干细胞的生物学特征包括（干细胞生物学有哪些主要应用）

本文目录一览：

• 1、干细胞与体细胞相比有哪些生物学特征
• 2、干细胞的生物学特性
• 3、什么是肿瘤干细胞？有什么生物学特征
• 4、什么是干细胞？有哪些用途和特征
• 5、什么是干细胞

干细胞与体细胞相比有哪些生物学特征

干细胞和体细胞相比干细胞是还具有分裂和分化能力的细胞，它们的共同特点是结构是相似的都是由细胞膜，细胞质，细胞核等这些共同的细胞膜结构组成。

干细胞的生物学特性

MDCK细胞系狗肾转化细胞，永生化。

为多种病毒、尤其流感病毒的敏感宿主细胞。

传代比例：1：2～1：5。

适宜消化液: 0.125％胰酶，加或不加EDTA。 EDTA浓度一般为0.2％，用磷酸盐生理盐水配制。有时候室温消化5～10min即可，有时候需要在37度消化20min。(可能与细胞状态和消化液活性有关)

培养基：含10～12％新生牛血清的MEM。1640也生长良好。

一般2～3天长成单层，接种量大长成单层快。

什么是肿瘤干细胞？有什么生物学特征

肿瘤干细胞是肿瘤中具有自我更新能力并能产生异质性肿瘤细胞的细胞。传统观念认为，肿瘤是由体细胞突变而成，每个肿瘤细胞都可以无限制地生长。但这无法解释肿瘤细胞似乎具有无限的生命力以及并非所有肿瘤细胞都能无限制生长的现象。肿瘤细胞生长、转移和复发的特点与干细胞的基本特性十分相似，因此，有学者提出肿瘤干细胞(tumor stem cell,TSC)的理论。这一理论为我们重新认识肿瘤的起源和本质，以及临床肿瘤治疗提供了新的方向和视觉角度。

什么是干细胞？有哪些用途和特征

胚胎干细胞(Embrtibuc stem cell)的发育等级较高，是多能干细胞（Pluripotent stem cell），而成体干细胞的发育等级较低，是单能干细胞。干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。它包括胚胎干细胞和成体干细胞。干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。目前人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。最新研究发现，成体干细胞可以横向分化为其他染完发后头皮痒类型的细胞和组织，为干细胞的广泛应用提供了基础。

在胚胎的发生发育中，单个受精卵可以分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中，正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进一步分化的结果。胚胎干细胞是全能的，具有分化为几乎全部组织和器官的能力。而成年组织或器官内的干细胞一般认为具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织。

然而，这个观点目前受到了挑战。

最新的研究表明，组织特异性干细胞同样具有分化成其他间充质干细胞来源于胚层细胞或组织的潜能，这为干细胞的应用开创了更广泛的空间。

干细胞具有自我更新能力（Self-renewing），能够产生高度分化的功能细胞。干细胞按照生存阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞 。

·1.1 胚胎干细胞

胚胎干细胞（Embryonic Stem cell， ES细胞）。

胚胎干细胞当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（Inner Cell Mass）的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。早在1970年Martin Evans已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。而人的胚胎干细胞的体外培养直到最近才获得成功。

进一步说，胚胎干细胞（ES细胞）是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。ES细胞的研究可追溯到上世纪五十年代，由于畸胎瘤干细胞（EC细胞）的发现开始了ES细胞的生物学研究历程。

目前许多研究工作都是以小鼠ES细胞为研究对象展开的，如：德美医学小组在去年成功的向试验鼠体内移植了由ES细胞培养出的神经胶质细胞。此后，密苏里的研究人员通过鼠胚细胞移植技术，使瘫痪的猫恢复了部分肢体活动能力。随着ES细胞的研究日益深入，生命科学家对人类ES细胞的了解迈入了一个新的阶段。在98年末，两个研究小组成功的培养出人类ES细胞，保持了ES细胞分化为各种体细胞的全能性。这样就使科学家利用人类ES细胞治疗各种疾病成为可能。然而，人类ES 细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议，出于社会伦理学方面的原因，有些国家甚至明令禁止进行人类ES细胞研究。无论从基础研究角度来讲还是从临床应用方面来看，人类ES细胞带给人类的益处远远大于在伦理方面可能造成的负面影响，因此要求展开人类ES细胞研究的呼声也一浪高似一浪。

·1.2 成体干细胞

成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明，以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞,说明成体干细胞普遍存在，问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞经常位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体，与干细胞相互作用，控制干细胞的更新和分化。

·1.3 造血干细胞

造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。今年年初，协和医大血液学研究所的庞文新又在肌肉组织中发现了具有造血潜能的干细胞。造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的最有效方法。

