶來(lái)福音。如果科學(xué)家最終能夠勝利誘導(dǎo)和調(diào)控體

外培育的胚胎干細(xì)胞正常地分化,這將對(duì)基礎(chǔ)討論和臨床應(yīng)用產(chǎn)生巨大的影響。有

可能在以下領(lǐng)域發(fā)揮作用:體外討論人胚胎的正常發(fā)生發(fā)育,非正常發(fā)育(通過(guò)改

變細(xì)胞系的靶基因),新的人類基因的發(fā)覺(jué),藥物篩選和致畸試驗(yàn),以及作為組織

移植、細(xì)胞治療和基因治療的細(xì)胞源等。

3胚胎干細(xì)胞應(yīng)用前景探討

人胚胎干細(xì)胞供應(yīng)了在細(xì)胞和分子水平上討論人體發(fā)育過(guò)程中的及早期時(shí)期的

良好條件,這種討論不會(huì)引起與胚胎試驗(yàn)相關(guān)的倫理問(wèn)題。采納基因芯片等技術(shù)

,比較人胚胎干細(xì)胞以及不同發(fā)育階段的干細(xì)胞和分化細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá),可

以確定胚胎發(fā)育及細(xì)胞分化的分子機(jī)制,發(fā)覺(jué)新的人類基因。結(jié)合基因打靶技術(shù),

可發(fā)覺(jué)不同基因在生命活動(dòng)中的功能等。該應(yīng)用有利于新藥的發(fā)覺(jué)及篩選,人胚胎

干細(xì)胞使新藥的藥理、藥效、毒理及藥代等討論達(dá)到了細(xì)胞水平,極大削減了藥物

試驗(yàn)所需的動(dòng)物數(shù)量。目前藥物試驗(yàn)使用的細(xì)胞系基本上來(lái)自其他的種屬,其結(jié)果

常不能真正代表正常的人體細(xì)胞對(duì)藥物的反應(yīng)。人胚胎干細(xì)胞還可用來(lái)討論人類疾

病的發(fā)病機(jī)制和進(jìn)展結(jié)果,從而可找到特效和永久的治療方法。

人胚胎干細(xì)胞最有價(jià)值的應(yīng)用是用來(lái)修復(fù)甚至替換已丟失功能的組織和器官,

由于它具有發(fā)育分化成全部類型組織細(xì)胞的力量。任何導(dǎo)致丟失正常細(xì)胞的疾病都

可以通過(guò)移植由胚胎干細(xì)胞分化而來(lái)的特異組織細(xì)胞來(lái)治療,如用神經(jīng)細(xì)胞治療神

經(jīng)變性疾病(帕金森綜合征、亨廷頓舞蹈癥、阿爾茨海默病等),用造血干細(xì)胞重

建筑血功能,用胰島細(xì)胞治療糖尿病,專心肌細(xì)胞修復(fù)已壞死的心肌等。尤其是對(duì)

于后2項(xiàng),胚胎干細(xì)胞可能會(huì)有特殊療效,至今認(rèn)為成年人的心臟和胰島幾乎沒(méi)有

干細(xì)胞,自身無(wú)法得到修復(fù)。用于基因治療和防止免疫排異反應(yīng),還可以對(duì)胚胎干

細(xì)胞的基因做適當(dāng)?shù)男薷?。干?xì)胞是基因治療較抱負(fù)的靶細(xì)胞,由于它可以自我復(fù)

制更新,治療基因通過(guò)它帶入人體中,能夠長(zhǎng)久地發(fā)揮作用,而不象分化的細(xì)胞那

樣,在細(xì)胞更新中可能丟失治療基因的結(jié)果。通過(guò)胚胎干細(xì)胞和基因治療技術(shù),可

以矯正缺陷基因。例如,假如發(fā)覺(jué)早期胚胎有某種基因缺陷而會(huì)患基因病如囊性纖

維化—一種30歲以前便會(huì)致人死亡的疾病,可以收集部分或全部胚胎干細(xì)胞,通過(guò)

基因工程技術(shù)將正常的基因替代干細(xì)胞中的缺陷基因,再將修復(fù)后的胚胎干細(xì)胞嵌

入胚胎中,將會(huì)誕生一個(gè)健康的嬰兒。由于倫理和某些技術(shù)問(wèn)題,現(xiàn)在還未開展此

類試驗(yàn)。轉(zhuǎn)變胚胎干細(xì)胞的某些基因的另一目的是創(chuàng)建“萬(wàn)能供者細(xì)胞”,即破壞

細(xì)胞中表達(dá)組織相容性復(fù)合物的基因,躲避受者免疫系統(tǒng)的監(jiān)視,從而達(dá)到防止免

疫排異反應(yīng)的發(fā)生。但這種方法需要破壞和轉(zhuǎn)變細(xì)胞中很多基因,而且這種細(xì)胞發(fā)

育成的組織和器官是否有生理缺陷?如免疫力量狀況還不得而知。

另一種克服移植免疫排異的途徑就是結(jié)合克隆技術(shù)創(chuàng)建患者特異性的胚胎干細(xì)

