林蘇梅 謝爾凡 譯 徐榮祥 馮皙 校

定義

DNA：構(gòu)成基因的脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid）的縮寫。

Gene (基因)：位于染色體上一個特定位置的DNA片段，是一種遺傳功能單位。

基因指導(dǎo)著酶或其它蛋白質(zhì)的形成。

Somatic cell （體細胞）： 除卵子或精子之外的其它身體細胞

Somatic cell nuclear transfer （體細胞核轉(zhuǎn)移）： 一個細胞核從體細胞轉(zhuǎn)移到去核后的卵子。

Stem cell （干細胞）： 一種經(jīng)培養(yǎng)可進行不定期分化并產(chǎn)生專門細胞的細胞

Pluripotent （多能性的）； 能產(chǎn)生有機體的大部分組織的能力 Totipotent （全能性的）： 具有無限的能力。全能細胞能夠?qū)ｉT化胚外膜和組織，胚胎和所有胚胎后組織和器官。

該讀本向大家介紹干細胞的背景資料，包括解釋什么是干細胞；什么是多能性干細胞；多能性干細胞是如何衍化而來；為什么多能性干細胞對科學(xué)很重要；為什么它們對人類健康的進展有著如此重大的希望以及什么是成年干細胞。

最近發(fā)表的關(guān)于第一個人類多能性干細胞系的分離和成功培養(yǎng)報告使人們大為興奮，并將生物醫(yī)學(xué)研究帶向一個新的尖端前沿。這些人類多能性干細胞系的發(fā)展值得人們開展嚴(yán)密的科學(xué)考察，對新療法將帶來的希望的評價，以及預(yù)防策略和對倫理問題的公開討論。

為了理解這項發(fā)明的重要性以及相關(guān)的科學(xué)、醫(yī)學(xué)和倫理問題，首先非常有必要闡明一些術(shù)語和定義。

什么是干細胞？

干細胞具有經(jīng)培養(yǎng)不定期地分化并產(chǎn)生專門細胞的能力。在正常的人體發(fā)育環(huán)境中，它們得到了最好的詮釋。人體發(fā)育起始于精子使卵子受精，產(chǎn)生一個具有形成完整有機體的能力的單細胞。這種受精卵是全能性的，即它的潛能是完全的。受精后的最初幾個小時內(nèi)，這個細胞分裂為一些完全相同的全能細胞（圖1）。這意味著如果把這些細胞的任何一個放入女性子宮內(nèi)，均有可能發(fā)育成胎兒。實際上，當(dāng)兩個全能細胞分離，發(fā)展為兩個單獨的、遺傳上相同的人時，即出現(xiàn)了相同的雙胞胎。大約在受精后四天，經(jīng)過幾個循環(huán)的細胞分裂之后，這些全能細胞開始特異化，形成一個中空環(huán)形的細胞群結(jié)構(gòu)，稱之為胚囊，胚囊由外層細胞和位于中空球形內(nèi)的細胞簇(稱為內(nèi)細胞群)所構(gòu)成。 圖一

外層細胞繼續(xù)發(fā)展，形成胎盤以及胎兒在子宮內(nèi)發(fā)育所需的其它支持組織。內(nèi)細胞群細胞亦繼續(xù)發(fā)展，形成人體真正所有的組織。雖然內(nèi)細胞群細胞可以實質(zhì)上形成人體內(nèi)所能發(fā)現(xiàn)的每一種類型的細胞，但它們不能形成一個生物體，因為它們不能生長胎盤以及在人體子宮內(nèi)發(fā)育所需的支持組織。這些內(nèi)細胞群細胞是多能性的----它們能產(chǎn)生許多種類型的細胞，但并非胎兒發(fā)育所需的全部類型的細胞。因為它們的潛力不是完全的，它們不是全能性的，它們不是胚胎。實際上，如果一個內(nèi)細胞群細胞被放入女性子宮，它不會發(fā)育成胎兒。

多能性干細胞經(jīng)歷進一步的特異分化，發(fā)展為參與生成具有特殊功能細胞的干細胞。如血液干細胞，它能產(chǎn)生紅細胞、白細胞和血小板。又如皮膚干細胞，它能產(chǎn)生各種類型的皮膚細胞。這些更專門化的干細胞被稱為多能力的（圖二）。

