不老之泉探秘之三“成体干细胞——现实的应用”

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1.简单说说成体干细胞

·什么是成体干细胞

什么是成体干细胞呢?我们前面讲过,在一个生物个体的发育过程中,有一些细胞中途停了下来,不再继续分化,而长期保持自己的幼稚状态和分化潜能;当受到一些特殊的理化刺激时,才又会活跃起来,开始增殖和分化,变成机体需要的细胞类型,发挥应有的作用。

它们是存在于一种已经分化组织中的未分化细胞,这种细胞能够自我更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。就好像是一些隐藏在成人群里的小孩子,平时静静的待在那里,一旦条件许可,就可以迅速的变多、长大,成为大人,并且获得大人的能力,与别的大人一样工作。神奇吧?

不过这些小孩子也不都一样:有的年纪小点(更幼稚);有的年纪大点(更成熟);有的能力强一些(可以分化成更多种类的功能细胞);有的能力弱一些(只能分化成一种或少数几种细胞)。不过它们都有几个共同的特点:(1)它们是存在于成体的,也就是说可以在成年动物体内发现和分离出它们;(2)它们都有自我更新的能力;(3)它们都有能够特化形成组成某种类型组织的能力。

成体干细胞的研究最早始于20世纪60年代对造血干细胞的研究。造血干细胞也是目前为止研究得最清楚,应用最成熟的成体干细胞,应用造血干细胞移植可以治疗多种血液系统恶性肿瘤、某些实体瘤、某些自身免疫性疾病和某些遗传病。

之后人们又发现了对皮肤的修复和再生至关重要的上皮干细胞;再以后人们在以往以为不能再生的神经组织中也发现了神经干细胞。这说明了成体干细胞可能普遍的存在于生物体内,问题是如何寻找、分离、鉴定和培养各种组织特异性的干细胞。

目前,已经报道含有干细胞的成体组织有:脑、脊髓、外周血、血管、骨骼肌、心肌、皮肤、肝脏、消化道和肺。

·我们用成体干细胞干什么?

成体干细胞是一类非常有用的细胞。

事实上,我们人体之所以有一定的再生能力,就是靠着成体干细胞,比如,表皮的再生、血细胞的换新、头发指甲的生长之类。这是因为在我们体内的成体干细胞或者增殖出新的干细胞、或者按一定程序分化,形成新的功能细胞,从而使我们的组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。

所以在我们的组织和器官受到损伤或者失去功能的时候,它们也可以被动员起来,进行修补和重建。但是我们体内的成体干细胞的数目和能力毕竟还是有限的,当组织和器官损失太大,难以重建时,成体干细胞也无法总是满足我们的需要,所以有时它们只好行“权宜之计”,弄点瘢痕组织敷衍一下,先过去这个坎儿再说。

有时候一个器官损失太大、或者总是不停的在损失,就会弄出很多的瘢痕组织,这些组织虽然还在这个器官中但却不能行使它们应该行使的功能,这样这个器官也就失去了它应有的功能,变得不能用了。这,就是我们常说的“肝硬化”,“肺纤维化”的过程。还有一种情况,虽然器官的损失不大,可是成体干细胞的数目有限,特别是人老了以后,成体干细胞无论活力和数目都不可与年轻人相比,也会逐渐的出现这种状况,这就是所谓的“退行性病变”。

想要长生?这个样子怎么能长生呢?

所以,科学家们就想要把成体干细胞从人体内分离出来,让它们在我们的控制下多多增殖,再把它们送回体内,让它们发挥功能。

事实上,使用成体干细胞有很多的优点:首先,获取相对容易,每个人都有;其次,成瘤性低,不容易在人体内“变坏”,变成肿瘤;第三,得自于成人,所以不太存在伦理争议(这个不像胚胎干细胞那么麻烦);第四,可以应用病人自身的成体干细胞,不存在组织相容性问题,避免了移植物排斥反应和免疫抑制剂的使用;最后,许多种成体干细胞还有多向分化的潜能,可以由一种细胞分化成多种不同组织和功能的细胞,而分化的定向性却比胚胎干细胞要好。

成体干细胞治疗是目前发展最快也是最成熟的干细胞治疗手段。

·成体干细胞不能干什么

但是,成体干细胞也有它自身的局限性。

首先,成体干细胞在成人体内的储量是非常少的,特别是一些特殊组织的干细胞,比如神经干细胞,心肌干细胞等等;

其次,要分离到它们也很困难。除了造血干细胞在外周血中就可以分离到它们,其他的成体干细胞基本上都存在于机体组织中,你要把它们拿出来首先需要的就是“破坏”——割一块下来,翻翻拣拣,把需要的细胞挑出来。本来已经受损的组织器官哪里经受得住这个折腾啊?