在临床治疗中，造血干细胞应用较早，在20世纪五十年代，临床上就开始应用骨髓移植（BMT）方法来治疗血液系统疾病。到八十年代末，外周血干细胞移植（PBSCT）技术逐渐推广开来，绝大多数为自体外周血干细胞移植（APBSCT），在提高治疗有效率和缩短疗程方面优于常规治疗，且效果令人满意。与两者相比，脐血干细胞移植的长处在于无来源的限制，对HLA配型要求不高，不易受病毒或肿瘤的污染。

在今年初，东北地区首例脐血干细胞移植成功，又为中国造血干细胞移植技术注入新的活力。随着脐血干细胞移植技术的不断完善，它可能会代替目前APBSCT的地位，为全世界更多的血液病及恶性肿瘤的患者带来福音

·1.4 神经干细胞

神经干细胞关于神经干细胞研究起步较晚，由于分离神经干细胞所需的胎儿脑组织较难取材，加之胚胎细胞研究的争议尚未平息，神经干细胞的研究仍处于初级阶段。理论上讲，任何一种中枢神经系统疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。脑和脊髓由于血脑屏障的存在使之在干细胞移植到中枢神经系统后不会产生免疫排斥反应，如：给帕金森氏综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经干细胞，可治愈部分患者症状。除此之外，神经干细胞的功能还可延伸到药物检测方面，对判断药物有效性、毒性有一定的作用。 实际上，到目前为止，人们对干细胞的了解仍存在许多盲区。2000年年初美国研究人员无意中发现在胰腺中存有干细胞；加拿大研究人员在人、鼠、牛的视网膜中发现了始终处于“休眠状态的干细胞” ；有些科学家证实骨髓干细胞可发育成肝细胞，脑干细胞可发育成血细胞。

随着干细胞研究领域向深度和广度不断扩展，人们对干细胞的了解也将更加全面。21世纪是生命科学的时代，也是为人类的健康长寿创造世界奇迹的时代，干细胞的应用将有广阔前景。

·1.5肌肉干细胞(muscle stem cell)

可发育分化为成肌细胞(myoblasts)，后者可互相融合成为多核的肌纤维，形成骨骼肌最基本的结构。

[编辑本段]2.【基础应用】

干细胞的调控是指给出适当的因子条件，对干细胞的增值和分化进行调控，使之向指定的方向发展。

·2.1 内源性调控

干细胞自身有许多调控因子可对外界信号起反应从而调节其增殖和分化，包括调节细胞不对称分裂的蛋白，控制基因表达的核因子等。另外，干细胞在终末分化之前所进行的分裂次数也受到细胞内调控因子的制约。

（1）细胞内蛋白对干细胞分裂的调控

干细胞分裂可能产生新的干细胞或分化的功能细胞。这种分化的不对称是由于细胞本身成分的不均等分配和周围环境的作用造成的。细胞的结构蛋白，特别是细胞骨架成分对细胞的发育非常重要。如在果蝇卵巢中，调控干细胞不对称分裂的是一种称为收缩体的细胞器，包含有许多调节蛋白，如膜收缩蛋白和细胞周期素A。收缩体与纺锤体的结合决定了干细胞分裂的部位，从而把维持干细胞性状所必需的成分保留在子代干细胞中。

（2）转录因子的调控

在脊椎动物中，转录因子对干细胞分化的调节非常重要。比如在胚胎干细胞的发生中，转录因子Oct4是必需的。Oct4是一种哺乳动物早期胚胎细胞表达的转录因子，它诱导表达的靶基因产物是FGF-4等生长因子，能够通过生长因子的旁分泌作用调节干细胞以及周围滋养层的进一步分化。Oct4缺失突变的胚胎只能发育到囊胚期，其内部细胞不能发育成内层细胞团 [1]。另外白血病抑制因子（LIF）对培养的小鼠ES细胞的自我更新有促进作用，而对人的成体干细胞无作用，说明不同种属间的转录调控是不完全一致的。又如Tcf/Lef转录因子家族对上皮干细胞的分化非常重要。Tcf/Lef是Wnt信号通路的中间介质，当与β-Catenin形成转录复合物后，促使角质细胞转化为多能状态并分化为毛囊。

