造血干细胞进展综述

干细胞生物学成体干细胞研究进展综述生命科学学院食品科学与工程201213010141丁鲁冰摘要成体干细胞存在于人和哺乳动物的各种组织中，具有自我更新和分化潜能。已证实骨髓、神经、肌肉、脂肪等多种组织中的干细胞具有多向分化潜能，可以打破胚层界限，横向分化为无关组织的成熟细胞。成体干细胞具有可塑性，它及其衍生的细胞、组织或器官移植治疗可能成为各种退行性疾病、肿瘤、免疫异常症等疾病治疗以及创伤修复、组织器官功能重建的理想措施。关键词成体干细胞；可塑性；疾病治疗AbstractAdultstemcellsexistinvarioustissuesofhumanandmammal,whichhavethepotentialofself-renewalanddifferentiation.Thestemcellsinbonemarrow,nerve,muscle,fatandothertissueshavethepotentialtodifferentiate,andcanbreakthegermlayerboundaries,anddifferentiateintomaturecells.Theadultstemcellsareplastic,andthecell,tissueororgantransplantationtherapymaybetheidealtreatmentforthetreatmentofvariousdiseases,tumor,immunedisordersandotherdiseases.KeywordsAdultstemcell；plasticity；diseasetreatment（一）、造血干细胞的概念造血干细胞(hematopoieticstemcel1．HSC)是一小群具有高度自我更新和多向分化潜能的造血前体细胞。目前已证实HSC至少能够分化成l2个系列的血细胞及其它细胞，包括红细胞、粒细胞、单核细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱粒细胞、肥大细胞、血小板、TLC、BLC、树突状细胞(dendriticcell，DC)、自然杀伤细胞，以及骨髓中的成骨细胞及成纤维细胞。（二）、造血干细胞的来源和分布关于一般造血干细胞来源于以下途径：骨髓造血干细胞、外周造血干细胞、脐带血造血干细胞、胎盘来源造血干细胞。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、胎盘组织中。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。（三）、造血干细胞的特征骨髓中的干细胞，具有自我更新能力并能分化为各种血细胞前体细胞，最终生成各种血细胞成分，包括红细胞、白细胞和血小板。造血干细胞有两个重要特征：其一，高度的自我更新或自我复制能力；其二，可分化成所有类型的血细胞。造血干细胞采用不对称的分裂方式：由一个细胞分裂为两个细胞。其中一个细胞仍然保持干细胞的一切生物特性，从而保持身体内干细胞数量相对稳定，这就是干细胞自我更新。另一个则进一步增殖分化为各类血细胞、前体细胞和成熟血细胞，释放到外周血中，执行各自任务，直至衰老死亡，这一过程是不停地进行着的。（四）、造血干细胞的造血原理1造血干细胞具有多潜能性，即具有自身复制和分化两种功能。在胚胎和迅速再生的骨髓中，ＨＳＣ多处于增殖周期之中；而在正常骨髓中，则多数处于静止期，当机体需要时，其中一部分分化为成熟血细胞，另一部分进行分裂增殖，以维持ＨＳＣ的数量相对稳定。人类ＨＳＣ首先出现于胚龄第２～３周的卵黄囊，在胚胎早期（第２～３个月）迁至肝、脾，第５个月又从肝、脾迁至骨髓。从胚胎末期一直到出生后，骨髓成为ＨＳＣ的主要来源。造血干细胞进一步分化发育成不同血细胞系的定向干细胞。定向干细胞多数处于增殖周期之中，并进一步分化为各系统的血细胞系，如红细胞系、粒细胞系、单核-吞噬细胞系、巨核细胞系以及淋巴细胞系。