胞。為避開患者自身對(duì)外源細(xì)胞的免疫排異反應(yīng),ES細(xì)胞的獲得還有另一種方法,

即從患者自身成熟細(xì)胞中取出細(xì)胞核,移植入去核的卵細(xì)胞中(即體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移技

術(shù)SCˉNT),經(jīng)過(guò)一系列的培育在體外分化成患者所需要的細(xì)胞或組織類型。這種

包含與患者完全相同的遺傳物質(zhì)的雜合卵細(xì)胞在體外培育發(fā)育成囊胚,若將囊胚植

入假孕婦女的子宮中,將會(huì)克隆出與供應(yīng)體細(xì)胞的人基因相同的個(gè)體,即所謂的“

克隆人”。但是假如從獲得的囊胚中分別并擴(kuò)增所謂的“人胚胎干細(xì)胞(ES)”,

并體外誘導(dǎo)它們分化成胰島細(xì)胞、神經(jīng)元、心肌細(xì)胞等,將這些細(xì)胞移植至發(fā)病部

位,則能夠修復(fù)患者的組織或器官,從而使患者得到康復(fù)。用這種胚胎干細(xì)胞培育

獲得的細(xì)胞、組織或器官,其基因和細(xì)胞膜表面的主要組織相容性復(fù)合體與供應(yīng)體

細(xì)胞的患者完全全都,不會(huì)導(dǎo)致任何免疫排異反應(yīng)。假如能成為現(xiàn)實(shí),這將是人類

醫(yī)學(xué)史上一項(xiàng)劃時(shí)代的成就,它將使器官培育專業(yè)化,全面解決供體器官來(lái)源不足

的問(wèn)題;并達(dá)到器官供應(yīng)專一化,供應(yīng)給患者相應(yīng)性器官。人體中的任何器官和組

織一旦消失特別,則醫(yī)生可賜予更換和修復(fù)。

利用核轉(zhuǎn)移克隆技術(shù)以獵取ES細(xì)胞,人卵子來(lái)源不足是目前的主要難題。至今

為止,非人類哺乳動(dòng)物的克隆效率特別低,大約100個(gè)以上的卵細(xì)胞才能得到1個(gè)有

活力的克?。?,9]。要解決這個(gè)問(wèn)題,一是盡快找出卵細(xì)胞中使體細(xì)胞去分

化的因子;二是查找其他來(lái)源的卵細(xì)胞如尸體或廢棄的胎兒,但這需要進(jìn)展卵細(xì)胞

在體外成熟的技術(shù)。曾經(jīng)有人提出將人細(xì)胞核轉(zhuǎn)入去核的牛卵子以獵取胚胎干細(xì)胞

,這項(xiàng)技術(shù)基于一種假設(shè),即牛細(xì)胞質(zhì)中的蛋白很快被人類的蛋白所取代,從而不

會(huì)形成雜種細(xì)胞。

4面對(duì)的挑戰(zhàn)

要使上述設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),還需要對(duì)人胚胎干細(xì)胞做深化討論,還需要解決很多

技術(shù)上的因素,這些問(wèn)題包括:(1)人胚胎干細(xì)胞極易分化成其他細(xì)胞。如何維持

體外擴(kuò)增時(shí)不細(xì)胞異化?雖然在防止體外培育時(shí)干細(xì)胞分化方面已取得了很大成果

,如在培育基中加入白血病抑制因子等可抑制干細(xì)胞分化,但仍需進(jìn)一步討論干細(xì)

胞的培育條件。(2)如何定向誘導(dǎo)干細(xì)胞分化[10]?細(xì)胞分化是多種細(xì)胞因

子相互作用引起細(xì)胞一系列簡(jiǎn)單的生理生化變化的過(guò)程。要誘導(dǎo)產(chǎn)生某種特異類型

的組織,就需要了解各種因子在何時(shí)何地開頭作用,以及何時(shí)何地停止作用。但是

科學(xué)家相信只要將胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為所需組織細(xì)胞的前提(祖細(xì)胞),將祖細(xì)

胞移植到適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中就能夠產(chǎn)生所需的組織,由于機(jī)體能夠分泌全部指導(dǎo)細(xì)胞正

確分化的因子;并且不必在體形狀成結(jié)構(gòu)精確的多細(xì)胞組織后再移植,只需要將已

誘導(dǎo)的分散的胚胎細(xì)胞或細(xì)胞懸液注射到發(fā)病部位就可發(fā)揮作用,這些移植的細(xì)胞

與四周細(xì)胞及胞外基質(zhì)相互作用便可有機(jī)地整合至受體組織中[11]。(3)要

使胚胎干細(xì)胞在體外發(fā)育成一完整的器官尤其是像心、肝、腎、肺等大型精細(xì)簡(jiǎn)單

的器官,這一目標(biāo)還需要技術(shù)上的突破。由于器官的形成是一個(gè)特別簡(jiǎn)單的三維過(guò)