·2.2 外源性调控

除内源性调控外，干细胞的分化还可受到其周围组织及细胞外基质等外源性因素的影响。

（1）分泌因子

间质细胞能够分泌许多因子，维持干细胞的增殖，分化和存活。有两类因子在不同组织甚至不同种属中都发挥重要作用，它们是TGFβ家族和Wnt信号通路。比如TGF家族中至少有两个成员能够调节神经嵴干细胞的分化。最近研究发现，胶质细胞衍生的神经营养因子（GDNF）不仅能够促进多种神经元的存活和分化，还对精原细胞的再生和分化有决定作用。GDNF缺失的小鼠表现为干细胞数量的减少，而GDNF的过度表达导致未分化的精原细胞的累积[3]。Wnts的作用机制是通过阻止β-Catenin分解从而激活Tcf/Lef介导的转录，促进干细胞的分化。比如在线虫卵裂球的分裂中，邻近细胞诱导的Wnt信号通路能够控制纺锤体的起始和内胚层的分化。

（2）膜蛋白介导的细胞间的相互作用

有些信号是通过细胞-细胞的直接接触起作用的。β-Catenin就是一种介导细胞粘附连接的结构成分。除此之外，穿膜蛋白Notch及其配体Delta或Jagged也对干细胞分化有重要影响。在果蝇的感觉器官前体细胞，脊椎动物的胚胎及成年组织包括视网膜神经上皮、骨骼肌和血液系统中，Notch信号都起着非常重要的作用。当Notch与其配体结合时，干细胞进行非分化性增殖；当Notch活性被抑制时，干细胞进入分化程序，发育为功能细胞[4]。

（3）整合素（Integrin）与细胞外基质

整合素家族是介导干细胞与细胞外基质粘附的最主要的分子。整合素与其配体的相互作用为干细胞的非分化增殖提供了适当的微环境。比如当β1整合素丧失功能时，上皮干细胞逃脱了微环境的制约，分化成角质细胞。此外细胞外基质通过调节β1整合素的表达和激活，从而影响干细胞的分布和分化方向。

·2.3 干细胞的可塑性

越来越多的证据表明，当成体干细胞被移植入受体中，它们表现出很强的可塑性。通常情况下，供体的干细胞在受体中分化为与其组织来源一致的细胞。而在某些情况下干细胞的分化并不遵循这种规律。1999年Goodell等人分离出小鼠的肌肉干细胞，体外培养5天后，与少量的骨髓间质细胞一起移植入接受致死量辐射的小鼠中，结果发现肌肉干细胞会分化为各种血细胞系。这种现象被称为干细胞的横向分化（trans-differentiation）[5]。关于横向分化的调控机制目前还不清楚。大多数观点认为干细胞的分化与微环境密切相关。可能的机制是，干细胞进入新的微环境后，对分化信号的反应受到周围正在进行分化的细胞的影响，从而对新的微环境中的调节信号做出反应。

克隆猪、克隆羊，其技术的机制原理和干细胞是一致的。

[编辑本段]3.【种类划分】

干细胞按能力可以分为以下四类：

1.全能干细胞

由卵和精细胞的融合产生受精卵。而受精卵在形成胚胎过程中四细胞期之前任一细胞皆是全能干细胞。具有发展成独立个体的能力。也就是说能发展成一个个体的细胞就称为全能干细胞。

2.万能干细胞

是全能干细胞的后裔，无法发育成一个个体，但具有可以发育成多种组织的能力的细胞。

3.多能干细胞

只能分化成特定组织或器官等特定族群的细胞（例如血细胞，包括红血细胞、白血细胞和血小板）。

4.专一性干细胞

只能产生一种细胞类型；但是，具有自更新属性，将其与非干细胞区分开。

[编辑本段]4.【研究情况】

·干细胞研究的历史情况

干细胞的研究被认为开始于1960年代，在加拿大科学家恩尼斯特·莫科洛克和詹姆士·堤尔的研究之后。

1959年，美国首次报道了通过体外受精（IVF）动物。

60年代，几个近亲种系的小鼠睾丸畸胎瘤的研究表明其来源于胚胎生殖细胞（embryonic germ cells, EG细胞）,此工作确立了胚胎癌细胞（embryonic carcinoma cells, EC细胞）是一种干细胞。

1968年，Edwards 和Bavister 在体外获得了第一个人卵子。

70年代，EC细胞注入小鼠胚泡产生杂合小鼠。培养的SC细胞作为胚胎发育的模型，虽然其染色体的数目属于异常。

1978年，第一个试管婴儿，Louise Brown 在英国诞生。

1981年，Evan, Kaufman 和Martin从小鼠胚泡内细胞群分离出小鼠ES细胞。他面部护理的程序们建立了小鼠ES细胞体外培养条件。由这些细胞产生的细胞系有正常的二倍型，像原生殖细胞一样产生三个胚层的衍生物。将ES细胞注入上鼠，能诱导形成畸胎瘤。

1984—1988年，Anderews 等人从人睾丸畸胎瘤细胞系Tera-2中产生出多能的、可鉴定的（克隆化的）细胞，称之为胚胎癌细胞（embryonic carcinoma cells, EC细胞）。克隆的人EC细胞在视黄酸的作用下分化形成神经元样细胞和其他类型的细胞。