干細胞對早期人體的發(fā)育特別重要，在兒童和成年人中也發(fā)現(xiàn)了多能力干細胞。舉我們所最熟知的干細胞之一——血干細胞為例，血干細胞存在于每個兒童和成年人的骨髓之中，實際上，可以在循環(huán)血液中發(fā)現(xiàn)它們，其數(shù)量非常少。在我們的整個生命過程中，血干細胞在不斷地向人體補充血細胞——紅細胞、白細胞和血小板的過程中起著很關(guān)鍵的作用。如果沒有血干細胞，我們就無法存活。

多能性干細胞的是如何衍化的？

目前，人類多能性干細胞系的建立有兩個來源，其方法與以往在動物模型中建立的方法相同。

（1） 在Dr. Thomson進行的工作中，多能性干細胞從胚囊（泡）階段人類胚胎的內(nèi)細胞群中直接分離出來。Dr. Thomson從IVF（體外受精）診所得到胚胎，這些胚胎數(shù)量已超過了不育癥治療的臨床需要。這些胚胎是用于繁殖，而不是研究目的的。從捐獻者夫婦處獲得知情同意書后，Dr. Thomson分離了內(nèi)細胞群（圖三），將這些細胞進行培養(yǎng)，產(chǎn)生一個多能性干細胞系。

（2） 與此相反，Dr. Gearheart從終止妊娠的胎兒組織中分離出多能性干細胞。捐獻者自行決定了終止妊娠，從他們那兒獲得了知情同意書后，Dr. Gearheart從原本要發(fā)育成睪丸或卵巢的胎兒部位取得細胞。雖然Dr. Thomson 實驗室和Dr. Gearheart實驗室使用的細胞系來源不同，但發(fā)育成的細胞看起來相類似（圖三）。

體細胞核轉(zhuǎn)移（SCNT）的使用可能是分離出多能性干細胞的另一種途徑。在SCNT的動物研究中，研究者將一個正常的動物卵細胞去除細胞核（含染色體的細胞結(jié)構(gòu)）。存留在卵細胞內(nèi)的物質(zhì)含營養(yǎng)成分和對胚胎發(fā)育非常重要的能量產(chǎn)生物質(zhì)。而后，利用精心創(chuàng)造的實驗室條件，將一個體細胞——除卵細胞或精子細胞之外的任一種細胞——與除去了核的卵子放在一起，這兩者相融合。融合之后的細胞以及其直接的后代被認(rèn)為具有完全的能力發(fā)育成一個完整的動物，因此是全能性的。正如圖I所示，這些全能性細胞不久將形成胚囊，這個胚囊的內(nèi)細胞群中的細胞，理論上可用來建立多能性干細胞系。當(dāng)然，形成人類胚囊細胞的方法有可能成為人體多能性干細胞的來源（圖四）。

多能性干細胞的潛在應(yīng)用

有諸多理由表明為什么說多能性干細胞對科學(xué)和人類健康的進展是很重要的（圖五）。站在最基本的水平上說，多能性干細胞可以幫助我們理解在人類發(fā)育過程中的復(fù)雜事件。該項工作的首要目標(biāo)是，確定參與導(dǎo)致細胞專門化的決定進程的細胞因素。我們知道啟動和關(guān)閉基因是該進程的中心，但我們對這些“作決定”的基因以及是什么使它們啟動或關(guān)閉知之甚少。一些人類最嚴(yán)重的醫(yī)學(xué)難題，如癌癥和出生缺陷是由于異常的細胞專門化和細胞分化造成的。更好地了解正常細胞的進程，將使我們進一步描繪出導(dǎo)致這些致死疾病的基本錯誤。 人體多能性干細胞研究也能大大地改變我們研制藥品和進行安全性實驗的方法。例如，新的治療藥物/方法可以首先用人類細胞系進行實驗，目前細胞系就是按這種方法使用的（如癌細胞）。多能性干細胞將允許在更多類型的細胞上進行實驗。這不會取代在整個動物和人體身上進行實驗，但這會使藥品研制的進程成流線型。只有當(dāng)細胞系實驗表明藥品是安全的，并具有益的效果時，才可以有資格在實驗室進行動物和人體身上的進一步實驗。

也許人體多能性干細胞最深遠的潛在用途是產(chǎn)生細胞和組織，它們可用于所謂的“細胞療法”。許多疾病和失調(diào)是由于細胞功能障礙或身體組織遭破壞引起的。當(dāng)前，捐贈的器官和組織常被用作取代生病的或遭破壞的組織。遺憾的是，受這些疾病折磨的病人數(shù)量遠遠超過了可供移植的器官數(shù)量。多能性干細胞經(jīng)刺激后可發(fā)展為專門化的細胞，提供了一種替代細胞和組織的可更新資源的可能性，用來治療無數(shù)的疾病、身體不適狀況和殘疾，包括帕金森氏病、Alzheimer’s�。òV呆癥）、脊髓損傷、中風(fēng)、燒傷、心臟病、糖尿病、骨關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。幾乎沒有一個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是這項發(fā)明沒有涉及到的，舉其中的兩例說明如下。

