干细胞研究进展及应用前景展望.doc

1干细胞研究进展及应用前景展望摘要干细胞是一类具有自我更新能力的多向分化潜能细胞在一定条件下可以分化为多种功能的组织和器官具有重要的理论研究意义和临床应用价值近年来的研究成果不仅揭示了许多有关细胞生长发育的基础理论难题也在创伤修复神经再生抵抗衰老糖尿病帕金森氏症老年痴呆白血病肿瘤等疾病的治疗方面显示了巨大的应用潜力是应用生物学进入一个崭新的领域关键词干细胞分化诱导性多能干细胞糖尿病肿瘤伦理争议正文干细胞在人类生命形成的开始单个受精卵可以分裂发育形成不同的组织和器官并通过进一步分裂分化形成生命个体在成体细胞中大部分高度分化的细胞则失去了再分化的能力而特定组织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这种具有在分化能力的细胞即为干细胞干细胞StemCellsSC是一类具有自我更新能力的多向分化潜能细胞在一定的条件下它可以分化成多种功能的器官组织这些细胞呈圆形或椭圆形体积较小核质比大具有较强的端粒酶活性因此具有较强的增殖能力干细胞是一种未充分分化尚不成熟的细胞其再生各种组织器官和人体的潜在功能吸引着越来越多人的眼球干细胞的研究历史干细胞的研究被认为起始于二十世纪六十年代加拿大科学家JamesETill和ErnestAMcCulloch发现并命名造血干细胞之后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干细胞确立了胚胎癌细胞是一种干细胞1968年Edwards和Bavister在体外获得了第一个人卵子1978年第一个试管婴儿LouiseBrown在英国诞生1981年EvanKaufman和Martin从小鼠胚泡内细胞群分离出小鼠ES细胞建立了小鼠干细胞体外培养条件将干细胞注入上鼠能诱导形成畸胎瘤19841988年Anderews等人从人睾丸畸胎瘤细胞系Tera2中产生出多能的克隆化的胚胎癌细胞克隆的干细胞在视黄酸的作用下分化形成神经元细胞和其他类型的细胞年和先后在成年鼠的纹状体和海马中分离出神经干细胞2年轰动世界的羊诞生引发了干细胞研究的热潮年德美医学小组和密苏里小组成功地培养出人类胚胎干细胞使得利用人类治疗各种疾病成为可能年实验室首先报道小鼠源骨骼肌成体干细胞具有很强的横向分化能力能分化形成各种血细胞年指出可诱导产生神经祖细胞这些神经祖细胞移植到新生鼠的脑室后将广泛分布与脑部软组织中并且在一个特定区域能够分化成三种神经细胞谱系的祖细胞2003年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MassachusettsAdvancedCellTechnology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首次显示克隆干细胞在活体动物体内修复受损组织年美国心脏协会报道了一个三国多中心用干细胞治疗心肌梗塞的例临床病例的研究报告证实干细胞能够显著改善患者的心脏功能年和同时刊出美国和日本两个研究报告证实皮肤细胞经基因直接重组后具有胚胎干细胞特性称为诱导性多能干细胞推动了干细胞发展近几年干细胞在各方面都有了应用都有了较强理论依据各国都加大了对其研究力度争取扩大其实际应用范围如用于治疗治疗心脏病老年痴呆帕金森氏综合症中风糖尿病等疾病干细胞的研究现状干细胞具有多向分化潜能根据其发育阶段干细胞可分为胚胎干细胞和成体干细胞胚胎干细胞的分化和增殖是构成机体发育的基础而成体干细胞的进一步分化则是机体组织和器官修复再生的基础31胚胎干细胞EmbryonicStemcellESC在受精卵发育成囊胚时内细胞层InnerCellMass的细胞即为胚胎干细胞胚胎干细胞具有全能性在体外培养条件下可以建立稳定的干细胞系并保持高度未分化状态可以分化形成成体的所有组织和器官包括生殖细胞在年末两个研究小组成功地培养出人类保持了分化为各种体细胞的全能性这使得科学家利用人类治疗各种疾病成为可能随着的研究日益深入科学家对人类的了解迈入到了一个新的阶段目前关于胚胎干细胞的研究大多以小鼠胚胎干细胞为基础的德美医学小组成功地将由培养出的神经角质细胞移植到了小鼠体内随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332成体干细胞成体干细胞存在于成年体的许多组织器官中如表皮干细胞和造血干细胞具有修复和再生能力在特定的条件下或产生新的干细胞或分化形成功