程。許多器官是兩個(gè)不同胚層的組織相互作用而形成的。例如,肺中的肌組織、血

管和結(jié)締組織來(lái)源于中胚層,而上皮組織源自內(nèi)胚層。每個(gè)細(xì)胞要獲得養(yǎng)分和排泄

代謝產(chǎn)物,分化的組織中需要產(chǎn)生血管,組織血管化目前還處于起步討論階段。就

目前的水平來(lái)說(shuō)對(duì)來(lái)自自然機(jī)體的器官要離體培育并維持其正常的生理功能還無(wú)法

做到。器官的體外保存和維持仍是器官移植中的難題。一種可能的方法是將干細(xì)胞

注射到重度免疫缺陷動(dòng)物的臟器中,讓移植的人干細(xì)胞逐步替代動(dòng)物細(xì)胞,使其臟

器人源化,成為可供人體的器官移植。(4)如何克服移植后的問(wèn)題?前面提到的改

變基因創(chuàng)建“萬(wàn)能供者細(xì)胞”的方法是否可行還不清晰。核移植后的卵細(xì)胞能否激

活緘默基因,啟動(dòng)DNA的合成,會(huì)不會(huì)轉(zhuǎn)變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)等等問(wèn)題,還有待進(jìn)一步

討論。而且,胚胎干細(xì)胞有形成畸胎瘤的傾向,必需對(duì)胚胎干細(xì)胞及其衍生細(xì)胞的

移植的平安性做一全面、客觀、深化的評(píng)價(jià),極需人們對(duì)此作更深化的討論。

5其他替代胚胎干細(xì)胞應(yīng)用的技術(shù)

由于目前胚胎干細(xì)胞的討論存在倫理與法律上的部分難點(diǎn)無(wú)法解決,因此人們

正在樂(lè)觀查找替代胚胎干細(xì)胞的細(xì)胞的來(lái)源和技術(shù)。例如,依據(jù)現(xiàn)階段的討論可以

認(rèn)為只有很少的幾個(gè)信號(hào)途徑參加掌握細(xì)胞更新和維持其全能性,那么在只有有限

分化力量的成體干細(xì)胞中激活這些途徑是否能使它們保持在全能性的狀態(tài)?在一些

早期胚胎的已分化細(xì)胞可以看到這種去分化的現(xiàn)象,例如,小鼠和大鼠卵黃囊的內(nèi)

皮層細(xì)胞可以在invivo由異體分化(transdifˉferentiate)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成全能性細(xì)

胞[12],將小鼠和人的生殖母細(xì)胞用一些信號(hào)分子處理可以轉(zhuǎn)變成可自我更

新的全能性細(xì)胞[1~3]。但目前主要的討論仍集中在將成體干細(xì)胞(adult

stemcells)替代胚胎干細(xì)胞的討論上。成體干細(xì)胞是指從成熟機(jī)體組織中分別出

來(lái)的干細(xì)胞,能在體外長(zhǎng)期培育,在肯定條件下能產(chǎn)生與所來(lái)源組織類型相同的細(xì)

胞。至今為止已在多種組織中發(fā)覺(jué)并分別出干細(xì)胞,甚至在像腦、肝臟這些更新較

慢的組織中同樣存在干細(xì)胞。在大部分組織中,必需通過(guò)特定的分子標(biāo)志才能將干

細(xì)胞與四周無(wú)關(guān)的細(xì)胞區(qū)分開來(lái)。這些分子標(biāo)志物也能為如何掌握干細(xì)胞的表型提

供重要的線索。例如,表皮干細(xì)胞表達(dá)高水平的β1-integrins,而β1-inte

grins介導(dǎo)的細(xì)胞與胞外基質(zhì)的粘附可以抑制干細(xì)胞終末分化的發(fā)生[13~16]

。據(jù)原先的推想,成體干細(xì)胞只能分化為與來(lái)源組織類型相同的細(xì)胞,即血液干

細(xì)胞只能分化出各種血液細(xì)胞,而神經(jīng)干細(xì)胞只能分化出神經(jīng)細(xì)胞。但是最近的一

系列討論發(fā)覺(jué)說(shuō)明:通過(guò)掌握四周環(huán)境,成體干細(xì)胞也能夠分化成多種不同類型的

細(xì)胞,表現(xiàn)出肯定的多能性[17~20]。

Bjornson等人報(bào)道,將從小鼠前腦中的神經(jīng)干細(xì)胞移植到用放射線照耀處理后

的小鼠的循環(huán)系統(tǒng)中,可以產(chǎn)生出包括骨髓細(xì)胞和淋巴細(xì)胞在內(nèi)的多種血液細(xì)胞,

這個(gè)結(jié)果說(shuō)明神經(jīng)干細(xì)胞具有比最初預(yù)想的更大的分化潛力[21]。Margaret

A.Goodell領(lǐng)導(dǎo)的小組從小鼠骨骼肌中分別出一種干細(xì)胞,它能夠分化成幾乎全部

種類的血液細(xì)胞,而且效力比完全的骨髓成分高10~14倍[22]。此外,間續(xù)

還有一些發(fā)覺(jué)如大鼠肝臟中的干細(xì)胞可以在體內(nèi)分化成心肌細(xì)胞[23];小鼠血

液干細(xì)胞分化成

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