健康心肌細胞的移植可為慢性心臟病病人提供新的希望，這些病人的心臟已無法正常工作。這種希望在于，從人體多能性干細胞中發(fā)育出心肌細胞，并移植到逐漸衰退的心臟肌肉，以便增加衰退的心臟功能。在小鼠和其它動物身上進行的初期工作已表明，植入心臟的健康心肌細胞成功地重新繁殖心臟組織，并與宿主細胞一起活動。這些實驗表明這種移植是可行的。

在許多患有I型糖尿病的人身上，專門的胰腺細胞、即胰島細胞的胰島素制造被中斷。有證據(jù)表明，移植完整的胰腺或分離的胰島細胞可以減少注射胰島素的需要。從人體多能性干細胞中衍生而來的胰島細胞系可用于糖尿病研究以及最終用于移植。 當(dāng)這項研究顯示出非凡的希望的之時，要實現(xiàn)這些發(fā)明之前尚有許多事要做。還有許多技術(shù)挑戰(zhàn)等著我們?nèi)ソ鉀Q，只有當(dāng)這些問題解決之后，才能將這些發(fā)明用于臨床實踐中。這些挑戰(zhàn)雖然很重大，卻也是難以超越的。

首先我們必須做些基礎(chǔ)研究，以理解導(dǎo)致人體中細胞專門化的分子活動，以便我們可以指導(dǎo)這些多能性干細胞發(fā)育成移植所需的組織類型。

其次，在我們可以利用這些細胞進行移植之前，我們還必須克服免疫排斥問題。因為，從胚胎或胎兒組織中衍生而來的人體多能性干細胞與移植接受者在遺傳上會有差異，將來的研究需要聚焦于改變?nèi)梭w多能性干細胞，將組織不兼容性降低到最小程度，或者是創(chuàng)建具有最通用組織類型的組織庫。 體細胞核轉(zhuǎn)移（SCNT）的使用是克服某些病人的組織不兼容問題的另一種方法。例如，有一病人患有進行性心力衰竭，利用SCNT技術(shù)，將從該病人身上取得的體細胞核，與捐獻者的被去了核的卵細胞相融合。經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇碳ぃ�細胞可發(fā)育為胚囊：從內(nèi)細胞群中取得的細胞可建立一個多能性細胞的培養(yǎng)。由于絕大多數(shù)遺傳信息包含在細胞核中，這些細胞與心力衰竭病人在本質(zhì)上具相同的遺傳性。當(dāng)這些心肌細胞移植回病人身體時，不會出現(xiàn)排斥現(xiàn)象，也沒有必要讓病人服用免疫抑制藥品，這些藥品很可能是有毒害作用的。

成年干細胞

正如之前提到的，在一些成年組織中可以發(fā)現(xiàn)多能力干細胞。實際上，在我們體內(nèi)有一些細胞會正常地消耗，需要干細胞來補充細胞供應(yīng)，例子之一便是之前提到的血干細胞。

多能力干細胞尚未在所有成年組織中發(fā)現(xiàn)，但在該研究領(lǐng)域的發(fā)明正日益增多。例如，不久前人們還認(rèn)為成年神經(jīng)系統(tǒng)中沒有干細胞出現(xiàn)，但近幾年，人們卻從大鼠和小鼠的神經(jīng)系統(tǒng)中分離出神經(jīng)干細胞。在這方面人體的實驗經(jīng)驗卻更為有限，在人體中，已從胎兒組織中分離出神經(jīng)干細胞；另外，從手術(shù)治療癲癇切除的成年人腦組織中已分離出一種細胞，它可能是一種神經(jīng)干細胞。

成年干細胞與多能性干細胞具有同樣的潛能嗎？

時至最近，幾乎還沒有證明表明，在哺乳動物中，多能力干細胞、如血干細胞可以改變進程，產(chǎn)生皮膚細胞、肝細胞或除血干細胞之外的細胞或某一種具體類型的血細胞。但是，動物研究使科學(xué)家們對這個觀點提出了質(zhì)疑。