1989年，Pera 等分离了一个人EC细胞系，此细胞系能产生出三个胚层的组织。这些细胞是非整倍体的（比正常细胞染色体多或少），他们在体外的分化潜能是有限的。

1994年，通过体外授精和病人捐献的人胚泡处于2-原核期。胚泡内细胞群在培养中得以保存其周边有滋养层细胞聚集 ，ES样细胞位于中央。

1998年美国有两个小组分别培养出了人的多能( pluripotent )干细胞： James A. Thomson在 Wisconsin大学领导的研究小组从人胚胎组织中培养出了干细胞株。他们使用的方法是：人卵体外受精后，将胚胎培育到囊胚阶段，提取 inner cell mass细胞，建立细胞株。经测试这些细胞株的细胞表面 marker 和酶活性，证实他们就是全能干细胞。用这种方法，每个胚胎可取得15－20干细胞用于培养。 John D. Gearhart在 Johns Hopkins大学领导的另一个研究小组也从人胚胎组织中建立了干细胞株。他们的方法是：从受精后5－9周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞( primordial germ cell )。由此培养的细胞株，证实具有全能干细胞的特征。

2000年，由Pera、 Trounson 和 Bongso 领导的新加坡和澳大利亚科学家从治疗不育症的夫妇捐赠的胚泡内细胞群中分离得到人ES细胞，这些细胞体外增殖，保持正常的核型，自发分化形成来源于三个胚层的体细胞系。将其注入免疫缺陷小鼠错开内产生畸胎瘤。

2003，建立了人类皮肤细胞与兔子卵细胞种间融合的方法，为人胚胎干细胞研究提供了新的途径。

2004年，Massachusetts Advanced Cell Technology 报道克隆小鼠的干细胞可以通过形成细小血管的心肌细胞修复心衰小鼠的心肌损伤。这种克隆细胞比来源于骨髓的成体干细胞修复作用更快、更有效，可以取代40%的瘢痕组织和恢复心肌功能。这是首次显示克隆干细胞在活体动物体内修复受损组织。

·干细胞研究的意义

分化后的细胞，往往由于高度分化而完全丧失了再分化的能力，这样的细胞最终将衰老和死亡。然而，动物体在发育的过程中，体内却始终保留了一部分未分化的细胞，这就是干细胞。干细胞又叫做起源细胞、万用细胞，是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。可以这样说，动物体就是通过干细胞的分裂来实现细胞的更新，从而保证动物体持续生长发育的。

干细胞根据其分化潜能的大小，可以分为两类：全能干细胞和组织干细胞。前者可以分化、发育成完整的动物个体，后者则是一种或多种组织器官的起源细胞。人的胚胎干细胞可以发育成完整的人，所以属于全能干细胞。

什么是干细胞

一、干细胞概述

1-1干细胞的定义

干细胞（Stem cell，SC）是一类具有自我更新（self-renewing）能力的多潜能细胞，即干细胞保持未定向分化状态和具有增殖能力，在合适的条件或给予合适的信号，它可以分化成多种功能细胞或组织器官，医学界称其为“万用细胞”，也有人通俗而形象地称其为“干什么都行的细胞”。干细胞来源于胚胎、胎儿组织和成年组织。来自胚胎和胎儿组织的胚胎干细胞具有多潜能分化特性，可分化为成熟个体体内几乎全部200多种以上的成熟细胞类型。而成年个体组织来源的成体干细胞（adult stem cell）有造血干细胞、神经干细胞和胰腺干细胞等。

人类很多疾病诸如心肌梗塞、糖尿病、帕金森病等，均涉及细胞(如脑细胞、心肌细胞、胰岛细胞)的死亡。干细胞技术最显著的作用就是：能再造一种全新的、正常的甚至更年轻的细胞、组织或器官，用以治疗诸如脑瘫、中风、白血病、心肌梗塞、糖尿病、帕金森氏病等多种用传统方法难以治愈的疾病，具有不可估量的医学价值，给人们带来了希望。

1-2干细胞的分类

干细胞具有自我更新(self-renewing)的能力，在一定条件下下，它可以分化成各种功能细胞。按分化潜能的大小，干细胞基本上可分为以下三种类型。

(1)全能性干细胞(Totipotent stem cells) 它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞(Embryonic stem cells，ESC)，具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，进一步形成机体的所有组织、器官。

(2)多能性干细胞(Pluripotent stem cells) 这种干细胞具有分化出多种组织细胞的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。骨髓多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少12种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。

(3)单能干细胞 也称专能或偏能干细胞(Unipotent stem cells)。这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞或叫卫星细胞。

