成体干细胞

第四节　成体干细胞

生物体组织需要干细胞来维持正常的更新和损伤后修复，在已经充分发育的组织中也确实存在这类干细胞，称之为成体干细胞(adult stem cell)。成体干细胞即为存在于不同组织中的未分化细胞，它保持自我更新的能力和具有分化为该组织特定形态特征和独特功能的各种类型细胞的能力。这种干细胞最典型的例子就是造血干细胞，它能分化为各种血细胞。过去认为具有成体干细胞的组织主要是造血干细胞和上皮干细胞。最近研究表明，以往认为不能再生的神经组织仍然存在神经干细胞。目前，越来越多在各种组织中包括脊髓、脑、血管、骨骼肌、肝胰、视网膜等均发现成体干细胞，说明成体干细胞普遍存在。但成体组织中干细胞数量稀少，如骨髓中只有1/15000～1/10000的造血干细胞，再加上不同组织的成体干细胞存在的部位不一，并缺乏形态及细胞表面标记，尤其是成体组织中成体干细胞的来源到目前为止还无定论，因此，其分离与鉴定均较ES细胞困难得多。随着研究的深入，各种组织成体干细胞的分离与鉴定技术逐步走向成熟，也研究出许多鉴定成体干细胞的标记(表11-2)。

表11-2　几种成体干细胞的生物学特征

注:?为仍有疑义。

一、造血干细胞

造血干细胞(haematopoietic stem cell，HSC)是第1种被认识的组织特异性干细胞，骨髓10000～15000个细胞中才有1个HSC。迄今为止HSC还没有特异的形态特征，目前主要通过其表面标志来分离、纯化HSC，其主要分选标志为CD34⁺和CD38等。

HSC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。造血调控的最新理论认为，正常情况下HSC只进行不对称性分裂，在一个HSC分裂所产生的两个子细胞中只有一个立即分化为造血祖细胞(haematopoietic progenitor cell，HPC)，而另一个仍保持HSC的全部特征不变。这样的不对称分裂无论进行多少次，人体内原有HSC的数量始终不变，可见HSC的这种自我更新决定了它不能自我扩增;但它不断产生HPC，而HPC一旦产生，立即出现对称分裂。随着对称分裂的HPC增多，其自我更新能力愈加下降，晚期HPC则全部进行对称分裂，并边增殖边分化。因此，HSC能够在体内长期或永久地重建造血，而HPC不能。

造血(hematopoiesis)是一个极其复杂和精细的动态调控过程。在哺乳动物的胚胎发育中，血细胞首先出现在卵黄囊，称为胚胎有核红细胞。随胚胎发育，这些前体细胞进一步迁移至造血环境中，如大动脉、性腺嵴和中期肾，再进一步迁移至胎肝。在胎肝中，一些HSC分化成为功能定向的HPC，其可产生髓系和淋巴系细胞。出生前，HSC移位至骨髓。可见造血干细胞到祖细胞再到外周血细胞的这种分化调节过程相当复杂，依赖于各种造血生长因子、造血基质细胞、细胞外基质等多种因素的相互作用与平衡，并涉及细胞的增殖分化、发育成熟、迁移定居、衰老凋亡和癌变等生命科学中的许多基本问题，这也是基础研究的主要热点。

HSC是在临床治疗中应用较早的干细胞，HSC移植是干细胞移植中成功的先行者，从骨髓中分离、纯化HSC进行移植已成功地应用于临床。HSC移植技术治疗白血病，就是首先应用超大剂量化疗和放疗手段，最大限度杀灭患者体内的白血病细胞，但同时也全面摧毁其免疫和造血功能;然后将正常人HSC输入患者体内，重建造血和免疫功能，达到治疗疾病的目的。但是，HSC并不能在人群中随意移植，正如输血需要配ABO血型一样，HSC移植需先进行人白细胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)配型。HLA是人体细胞表面的MHC，只有两个个体HLA配型相同，才能进行HSC移植，否则会发生移植物抗宿主反应(GVHD)或移植排斥反应，严重者可危及生命。骨髓库即是将志愿者HLA分型资料贮存于电脑，有患者需要供体时，将其HLA资料经电脑检索配型，由配型相合者捐献骨髓或外周血用于移植。目前发现，脐带血中含有丰富的HSC，可用于HSC移植。如能建立脐血细胞库，变“废”为“宝”，将会使大批患者受益。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。

除了可以治疗急性白血病和慢性白血病外，HSC移植也可用于治疗重型再生障碍性贫血、珠蛋白障碍性贫血(地中海贫血)、恶性淋巴瘤、多发性骨髓瘤等血液系统疾病以及小细胞肺癌、乳腺癌、睾丸癌、卵巢癌、神经母细胞瘤等多种实体肿瘤。对急性白血病无供体者，也可在治疗完全缓解后采取其自身HSC用于移植，即自体HSC移植进行治疗。而且许多研究报道证明，HSC在体内可向肝脏细胞、神经组织细胞、肌肉细胞及心肌血管内皮细胞分化，并可在体内迁移至损伤部位，参与组织和器官的修复与再生。