動物的研究表明，被認(rèn)為參與專門細胞系發(fā)展的一些成年干細胞能夠發(fā)展成專門細胞的其它類型。最近的小鼠實驗表明，當(dāng)神經(jīng)干細胞被放入骨髓時，它們顯示出可產(chǎn)生各種各樣類型的血細胞。此外，大鼠實驗研究表明，在骨髓中發(fā)現(xiàn)的干細胞可生成肝細胞。 這些令人激動的發(fā)現(xiàn)說明，即使干細胞開始專門化后，干細胞在某些條件下，會比最初人們所想像地更為靈活。此時，成年干細胞靈活性表現(xiàn)僅見于動物身上，且限于一些類型的組織。

為何不局限于從事成年干細胞研究？

人類成年干細胞研究表明，這些多能力細胞在細胞療法的研究和發(fā)展中具有極大的利用潛能。比如，使用成年干細胞移植有諸多優(yōu)勢。如果我們能從病人身上分離出成年干細胞，誘使它們分化并指導(dǎo)它們進行專門化，而后將它們移植回病人體內(nèi)，這樣的細胞不可能發(fā)生排斥現(xiàn)象。使用成年干細胞進行這樣的治療，當(dāng)然會降低、或甚至避免使用從人體胚胎或人體胎兒衍生的干細胞（這些來源往往會給人們帶來倫理上的麻煩）。

正當(dāng)成年干細胞顯示出真正的希望之時，仍有一些重要的限制，是我們可能用它們無法來完成的。首先，成年干細胞尚沒有從人體的所有組織中分離出來。雖然已經(jīng)有許多不同類型的多能力干細胞被確定，但在成年人體中尚未發(fā)現(xiàn)所有類型細胞和組織的干細胞。例如，我們還沒有在人體中定位成年心臟干細胞或成年胰島干細胞。其次，成年干細胞通常僅以微小的數(shù)量出現(xiàn)，很難分離和純化它們，它們的數(shù)量也會隨年齡增長而降低。比如，從成年中分離出來的腦細胞可能是神經(jīng)干細胞，它是通過移除癲癇患者的腦的一部分才獲得的，這不是一個常見的例子。

如果想利用病人自身的干細胞進行治療，那么所需的干細胞必須從病人自身中分離出來，然后經(jīng)過培養(yǎng)成長，獲得足夠的數(shù)量后才可以用來治療。對于一些急性失調(diào)病癥，恐怕來不及生長足夠的細胞用以進行治療。在另一些因遺傳缺陷導(dǎo)致的疾病中，遺傳錯誤很可能也會出現(xiàn)在病人的干細胞中，從這樣的病人身上獲得的干細胞不適合移植。有證據(jù)表明，從成人身上獲得的干細胞的增殖能力與年輕人身上獲得的干細胞的增殖能力不同。此外，由于受日常生活的影響，包括日光、毒素、以及在生命的一生中DNA復(fù)制過程中造成的可預(yù)見錯誤的影響，成年干細胞可能含有更多的DNA異常。這些潛在的弱點將限制成年干細胞的使用。細胞專門化的早期研究在成年干細胞身上可能無法進行，因為它們比多能力干細胞沿著專門化道路走得更遠。此外，一個成年干細胞系能形成幾個，可能是3 或4個組織類型，但目前，還沒有跡象表明成年干細胞具有比多能力干細胞更廣泛的潛在特點。為了決定許多人體專門化的細胞和組織的最好來源，為新療法甚至是治愈方法服務(wù)，進行成年干細胞發(fā)展?jié)撃艿难芯�，并將其與多能力干細胞的潛能進行對比研究將是非常重要的。

總結(jié)

針對最具破壞性疾病的新療法的發(fā)展，由于干細胞具有巨大的希望，因而同時從事所有系的研究是很重要的�？茖W(xué)和科學(xué)家需要尋找這些細胞的最好來源。一旦它們被確定，不論它們的來源，研究者們都將會利用它們?nèi)�從事新細胞療法的發(fā)展。能產(chǎn)生許多人體組織的干細胞系，無論是多能性的還是多能力的，它們的發(fā)展是一項重要的科學(xué)突破。如果說這項研究將有可能對藥品應(yīng)用產(chǎn)生革命，提高生命質(zhì)量和壽命，這種說法也不算太不切實際。

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Michael Shamblott, et al. Derivation of pluripotent stem cells from cultured human primordial germ cells. PNAS, 95:13726-13731, Nov. 1998 James Thomson, et al, Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science, 282:1145-1147, Nov. 6, 1998.