第三,成体干细胞的鉴定也是一个难题,科学家们为此吵得不亦乐乎,对很多种成体干细胞并没有一个一致的鉴定标准。一般多用的方法是采取分子标记的方法,但是用哪种分子来标记,就是科学家们分歧最多的地方了。

最后,成体干细胞的能力也有限,不是什么类型的细胞都能分化出来,在体外传代增殖的能力也有限,自身也比较娇嫩,一个不对自己先挂了,更不要说去救别人了。

·成体干细胞的远大前程

到目前为止,胚胎干细胞还主要停留于研究阶段,要想达到应用还有一段很长的路要走。而成体干细胞就不同了,有些成体干细胞(比如造血干细胞)的应用已经算是临床的常规手段了。以后的发展还未可限量。

总的来说,成体干细胞的应用主要是在器官修复及功能恢复上。

首先,最常用的就是自体移植了,比如骨髓、外周血、脐血的造血干细胞移植;还有间充质干细胞的移植等。由于有的成体干细胞有横向分化的能力,所以我们可以把用一种细胞来修复不同的组织。比如间充质干细胞,就可以分化成骨、软骨、脂肪以及血液组织等。当然,用“专门”的细胞修复“专门”的组织就更不在话下了。比如说用皮肤干细胞修复烧伤受损的皮肤啦;用牙髓干细胞来修复牙周和牙骨质啦,都是已经正在施行或可望的现实了。

不过,这些修复都需要患者自身拥有足够健康可用的组织,还要有提取、体外分选和培养以及移植的过程,有一定的适应症,不是什么时候都能用的。

其次,成体干细胞也可以进行异体移植,比如日本就有一位母亲将自己的一部分胰脏的胰岛细胞移植给了自己得糖尿病的27岁的女儿,胰岛细胞可以正常行使功能产生胰岛素。不过,由于异体移植的免疫排斥现象,以及移植物来源的问题,虽然现在异体移植还在继续研究和发展,但毕竟不是科学家们努力的最主要的方向。就好像数字机出来以前的模拟机一样,大哥大虽然也算是手机,但和iPhone4相比那可就差远了。

但是,研究成体干细胞还是非常非常有必要的。

为什么呢?其实人类再生医学的最终梦想就是:有什么器官组织坏了,马上就可以有一个新的、好用的器官组织换上来,安全快捷。要想制造出新的器官组织,必然得了解这些器官组织是怎么来的、怎么新陈代谢保持活力的,那就要研究这些器官组织的特异性成体干细胞的特性了,它们是怎么来的?它们又是怎么分化的?如何用它们形成新的组织器官等等。

特别是它们是怎么来的,现在我们已经可以把终末分化的细胞重编程成为类似胚胎干细胞的多能性细胞,如果我们知道了各种成体干细胞是怎么来的,我们就可以把患者自身的诱导多能性干细胞分化成我们需要的成体干细胞,再变成我们需要的组织器官。目前,要得到诱导多能性干细胞只需要芝麻那么大的一点皮肤,或者几毫升血,甚至是几根毛发就可以了。可以想象一下,不远的将来我们可以拔一根毛就变出自己想要的组织器官,那不是和孙大圣一样有本事了吗?所不同的只是孙大圣要自己变,而我们则需要科学家和实验室。

下面,让我们分别介绍一下常见的几种成体干细胞。

 