从干细胞到成熟细胞有许多分化阶段：最原始的干细胞是全能性干细胞，具有自我更新和分化为任何类型组织的能力。迄今为止，只在受精卵才符合这样的定义，囊胚期的胚胎干细胞是否具有全能性仍存在很大争议。分化方向已确定的干细胞叫做多能干细胞，它们将分化为特定的组织，例如造血干细胞将分化为血细胞，肝脏干细胞将分化为肝细胞。这些多能干细胞继续向前分化则成为定向祖细胞(Committed progenitor)。持续停留在某种组织中的干细胞被称为组织特异性干细胞，如造血干细胞(Hematopoietic stem cell，HSC)、肌肉干细胞、表皮层干细胞等都属于此类。随着机体的发育，干细胞逐渐分化为特定类型并行使特定功能。很多成年人组织含有干细胞，当组织受到外伤、老化、疾病等的损伤时，这些细胞就增殖分化。产生新的组织来代替它们，以保持机体的稳态平衡。

干细胞是一类特殊的细胞，它们最显著的生物学特性是既具有自我更新的能力(Self-renewal)，又具有多向分化的潜能(Multilineage differentiation)。根据其组织发生的名称亦可进行分类。目前，已经从许多组织或器官中成功地分离出干细胞，其中包括：胚胎干细胞、造血干细胞、骨髓间质干细胞(Mesenchymal stem cell，MSCs)、神经干细胞(Neural stem cell，NSCs)、肌肉干细胞(Muscle stem cell)、成骨干细胞(Osteogenic stem cell)、内胚层干细胞(Endodermal stem cell)、视网膜干细胞(Retinal stem cell)、胰腺干细胞等。而随着干细胞研究的进展和深入，一些命名的含义将会更加丰富。

1-3干细胞特征

在细胞分化的过程中，细胞往往由于高度分化而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足．保留了一部分未分化的原始细胞，称之为干细胞。一旦生理需要，这些干细胞可按照发育途径通过分裂而产生分化细胞。干细胞有以下特点：

①干细胞本身不是终末分化细胞(即干细胞不是处于分化途径的终端)；

②干细胞能无限增殖分裂；

③干细胞可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态；

④干细胞分裂产生的于细胞只能在两种途径中迭择其一——或保持亲代特征，仍作为干细胞；或不可逆地向终末分化。

由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，使得一个子细胞不可逆地走向分化的终端成为功能专一的分化细胞；另一个保持亲代的特征，仍作为干细胞保留下来。分化细胞的数目受分化前干细胞的数目和分裂次数的控制，可以说，干细胞是具多向潜能和自我更新特点的增殖速度较缓慢的细胞。

1.4干细胞的可塑性

可塑性（plasticity）造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞等成体干细胞具有一定跨系、甚至跨胚层分化的特性，称其为干细胞的“可塑性”。

干细胞可塑性的揭示具有重要的理论意义和实用价值。

①组织间叶干细胞可塑性的揭示，提示成年人组织干细胞可能存在广泛的分化潜能；人类组织工程细胞的来源除去胚胎干细胞外，还可以从自体的体细胞中获得，而且不受组织相容性和伦理方面的限制。

②造血干细胞的概念需要更新，造血干细胞不仅是CD34+／CD34-细胞，而且还应考虑来自体内其它组织的干细胞，这些细胞在体外能长期培养和扩增，增殖潜能强，因而有可能用于骨髓移植；造血干细胞和非造血干细胞共移植(Co-transplantation)有可能用于器官再生。

③成年组织干细胞可塑性的研究证明，干细胞的微环境(壁龛)对其转化具有非常重要的作用，一些内在和外在的信号调节着这些干细胞的命运，这将为干细胞定向培养和应用带来新的前景。

④干细胞的转化常发生于病理情况，向病理部位迁移，成为病理损伤的前体细胞，并分化为终末成熟细胞。因此，不仅可利用它来修复组织的损伤，而且还可把它作为基因治疗的理想载体。

二、胚胎干细胞

2-1胚胎干细胞的概念

当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（Inner Cell Mass）的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。

若在显微镜下观察，存活5-7天的胚胎由大约140个细胞所组成，看上去就像黏稠的浆果或花粉粒。它们通体毛绒绒，相互依赖着星空心的圆球状，这被称做胚泡。其外层组织即滋养层，由一层扁平的细胞组成，会发展成胎盘。胚泡中心的腔称“囊胚腔”，腔内一侧的细胞群即“内细胞团”，胚胎干细胞便是由此分离培养建系的。这时的内层细胞尚未决定今后生长发育的走向，但它们均具有“全能性”，亦即可演变为200多种构成从心脏、肝脏、肾到皮肤、神经元等人体中任何一种器官组织的组成细胞。内层细胞团在形成人的内、中、外三个胚层时开始分化，每个胚层特分别分化形成人体的各种组织器官。如外胚层将分化为皮肤、眼睛和神经系统等，中胚层将形成骨骼、血液和肌肉等组织，内胚层将分化为肝、肺和肠等。由于内细胞群可以发育成完整的个体，因而这些细胞被认为具有发育全能性。