二、间充质干细胞

在人类、鸟类、啮齿类等生物的骨髓中，可分离出一种骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSC)。过去认为，骨髓只有一项功能——替换血液中的红细胞和白细胞。而MSC被认为仅仅在支持血细胞产生中发挥作用。近年来，人们才明确地意识到MSC是成体干细胞。MSC具有干细胞的共性，即具有自我更新及多向分化的能力。MSC形成于发育中的骨髓腔，在尚未建立造血功能的骨髓中，其分裂旺盛;在具有造血功能的骨髓中，MSC是静止的。人的MSC属于专能性干细胞，可分化为多种间充组织，如骨、关节、肌腱、肌肉、骨髓基质等。

一般认为，MSC只存在于骨髓中，但最近的研究发现从人的骨骼肌中也分离出了MSC，它同样可以分化为骨骼肌管、平滑肌、骨、软骨及脂肪。此外，也有人分别从骨外膜和骨小梁以及脐带血中分离出MSC，其特性与HSC相似。目前尚无MSC的特异性标志，它可表达间质细胞、内皮细胞和表皮细胞的表面标记，其中CD29、CD44、CDl05、CD144是MSC的重要标记物。利用它进行组织工程学研究有如下优势:①取材方便，间质干细胞可取自自体骨髓，简单的骨髓穿刺即可获得，也可从脐带血中分离MSC，且在体外容易分离培养和扩增。②对机体无害，由于MSC取自自体，由它诱导而来的组织在进行移植时不存在组织配型及免疫排斥问题。③由MSC分化的组织类型广泛，理论上能分化为所有的间质组织类型，因此成为细胞治疗的理想工程细胞:将它分化为骨、软骨或肌肉、肌腱，在治疗创伤性疾病中具有应用价值;将它分化为心肌组织，则有可能构建人工心脏;将它分化为真皮组织，则在烧伤中有不可限量的应用前景。

三、神经干细胞

传统观点认为，哺乳类动物和人中枢神经系统的神经元在出生后不久就丧失了再生能力，成人脑细胞一旦受损是不能再生的。然而近年来的研究发现，在中枢神经系统中部分细胞仍具有自我更新能力及分化产生成熟脑细胞的能力，这些细胞称为神经干细胞。

目前对神经干细胞的生物学特性知之甚少。神经干细胞存在于胚胎神经系统及成年脑的某些特定部位，其特征性的生物学标志为神经巢蛋白(nestin)。神经巢蛋白是细胞的骨架蛋白。不同区域的神经干细胞可能有着不同的生物学特性，如作为神经干细胞的室下带(subventricular zone，SVZ)细胞，可表达神经胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)，具有星形胶质细胞样的超微结构和多个突起;而从中枢神经系统的任何区域分离培养的神经干细胞在培养状态下具有共同的形态特性，往往呈球形生长，常可见到增殖的细胞，具有多潜能分化能力。

神经干细胞具有干细胞的特性，可以在分化前的培养过程中无限增殖;神经干细胞是一种单能干细胞，受不同因子影响。神经干细胞可以进一步被诱导分化为3类主要的中枢神经系统类型——神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。神经干细胞在表皮生长因子的作用下可持续进行细胞分裂;而在成纤维细胞生长因子2的作用下，胎鼠的海马、脊髓以及嗅球组织均能诱导产生多潜能的神经干细胞。由于神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞都可以用作特定细胞移植材料，所以如何充分利用神经干细胞多分化潜能，便成为研究的热点。

尽管在体外可以分离和培养神经干细胞，仍有许多关键性问题尚未解决。目前，对神经干细胞的研究集中在以下几个方面:①确定人类是否也具有神经干细胞;②进一步研究神经干细胞生物学特征，以及分离、纯化和扩增的条件;③人类神经干细胞在脑内的定位以及怎样在原位诱导神经干细胞增殖分化以补充因疾病和损伤所丢失的神经细胞;④人类神经干细胞是否也可向其他胚层的细胞转化等。

中枢神经系统疾病中有很多是因为某种特定的脑细胞发生退行性死亡，导致一些重要的神经递质、蛋白质因子或某些重要结构的匮乏所致。因此在成功地培养了神经干细胞之后，人们很自然地想到利用它直接进行移植治疗，或利用病毒载体，携带目的基因，导入神经干细胞，将筛选得到的体外高效表达目的基因的克隆进行移植，即细胞治疗。神经干细胞移植的研究虽然起步较晚，但却是当前研究的热点，这与人类社会老龄化带来的老年性疾病的上升趋势有关。如老年性痴呆、帕金森病、卒中等疾病，均伴有脑或脊髓相应部位特定神经元的死亡，而利用干细胞移植治疗这些疾病的动物模型已获成功。神经干细胞移植还可治疗脊髓损伤、脑外伤等。神经干细胞移植的一个特点是移植入中枢神经系统后不具有免疫排斥反应，脑和脊髓由于血--脑屏障的存在使之成为免疫系统中较为特殊的器官。