2由造血干细胞分化出来的淋巴细胞有两个发育途径，一个受胸腺的作用，在胸腺素的催化下分化成熟为胸腺依赖性淋巴细胞，即T细胞；另一个不受胸腺，而受腔上囊（鸟类）或类囊器官（哺乳动物）的影响，分化成熟为囊依赖性淋巴细胞或骨髓依赖性淋巴细胞，即B细胞。并分别由T、B细胞引起细胞免疫及体液免疫。如机体内造血干细胞缺陷，则可引起严重的免疫缺陷病。（五）、造血干细胞的鉴定和检测对于HSC必须联合应用HSC的表型特征及体内、体外的检测方法进行鉴定。1、体外检测体外检测即利用造血细胞的体外培养来检测造血细胞增殖和分化能力的方法。常用的有以下几种。a、CFC检测集落形成细胞(colonyformingcell，CFC)检测属于短期体外检测(short-terminvitroassay)，是用于鉴定造血祖细胞的技术。对于特定系别的细胞而言，可以根据它们对细胞因子的敏感性、生成分化细胞所需的时间和克隆的大小的不同区分处于不同成熟阶段的祖细胞。b、LTC-IC、ELTC-IC和CAFC检测长期培养起始细胞(LTC-IC)检测、延长长期培养起始细胞(extendedlong-termcultureinitiatingcell，ELTC-IC)检测、鹅卵石区形成细胞(cobblestoneareaformingcell，CAFC)检测都是体外鉴定造血干／祖细胞的长期体外检测(long-terminvitroas-say)。这些用于鉴定不成熟祖细胞的培养体系的培养时间都超过3～5周，这样才能使不成熟的祖细胞有足够的时间进行分化，并且能排除残存的CFC的影响。c、HPP-CFC检测将造血细胞培养于含多种重组细胞因子的特殊双层琼脂培养体系中可以鉴定高增殖潜能集落形成祖细胞(highlyproliferativepotentialcolony-formingcell，HPP-CFC)，7它是经4～8周体外培养后仍具有再接种能力的造血细胞。每个HPP-CFC克隆含50000个以上的细胞，直径大于0.Smm，在培养皿中肉眼可见。2、体内检测a．长期造血重建细胞的鉴定及量化Till和McCulloch在1961年建立的脾集落技术是HSC体内测试的经典方法。实际上，受体小鼠体内存在的可移植细胞也是一个连续体，可被分为3个细胞群(Coulombel等，2004)：①短期生存细胞：如Till和McCulloch首先检测到的12d的CFU-S，即移植12d后在受者脾脏中形成混合集落的细胞；②前集落形成单位细胞移植2周后在受体骨髓中能检测到它的存在，并且它在二次移植时具有生成CFU-S的能力，即骨髓再植能力(mar-rowrepopulatingactivity，MRA)；③长期造血重建细胞(LTRC)b．体内检测的动物模型CFC和LTC-IC检测常用于体外检测细胞的功能特性，由于伦理原因不可能以人作为实验对象，为了鉴定人HSC高度自我更新和长期造血的重建性能，近几年来人们建立了几种动物模型以达到这一检测目的。如：绵羊子宫内胎羊移植系统、SCID小鼠模型、SCID-HuBone小鼠模型和SCID-HuThymus小鼠模型5、成体干细胞研究进展成体干细胞的研究始于20世纪60年代人们对造血干细胞的研究。它移植治疗血液系统及其他系统恶性肿瘤、自身免疫病和遗传性疾病等均取得令人瞩目的进展，极大促进了这些疾病的治疗，同时也为其他类型成体干细胞的研究和应用奠定了坚实的基础。成体干细胞的应用研究是再生医学的一个重要组成部分，同时又是一个多学科交叉的领域，随着对成体干细胞可塑性研究的不断深入和临床应用研究的不断扩展，成体干细胞最终走向临床应用的希望越来越大。5.1成体干细胞的可塑性传统认为,成人组织中的干细胞只能定向分化为其所在组织类型的成熟细胞,但最近的一些研究结果显示,即使干细胞已经专门化,在某些条件下,成体干细胞具有多向分化潜能,甚至可以打破胚层界限,横向分化为无关类型的成熟细胞[4]。估计体内可能存在着处于不同分化阶段和不同分化潜能的干细胞,这些干细胞在向成熟细胞分化时,可能并不直接分化成终末细胞,而是先分化成定向祖细胞,然后再经过多次的分裂后定向分化,进一步可准确无误地分化为有丝分裂后细胞及终末分化细胞。