2-2胚胎干细胞的分离建系

1998年11月，J.A.汤姆森和J.吉尔哈特几乎同时宣布，他们已独立培养出采集自人体胚胎的干细胞，特别是在维系人体胚胎细胞的“多能性”和遏制其异化发展上取得了重大突破。在随后的几个月里．汤姆森领先于其他人促使上述脆弱的人细胞在培养液中持续生长，并证实上述细胞实际上就是胚胎干细胞。

有关人胚胎干细胞的建系方法有多种。研究最多的是从胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离胚胎干细胞。1995年J.A.汤姆森等从恒河猴的囊胚中分离建立了世界上第一株灵长类动物的胚胎干细胞。1998年，他们在建立灵长类胚胎干细胞取得的成功经验基础上，参照恒河猴胚胎干细胞分离法，从接受不孕症治疗的夫妇所捐献的处于囊胚阶段的早期胚胎中分离人的胚胎干细胞。

继汤姆森以后，世界上第二篇关于利用体外受精废弃受精卵进行人胚胎干细胞建系的文章是2000年澳大利亚的B.E.Reubinoff等和新加坡的体外受精专家合作完成的，他们成功地从人囊胚建立了两株未分化的人胚胎干细胞系。该文更为详尽地讨论了人胚胎干细胞建系过程中的一系列细节，并且在体外分化试验中成功地得到了神经祖细胞。

另一种建系方法则是从终止妊娠的胎儿组织中分离出胚胎干细胞。

2001年马萨诸塞州的科学家则宣布他们利用克隆技术制造出人体胚胎，并从中摘取出了干细胞。具体做法是提取某个卵子，去除其中的核子和基因物质，即将人卵细胞脱核，再将含有成年人基因物质的皮肤细胞的核转移到去核卵细胞内；然后通过电击手段诱导卵子加以复制，体外培养，待囊胚形成后取其内细胞团；经适当处理，几天后便可培育出供医疗使用的干细胞。

2-3胚胎干细胞的生物特性

1．胚胎干细胞来源于胚胎早期的胚泡中的内细胞群，保持未分化状态，具有自我复制的能力，具有向胚胎三个胚层来源的所有细胞分化的潜能。

2．胚胎干细胞可通过单细胞克隆建立有相同遗传特性的胚胎干细胞系。建立的胚胎干细胞系有与亲代细胞相同的特征。

3．胚胎干细胞具有正常、完整（双倍体）及稳定的染色体核型。

4．胚胎干细胞缺乏细胞周期中G1期的限制点（chechpoint），胚胎干细胞大部分时间都处于细胞周期的S期，在此期进行DNA合成。胚胎干细胞不需外源信号刺激启动DNA的复制。

5．胚胎干细胞表达三种特异性标志分子：细胞内的转录因子（intrinsic transcription factor， Oct4）、白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）和碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase，AP）。

6．雌性哺乳动物来源的胚胎干细胞内，不存在X染色体失活现象。

7．胚胎干细胞端粒酶活性呈阳性，具有维持端粒长度，保持干细胞增殖能力的重要作用。

8．胚胎干细胞裸鼠皮下或肾包囊接种，可形成畸胎瘤。

2-4胚胎干细胞的应用前景

1999年12月，Science杂志公布了当今世界科学发展的评定结果，干细胞的研究成果名列十大科学进展榜首。胚胎干细胞研究的科学价值在于其诱人的应用前景。如果最终能够成功诱导和调控胚胎干细胞的分化与增殖，将对胚胎干细胞的基础研究和临床应用带来积极的影响，使之有可能在以下领域发挥重要作用。

1．揭示人及动物的发育机制及影响因素

生命最大的奥秘便是人是如何从一个细胞发展为复杂得不可思议的生物体的。人胚胎细胞系的建立及人胚胎干细胞研究，可以帮助我们理解人类发育过程中的复杂事件，使人深刻认识数十年来困扰着胚胎学家的一些基本问题，促进对人胚胎发育细节的基础研究。人胚胎干细胞的体外可操作性，可以一种伦理上可接受的方式，提供在细胞和分子水平上研究人体发育过程中极早期事件的方法。这种研究不会引起与胎儿实验相关联的伦理问题，因为仅靠自身胚胎干细胞是无法形成胚胎的。