四、表皮干细胞

皮肤是一种更新非常快的组织，其中人的表皮每月更新一次，头皮表层细胞每24h即全部丢失;另一方面皮肤又很容易受到损伤。为满足更新和创面愈合的紧急需要，必须依赖其特异性干细胞——表皮干细胞不断增殖、分化产生再生。表皮干细胞是一种在成年期还能维持很高的自我更新能力，并能产生子代细胞进行终末分化的细胞。表皮干细胞存在于皮肤皮脂腺开口处与立毛肌毛囊附着处之间的毛囊外根鞘处，表皮干细胞持续增殖分化可取代外层终末分化细胞，从而进行组织结构的更新，外层细胞的死亡脱落与基底干细胞的分裂维持一定的平衡。

表皮干细胞的生物学特性有以下特点:①具有分化潜能;②能无限增殖分裂;③可连续分裂，也可较长时间处于静止状态;④通过两种方式复制和分裂，一种是对称分裂，即一个干细胞分裂形成两个相同的干细胞;另一种是非对称分裂，即一个子细胞保持干细胞的特征，另一个不可逆分化成为功能专一的祖细胞。

干细胞在整个增殖过程中处于相对静止状态，当受到损伤等情况时，干细胞的分裂方式会发生改变，它们的增殖速度提高，以适应机体的需要。由此可见表皮干细胞最显著的两个特征是它的慢周期性(slow cycling)与自我更新能力。

表皮干细胞的标志物主要是整合素，干细胞主要通过表达整合素实现对基膜各种成分的黏附。整合素包括α和β两种亚基，β¹整合素表达下降可引起基底细胞对基膜的黏附性减少，从而促使基底细胞的定向分化。表皮干细胞低分化能力的维持与周围看护细胞和细胞外基质密切相关，而整合素家族中即包括多种细胞外基质受体，如层粘连蛋白受体、纤连蛋白受体和胶原受体。整合素不仅介导表皮干细胞与细胞外基质的黏附，也调控终末分化的启动。整合素功能和表达的下调可确保角朊细胞选择性地由基底层定向排出。在正常表皮内整合素的表达局限于基底层。整合素在控制表皮分化和形态发生中的作用提示整合素功能和表达的差异可为增殖基底细胞的不同亚群提供标记。不同部位皮肤，整合素阳性细胞的分布区域有所不同。如包皮和头皮的毛囊间表皮，整合素位于真皮乳头的顶端，即真皮最接近皮肤表面处;而手掌部位则位于深部网状层的顶端，即表皮投射至皮肤的最深处存在整合素。在头皮毛囊向外开口于皮肤处，则呈袖套样分布于毛囊外根鞘周围。

角蛋白(keratin)在表皮干细胞的鉴定中具有重要意义。皮肤中表达角蛋白19(k19)的细胞定位于毛囊隆突部，它不仅具有干细胞的特性，而且高表达α、β整合素，故认为k19可以作为表皮干细胞的一个表面标志。

表皮干细胞的临床应用还在研究中，利用表皮干细胞进行的表皮培养、细胞治疗及基因治疗等策略都因各自存在的问题而不能很好地实现，但表皮干细胞的研究对诸如大面积烧伤、广泛性瘢痕切除和外伤性皮肤缺损等治疗具有很大的应用前景。

除了上述提到的几种成体干细胞以外，人们还发现存在肠干细胞、肝干细胞、胰腺干细胞、肌肉干细胞、视网膜干细胞等。对人类成体干细胞的研究表明，这些专能干细胞在细胞疗法的研究中具有极大的应用价值。如果能从患者身上分离出成体干细胞，诱导其分化并进行特化发育，而后将它们回植入患者体内，就可以避免因异体移植而出现的排斥现象。使用成体干细胞进行治疗，还可以降低，甚至避免使用来源于人体胚胎或胎儿干细胞所带来的伦理问题。

尽管成体干细胞的应用显示出广阔的前景，但仍受到一些因素的限制。首先，虽然多种不同类型的专能干细胞已得到确定，但尚未能在人体所有组织和细胞中分离鉴定出成体干细胞。其次，成体干细胞在数量上是非常少的，很难分离和纯化，且随年龄增长其数目会减少。比如，成人脑组织中的神经干细胞，仅在切除癫患者部分脑组织后的反应性修复中才能看到，而在正常成人脑组织中很难获取，因此这种干细胞的实际应用价值就比较低。再次，如果尝试使用患者自身干细胞进行自体移植治疗，那么首先必须从患者体内分离干细胞，然后进行体外培养，直至有足够数量的细胞才可用于治疗。对于某些急性病症，恐怕就没有足够的时间来培养细胞了。由此可见，研究成体干细胞在体外保持长期增殖和定向诱导其分化的机制极其重要。