能细胞从而使组织和器官维持生长和衰退的动态平衡最新研究表明高度分化的神经组织仍包含神经干细胞这证明了机体中成体干细胞普遍存在关键在于如何寻找和分离特异性干细胞目前干细胞研究突飞猛进在分离培养定向诱导和应用基础研究方面取得了诸多突破性进展部分干细胞产品已进入临床应用为许多疑难病症治疗带来了希望造血干细胞hematopoieticstemcellHSC造血干细胞主要存在于骨髓外周血脐带血中是体内各种血细胞的唯一来源具有重要的临床价值世纪年代临床上就开始应用骨髓移植来治疗血液系统疾病八十年代末外周血干细胞移植技术逐渐被推广使用提高了治疗的效率并缩短了疗程近年脐血干细胞移植的成功为造血干细胞移植技术注入了新的活力与前两者相比脐血干细胞无来源限制对配型要求不高且不易受病毒和肿瘤的感染在临床上具有明显的优势随着脐血干细胞移植技术的不断完善造血干细胞将成为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为世界上更多的血液病和肿瘤患者带来希望间充质干细胞间充质干细胞主要来源于骨髓在合适的条件下可以分化成为间充质组织细胞如成骨细胞和结缔组织细胞也可分化成为神经细胞干细胞和肌肉细胞近期文献报道间充质干细胞不但可以修复骨软骨肌腱肌肉血管和造血系统等中胚层来源的组织而且也可能作为修复外胚层来源的神经组织嘲和内胚层来源的肝脏肾脏胰腺等器官的种子神经干细胞神经干细胞分布于成人及胚胎的中枢及周围神经系统在不同的条件下能够分化为不同类型的神经元从理论上任何一种中枢神经系统疾病都可以归结为神经干细胞功能的紊乱由于血脑屏障的存在干细胞移植到中枢神经系统后脑和脊髓不会产生免疫排斥反应将多巴胺生成细胞产生的神经干细胞移植给帕金森氏综合症患者可治愈患者的部分症状此外神经干细胞也可应用于药物检测方面对判断药物的有效性和毒性有一定的作用胰腺干细胞在人类糖尿病的治疗方面具有广阔的应用前景胰腺在人体血糖代谢的调节中具有重要作用其胰岛细胞分泌胰高血糖素升高血糖浓度胰岛细胞分泌胰岛素降低血糖浓度目前对于胰腺中转化为胰岛的是干细胞还是祖细胞以及这种细胞在胰腺中的具体位4置还存在着较大的争议有报道表明干细胞存在于导管细胞中在器官形成和再生过程中转化迁移形成新的胰岛也有人认为胰腺干细胞存在于胰岛或腺泡组织中也有报道干细胞可来自组织细胞并被诱导成胰岛类似细胞肿瘤干细胞肿瘤干细胞是在肿瘤中具有自我更新能力并能够产生特异性肿瘤细胞的细胞近年来越来越多的学者认为是恶性肿瘤复发和转移的根源年等对来自肺癌卵巢癌等的肿瘤细胞进行体外培养发现仅的肿瘤细胞能形成克隆表明仅有极少数肿瘤细胞才具有致癌性即肿瘤干细胞等首次从白血病中分离出白血病肿瘤干细胞证实了肿瘤干细胞的存在随后研究者们相继在乳腺癌脑肿瘤胰腺癌肺癌肝癌前列腺癌等中找到了相似的肿瘤干细胞并更一步证实为肿瘤发生的根源随着研究的深入的靶向疗法为恶性肿瘤的治疗带来了新的希望iPS诱导性多能干细胞41iPS2006年日本京都大学ShinyaYamanaka在Naure上率先报道了诱导性多能干细胞的研究把Oct34Sox2cMyc和Klf4这四种转录因子基因克隆入病毒载体然后引入小鼠成纤维细胞发现可诱导其发生转化产生的iPS细胞在形态基因和蛋白表达表观遗传修饰状态细胞倍增能力类胚体和畸形瘤生成能力分化能力等方面都与胚胎干细胞相似2007年美国威斯康辛大学詹姆斯汤姆森的研究小组在Science上发表将体细胞转变成iPS的研究成果而日本京都大学ShinyaYamanaka的研究小组也于同日在Cell上发表类似的研究结果不同的是日本科学家用的人体皮肤细胞分别取自一个岁的女性和一个岁的男性而美国威斯康星大学的实验材料则取自一名胎儿的皮肤和一个新生儿的包皮随后美国马萨诸塞州怀德海特生物医学研究所的雅各布汉纳小组用患镰刀形细胞贫血症的小鼠尾巴的皮肤细胞诱导产生了iPS研究人员用基因特异打靶的方法用未患病的小鼠基因取代了涉及镰刀形细胞贫血症的基因当这些诱导性多能干细胞发育成造血干细胞后将干细胞输给患病小鼠这些细胞在小鼠身上开始产生正常的血细胞小鼠的病症因此也有很大的改善为干细胞在治疗人类疾病方面提供了广阔的应用前景iPS的研究进展年月美国加利福尼亚大学报道将实验鼠皮肤细胞改造为细胞并成功分化为心肌细胞血管平滑肌细胞及造血细胞年月日本东京大学报道利用人类皮肤细胞制成的细胞培育出血小板庆应大学宣布利用实验鼠的细胞培育出角膜上皮细胞5年月英国和加拿大科学家发现了不借助病毒安全将皮肤细胞转化为细胞的方法美国科学家也宣布