2. 药学研究方面

胚胎干细胞系可分化为多种细胞类型，又是能在培养基中不断自我更新的细胞来源。它发展为胚体后的生物系统，可模拟体内细胞与组织间复杂的相互作用，这在药物研究领域具有广泛的用途。胚胎干细胞有望在短期内就能体现的优势在于药物筛选中。目前用于药物筛选的细胞都来源于动物或癌细胞这样非正常的人体细胞，而胚胎干细胞可以经体外定向诱导，为人类提供各种组织类型的人体细胞，这使得更多类型的细胞实验成为可能。虽不会完全取代在整个动物和人体上的实验，但会使药品研制的过程更为有效。当细胞系实验表明药品是安全的且效果良好，才有资格在实验室进行动物和人体的进一步实验。

在候选药物对各种细胞的药理作用和毒性试验中，胚胎干细胞提供了对新药的药理、药效、毒理及药代等研究的细胞水平的研究手段，大大减少了药物检测所需动物的数量，降低了成本。另外，由于胚胎干细胞类似于早期胚胎的细胞，它们有可能用来揭示哪些药物干扰胎儿发育和引起出生缺陷。人胚胎干细胞还可以用于其它用途。由于这类细胞本质上可以无限量地产生人体细胞，它们对于旨在发现稀有人蛋白的研究计划理应有用。国际上许多制药公司、学者都瞄准了这一重要的研究领域。

3. 细胞替代治疗和基因治疗的载体

胚胎干细胞最诱人的前景和用途是生产组织和细胞，用于“细胞疗法”，为细胞移植提供无免疫原性的材料。任何涉及丧失正常细胞的疾病，都可以通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异组织细胞来治疗。如用神经细胞治疗神经退行性疾病(帕金森病、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默病等)，用胰岛细胞治疗糖尿病，用心肌细胞修复坏死的心肌等。

胚胎干细胞还是基因治疗最理想的靶细胞。这里的基因治疗是指用遗传改造过的人体细胞直接移植或输入病人体内，达到控制和治愈疾病的目的。这种遗传改造包括纠正病人体内存在的基因突变，或使所需基因信息传递到某些特定类型细胞。

当然，干细胞技术的最理想阶段是希望在体外进行“器官克隆”以供病人移植。如果这一设想能够实现，将是人类医学中一项划时代的成就，它将使器官培养工业化，解决供体器官来源不足的问题；使器官供应专一化，提供病人特异性器官。人体中的任何器官和组织一旦出现问题，可像更换损坏的零件一样随意更换和修理。

三、神经干细胞

3.1神经干细胞的定义及分布

神经干细胞（neura stem cell，NSC），来源于中枢神经系统的多能干细胞，终身具有自我更新能力，并能分化成神经系统的各类细胞。在特定条件诱因下，能够向特定类型神经元或神经胶质细胞分化的特殊的未分化或低分化细胞的总称。可以说神经干细胞是神经系统形成和发育的源泉。其主要功能是作为一种后备储备，参与神经系统损伤修复或细胞正常死亡的更新。识别神经干细胞的重要标志为巢蛋白（nestin），nestin阳性细胞具有干细胞的特征。1992年Reynolds和Richards先后在成年鼠的纹状体和海马中分离出神经干细胞，中枢神经系统其它部位，如端脑、间脑、中脑、脑干和脊髓也相继分离出神经干细胞。中枢神经系统损伤性和退行性疾病，如急性脊髓损伤、脑血管栓塞、帕金森病、老年性痴呆、脊髓侧索硬化、共济失调和享廷顿综合症等疾病，通过将神经干细胞以组织工程技术移植入受损的中枢神经系统，使受损组织的结构和功能得到恢复。

3-2神经干细胞的生物学特性

神经干细胞的生物学特性主要包括：

1） 多向分化潜能，即具有分化为神经系统大部分类型细胞的能力。

2） 长期自我更新维持自身数量稳定，保持未分化的特性。

3） 分裂增殖。神经干细胞的分裂除了不对称分裂，还有对称分裂。

4） 神经干细胞的标志：神经巢蛋白（Nestin）。神经干细胞是未分化的原始神经细胞，无论在体内还是在体 外都特异性地表达一个特征性的抗原——中间丝蛋白，因其主要存在于神经上皮干细胞，故名神经巢蛋白。

5） 对损伤和疾病的反应能力。

6） 迁移功能和良好的组织融合性。移植后的神经干细胞同样具有迁移能力，且受病变部位神经源性信号的影响，移植后的神经干细胞具有向病变部迁移的嗜性，随后分化成特异性细胞。