目前已在成人骨髓、软骨、牙髓、血液、神经、肌肉、脂肪、皮肤、角膜缘、肝脏、胰岛等多种成体组织中发现了干细胞,证实许多组织中的干细胞具有多向分化潜能并以干细胞为种子培育成功一些组织器官[3-7]。干细胞的分化受细胞与细胞、细胞与细胞外基质间相互作用的影响,甚至连机械作用力也可以影响干细胞的分化进程。组织中的干细胞细胞因子在传递细胞与胞外基质之间、细胞与细胞之间的信息中起重要作用。5.2成体干细胞可塑性的依据骨髓间质干细胞骨髓间质干细胞具有向多种中胚层和神经外胚层来源的组织细胞分化的能力,这些细胞包括肌细胞、肝细胞、成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、皮肤细胞、神经细胞、脂肪细胞等,也可以分化为造血干细胞和基质细胞,在一定条件下,还可以形成肌小管和肌腱[6-8]。当把人MMSC植入正常发育至免疫系统开始发育前后的绵羊早期胚胎内,它可随胚胎发育而进入多种组织中,分化为相应组织类型的成熟细胞,包括肌腱、脂肪、骨骼肌、心肌、骨髓基质及胸腺基质细胞等[9-11]。将流产胎儿体内的MMSC干细胞植入人为诱发病变的实验鼠肝脏内,发现干细胞在实验鼠体内长为肝细胞,病鼠肝脏恢复正常功能[10]。神经干细胞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,其特征性的抗原为神经巢蛋白[12,13]。从成年哺乳动物脑中分离出的NSC,能在体外长期培养并保持多向分化潜能。将体外培养、扩增后的NSC注入成年大鼠的海马、小脑等处,可分化成与环境相对应的神经元细胞。最近,有人从成年人的嗅球部位分离得到了NSC,表明成人的嗅球有再生的潜能,可作为移植神经干细胞的来源[12]。在体外培养条件下,寡突胶质细胞的前体在特定情况时可重新程序化而形成多能神经干细胞,后者则可分化成为神经元细胞,这一发现为获得神经干细胞提供了又一新途径。皮肤干细胞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含有丰富的干细胞，表皮基底层中有1%~10%的基底细胞为干细胞,随着年龄的增大,干细胞的数量也随之减少[14]。表皮多种相关细胞因子或天然物质、异体或异种皮肤覆盖等可刺激创面周围及底部残存的表皮干细胞增值、分化、移行，可促进受损部位皮肤干细胞的再生和分化。从鼠皮肤分离获得的干细胞可转化为神经元细胞、神经胶质细胞、平滑肌细胞和脂肪细胞等[15]。其它干细胞最近发现脂肪组织中含有丰富的AS细胞,这类细胞具有与MMSC相似的多向分化潜能,可在体外被诱导分化为神经、肌肉、骨、脂肪等[16]。胰腺干细胞也是目前研究的热点之一,已从胰导管分离获得胰干细胞,并在体外诱导培养为胰岛素分泌细胞。将体外培养的鼠胰干细胞经体外诱导成成熟胰岛后移植到非肥胖型糖尿病模型鼠体内可以完全缓解模型鼠对胰岛素的依赖[17]。将体外扩增后胰干细胞置于薄层基质上培养,会形成胰岛样三维结构,呈现成熟胰岛细胞表面标志,分泌胰岛素。角膜上皮细胞来自于角膜缘干细胞,业已证明眼角膜缘含有丰富的干细胞,角膜缘受损后,结膜上皮长入角膜表面,新生血管生成,角膜上皮结膜化[18]。6、结语成体干细胞的研究对推动整个干细胞研究和揭示个体发育过程的机制有重要意义，在推动医学发展的进步和防病治病、增进健康方面也具有诱人的前景。一方面，在成体组织中广泛存在有不同阶段不同发育潜能的原始细胞，可以通过动员和调控局部组织具有较强发育潜能的细胞生成终末细胞参与组织原位的修复与再生，为组织再生修复与原位重建提供新的思路[19]。另一方面，研究成体组织中早期发育阶段保留下来的不同潜能的原是多能细胞的分离与生物学性状将在细胞替代治疗、基因治疗和组织工程中均有重要的前景，特别是有望解决自体应用细胞的来源限制，使自体移植更广泛和可行。此外，成体干细胞与肿瘤细胞比较生物学也是一个需要重新关注的重要领域[20].【参考文献】[1]Lovel-BadgeR.Thefutureforstemcellresearch.Nature,2001;4