可以将细胞中因转化需要而植入的有害基因移除且保证由此获得的神经元细胞基本功能不受影响年月中国科学家周琪和高绍荣等利用细胞克隆出实验鼠首次证明细胞与胚胎干细胞一样具有全能性年月英国研究人员发现使干细胞获得全能性的总开关年月美国科学家报道化学小分子可以替代基因诱导细胞年月中科院广州生物医药与健康研究院的研究小组发现通过在培养过程中添加维生素可使诱导效率提高倍年月日本京都大学的一个研究小组利用老鼠皮肤细胞制造的细胞进行培养得到了听神经祖细胞年月中科院广州生物医药与健康研究院的研究小组揭示了体细胞逆转为多能干细胞的启动机制年月两个美国科研小组宣称他们首次发现成人细胞在被重新编程为诱导多功能干细胞的过程中并不会放弃其对原始组织的记忆在直接使用细胞分化成移植用人体组织时可能会产生问题年月山中伸弥率领的研究小组发现使用基因代替基因可大幅降低细胞癌变的风险可以看出的发展是非常迅速的越来越多的国家加入到细胞研究的激烈竞争中美国公布了干细胞研究规范明文规定对成体干细胞及细胞的研究可获得联邦政府资金的支持日本在京都大学设立的细胞研究中心还选定庆应和东京大学及理化研究所作为细胞的研究机构英国则通过各种措施鼓励研究人员从事这一领域的研究iPS的优势及挑战iPS不仅规避了干细胞研究过程中面临的伦理和法律等障碍还消除了潜在的移植免疫排异反应使干细胞研究的来源不受限在医学领域显示出广阔的应用前景但是有诱导性多能干细胞治疗人类疾病仍存在很多挑战在诱导时添加4个重新编程基因或取代疾病细胞中有缺陷基因的方法都可能引发细胞癌变而且获得iPS的效率仍比较低等因而在诱导性多能干细胞应用于人类疗法前我们还需要发展处安全的方法来解决这些及其他潜在的问题干细胞的应用干细胞的应用非常广泛涉及到医学的多个领域现在科学家能够在体外鉴别分离纯化扩增和培养人体胚胎干细胞并以其为种子培育出一些人的组织器官干细胞及其衍生组织器官广泛的临床应用将产生一种全新的医疗技术即利用自己干细胞再生人体组织器官来替换自身病变的或衰老的组织器官假如某位老人能够6使用上自己婴幼儿时期或者青年时期保存起来的干细胞生组织器官那么这位老人的寿命就可以得到明显的延长1999年Science将干细胞研究列为世界十大科学成就第一新加坡国立大学医院和中央医院通过脐带血干细胞移植手术根治了一名因家族遗传而患上严重的地中海贫血症的男童这是世界上第一例移植非亲属的脐带血干细胞而使患者痊愈的手术脐带血干细胞移植并不复杂由于脐带血自身固有的特性脐带血干细胞移植比骨髓移植更有效现在造血干细胞移植技术已经成为治疗白血病各种恶性肿瘤放化疗后引起的造血系统和免疫系统功能障碍等疾病的一种重要手段科学家预言用神经干细胞替代已被破坏的神经细胞有望使因脊髓损伤而瘫痪的病人重新站立起来不久的将来失明帕金森氏综合症艾滋病老年性痴呆心肌梗塞和糖尿病等绝大多数疾病的患者都可望借助干细胞移植手术获得健康6干细胞研究中存在的问题无可否认干细胞的研究和应用对于有效治疗人类疾病方面具有巨大的潜能但在其实际的研究过程中仍存在很多问题61研究程度与应用安全性目前关于干细胞的许多作用机制还没完全清楚如在干细胞可塑性机理研究上还存在着分歧体外大量扩增干细胞并诱导其分化是临床医学上应用的关键干细胞如何到达不同的靶目标并分化为正确的细胞类型和数量以及在正确位置与正确的把组织建立正确的联系二步产生错误连接等还属未知干细胞的研究仍处在初始阶段无论是成体干细胞还是胚胎干细胞的研究与临床应用之间还差距甚远干细胞移植时易产生不适宜的分化产生免疫排斥带来安全隐患控制和调节人体胚胎干细胞向成熟器官的发育是非常复杂和困难的现在人们所能掌握的技术还远远没有达到这个水平伦理争议干细胞的研究和应用引发了若干社会法律和伦理问题使得干细胞治疗性研究受到限制人体胚胎干细胞主要有三个来源从人工受精中捐赠的多余胚胎中获取从死亡胎儿的原始生殖组织中分离从体细胞核转移产生的胚胎中分离这三种来源均涉及到人类的胚胎引起胚胎是否是生命应不应该受到尊重等伦理问题国际上不少国家特别是西方国家从伦理的角度反对利用人类胚胎进行干细胞的研究这也是干细胞研究中人们所要面对的问题之一我国的干细胞研究在20世纪60年代我国就开始了骨髓干细胞移植方面的研究1992年中国骨髓库正式接受捐赠2002年北京建立了期待干细胞库2009年国家干细胞工程技术研究中心医学转化基地在上海成立干细胞技术进入了临床应用阶段全国其他科研单位也开展了干细胞的研究在北京有中国科学院动物研究所7协和医科大学北京大学干细胞研究中心和军事医学科学院等胚胎干细胞研