7） 低免疫原性。神经干细胞是未分化的原始细胞，不表达成熟细胞抗原，具有低免疫原性。故在移植后相对较少发生异体排斥反应，有利于其存活。

3-3神经干细胞分化及分化特性

神经干细胞的基本属性之一是具有多种分化潜能，能分化为神经元、星形胶质和少突胶质等。其分化特性：

1） 神经干细胞的可塑性；

2） 神经干细胞的定向分化：包括神经干细胞向神经元分化以及神经干细胞向神经胶质分化；

3） 神经干细胞的横向分化；

4） 神经干细胞的逆分化；

5） 体外培养体系中神经干细胞的分化：包括神经干细胞的自然分化以及神经干细胞的诱导分化；

6） 在体神经干细胞的分化有两种：植入体内的神经干细胞的分化以及自体神经干细胞的分化。

3-4神经干细胞的可塑性

“可塑性”是指来自于一种组织的成体干细胞产生另一种其它组织细胞的能力，即发现单能干细胞也具有多能性。近年来发现神经干细胞具有极大的可塑性，神经干细胞不仅在体内外适宜条件下，可以被诱导分化为各种类型的成熟神经细胞（神经元、星形胶质和少突胶质），在特定的环境中还可以分化产生属于不同组织的细胞。如利用神经干细胞可实现跨胚层分化，如分化为骨骼肌细胞和造血样细胞等。神经生物学家Bjornson等用神经干细胞在接受致死量照射毁髓处理的小鼠中实现了造血重建。神经干细胞这一特性的发现，不仅打破了组织再生来源于该组织干细胞的传统观念，而且具有重要的实用价值，这使人们对神经干细胞的多潜能有了更深层的认识，也使人们对神经干细胞的分化研究寄予更高期望。

3-5神经干细胞的横向分化

研究发现，神经干细胞的分化潜能不仅仅局限于所属组织，在特定的环境中能分化成其他类型组织细胞，即具有横向分化潜能。

1） 神经干细胞可被诱导分化为肌细胞；

2） 神经干细胞可被诱导分化为造血前体细胞；

3） 神经干细胞可发育成个胚层的细胞；

4） 其他组织干细胞向神经细胞的分化。神经干细胞可以分化成不同类型组织细胞，此外，其他组织的干细胞还可以分化成神经组织细胞。研究表明骨髓干细胞可以分化为神经细胞。

3-6神经干细胞的应用与展望

神经干细胞的发现是神经系统疾病治疗的一个里程碑，大部分神经缺损是由于疾病或损伤而使神经系统中的某些类型细胞的数目减少所致，而这些细胞又不能自我修复，如神经退行性疾病(帕金森病)和脱髓鞘疾病。由于神经干细胞特有的生物学特性是既在体外的可持续增殖，又具有多分化的潜能，给人类多年来一直未能解决的使损伤或病变的中枢神经组织恢复相应功能的治疗难题提供了可能的途径。目前，神经干细胞在应用方面的研究主要集中在以下三个方面。

1 用于神经细胞的替代疗法

从人胎儿全脑分离出神经干细胞并成功地灌注入发育中的小鼠大脑后，细胞能存活、迁移，毫无接缝地与宿主大脑组织连为一体并产生3种基本的神经细胞，这些被灌注的细胞还能替补小鼠小脑神经元退行性变性神经元缺陷。

2 充当基因治疗的载体

中枢神经系统损伤后自我修复效果不佳的原因，除了内源性神经干细胞的数量不足外，还由于损伤局部的微环境不适宜神经细胞的再生。在这种情况下，单纯补充干细胞的数量是不够的，可以通过转基因技术，将编码神经营养因子等的基因片段导入神经干细胞中，使其在移植部位进行表达，改善局部微环境，以维持细胞的生存和增殖。此外，为了达到某种特殊的治疗目的，也需要对移植的神经干细胞进行基因修饰，使其在局部产生特殊的蛋白质，如用于治疗中枢神经系统肿瘤时，让其产生抗癌药物；治疗帕金森病时，让其产生多巴胺等。

3 有助于对生命科学的研究

迄今为止，国内外的神经科学工作者已经使用神经干细胞移植技术对脑缺血性疾病、脑出血性疾病、中枢神经系统创伤、中枢神经系统慢性退变性疾病(帕金森病、亨廷顿病、阿尔茨海默病)以及中枢神经系统肿瘤等进行动物治疗试验，展示了十分诱人的临床应用前景。例如，帕金森病是由于黑质多巴胺神经元变性引起的，表现为典型的运动功能失调如僵直、颤抖等。Preed等研究表明，把人胚多巴胺神经元移植到帕金森病病人脑中，能显著改善60岁以下病人的症状，尽管对60岁以上病人症状未见明显改善。