究机构在上海上海生命科学院上海交通大学上海第二军医大学都设有干细胞研究实验室在天津建立了全球首个脐带间充质干细胞细胞库也是我国最大的干细胞研究中心此外中山大学第二附属医院广州健康研究院和湖南湘雅医学院也都有干细胞研究队伍干细胞研究展望就目前研究状态而言本世纪正在出现一股世界性的干细胞研究热潮随着生物细胞实验技术和分子生物学的发展干细胞研究领域也取得了突破性的进展近期中国科学院上海生命科学院和上海交通大学医学院最新研究发现进化上高度保守的信号轴控制造血干细胞发育与白血病干细胞的恶性转化美国杜克大学医学中心通过实验认证多效生长因子可促进造血干细胞扩张和再生开拓了干细胞在再生医学领域中的应用前景而月日在线版发表了多个研究机构共同完成的一项关于干细胞的新研究表明可以从一个细胞移动到另一个细胞更大规模的输送影响基因表达的信号如果说世纪是生命科学的世纪那么干细胞研究将在生命科学中起着主导作用相信依靠人们的聪明才智必定会在干细胞的研究和应用方面取得喜人的成果为人类的健康长寿带来希望8参考文献袁恒锋顾为望干细胞研究概述及其应用前景生物学通报雷万军高伟娜叶圣勤河南科技大学学报医学版程冬婉张伟张叔人成体干细胞临床应用的研究进展中国肿瘤生物治疗杂志邹海军熊伟王杏龙干细胞研究进展上海畜牧兽医通讯马永臻成体干细胞的研究概况山东医学高等专科学校学报王银平殷志强孙婧绿乳腺癌干细胞研究进展外科理论与实践周长梅干细胞研究进展张勤张文干细胞研究进展及其应用前景河北医药httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4KM3YVR1ampuser7104648ampcoverDate082F252F2006amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543003574amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd558892a5ebf7f4c747d62989195309287ampsearchtypeaaff1KazutoshiTakahashi1andShinyaYamanakaCellVolume126Issue425August2006Pages652655httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4R70J0T1ampuser7104648ampcoverDate112F302F2007amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543006602amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd5abcbda9b8a6739600add423edc0ec328ampsearchtypeaaff1httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4R70J0T1ampuser7104648ampcoverDate112F302F2007amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543006602amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd5abcbda9b8a6739600add423edc0ec328ampsearchtypeaaff1httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4R70J0T1ampuser7104648ampcoverDate112F302F2007amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543006602amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd5abcbda9b8a6739600add423edc0ec328ampsearchtypeaaff1httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4R70J0T1ampuser7104648ampcoverDate112F302F2007amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543006602amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd5abcbda9b8a6739600add423edc0ec328ampsearchtypeaaff1httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4R70J0T1ampuser7104648ampcoverDate112F302F2007amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543006602amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd5abcbda9b8a6739600add423edc0ec328ampsearchtypeaaff2httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4R70J0T1ampuser7104648ampcoverDate112F302F2007amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543006602amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd5abcbda9b8a6739600add423edc0ec328ampsearchtypeaaff1httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4R70J0T1ampuser7104648ampcoverDate112F302F2007amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543006602amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd5abcbda9b8a6739600add423edc0ec328ampsearchtypeaaff214KazutoshiTakahashi1KojiTanabe1MariOhnuki1MegumiNarita12TomokoIchisaka12httpwwwsciencedirectcomscienceobArticleURLampudiB6WSN4R70J0T1ampuser7104648ampcoverDate112F302F2007amprdoc1ampfmthighamporigsearchamporiginsearchampsortdampdocanchorampviewcampsearchStrId1543006602amprerunOriginscholargoogleampacctC000071115ampversion1ampurlVersion0ampuserid7104648ampmd5abcbda9b8a6739600add423edc0ec328ampsearchtypeaaff3KiichiroTomoda3andShinyaYamanakaInductionofPluripotentStemCellsfromAdultHumanFibroblastsbyDefinedFactorsJCellVolume131Issue530November2007Pages86187215AnevolutionarilyconservedPTENCEBPCTNNA1axiscontrolsmyeloiddevelopmentandtransformationBlood10June2010Vol115No23pp4715472416NotchmediatedexpansionofhumancordbloodprogenitorcellscapableofrapidmyeloidreconstitutionNatureMedicine2322362010917OpposingmicroRNAfamiliesregulateselfrenewalinmouseembryonicstemcellsNature20104Nature4636216264February2010