2.生命之源——造血干细胞

·造血干细胞的研究历史

造血干细胞,顾名思义,就是所有血液细胞的祖宗。其实它也是各种免疫细胞的祖宗,可以发育成各种髓细胞和淋巴细胞,同时还具有很强的自我更新能力。

这是个非常富有神秘色彩的概念,不像大家所想象的那样是个现代词汇,最早提出于十八世纪,并引发了生命科学界长达两个多世纪的旷日持久的不懈探索,与人类对血液系统和免疫系统的认识密切相关。

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镜下的造血干细胞

早在1774年,休森就提出了“造血细胞起源定位”的问题,认为血细胞起源于淋巴组织;1846年,胚胎学家韦伯和克里克尔证明肝脏是造血的的主要部位;1868年,诺伊曼和比萨彼若分别提出了骨髓是成人造血的重要部位的观点,但直到十九世纪末才得到广泛接受;1898年帕彭海姆采用改良若曼诺斯基染色法,追踪到了原始单个核细胞,并认为这是所有血细胞的共同始祖细胞;1961年,加拿大科学家蒂尔和麦卡洛克发明了著名的脾集落生成单位证实确实存在有一种具有再植和多向分化能力的细胞,即造血干细胞。

此后,科学界对造血干细胞的研究不断深入,对它的认识也在不断的加深,因为整个造血调控的机制是多层次复合网络式的,整体的各器官、组织、细胞、分子、亚分子等多层次都有影响造血调控机制的因素,所以,造血干细胞有了现代的新定义:造血干细胞是机体内最独特的体细胞群,具有及其高度的自我更新、多向分化、跨系分化与重建长期造血的潜能,以及损伤后再生的能力;此外还具有广泛的迁移和特异性的归巢特性,能优先定位于相应的造血微环境中,并以非增殖状态和缺乏相关抗原的方式存在。

造血干细胞具有以下这些特点:

首先,它们必须具备重建造血功能。也就是说,当一个机体完全失去造血功能后,只要还有造血干细胞存在或者有造血干细胞被引入(移植),那么这个机体就有可能恢复造血功能并维持今后的永久性正常造血。(就像中国古代神话中大禹治水时所使用的“息壤”一样,生生不息,永不枯竭。)

其次,造血干细胞有着高度的自我更新自我维持的能力。这个能力有两个方面:一方面,它不能自我扩增(至今没有任何实验证明造血干细胞在正常情况下能够在体内或体外扩增);另一方面,它的子代细胞可以保持造血干细胞的全部特性不变(具体原因我们将在下一节讨论)。99.5%的造血干细胞处于静止状态,不进行DNA的合成和有丝分裂,它们只是静静的待在它们的小环境里,默默的等待着……等待着……

第三,造血干细胞有“回家”的能力,它可以自己找到自己的“家”,也就是适合自己生存的地方,这就是我们所说的“归巢”。就像识途老马一样,永远知道自己可爱的家园在哪里。它们可以从自己的家园里游出,在外周血中“游荡”一圈,再寻找到并进入微环境适宜的“龛”中,并定居其中。

最后,造血干细胞也没有特异性的形态学特征,也就是说我们不能简单的通过细胞的长相来判断它是否是造血干细胞;也没有特定的表面标志物来确定哪些细胞是造血干细胞,基本上,在实验和应用领域,我们会把特异性高表达CD34的细胞归类于造血干细胞。

·造血干细胞从哪儿来

造血干细胞从哪儿来呢?

造血干细胞来源于发育中的胚胎。

我们都知道,我们都是由受精卵发育而来的。当受精卵数次分裂开始分化为胚胎和胚外结构的同时,就开始了造血干细胞的分化,它们出现于胚外结构的卵黄囊血岛,外层分化为原始的血管网,内层就分化为最早的造血干细胞。

在胚胎发育的第15周,胎肝的造血能力逐渐上升,脾脏则在第3个月左右参与造血,胸腺淋巴结也在胚胎的第4个月开始参与造血。

但实际上造血干细胞最多的,还是来源于骨髓。从妊娠第9-12周开始,骨髓就开始发育,到7个月时骨髓腔就充满了富含造血干细胞的红骨髓,从此,骨髓成为主要的造血器官并保持终身。来源于肝脏的造血干细胞经血液循环迁移,栖居于骨髓中,一边维持自身数目与特性的稳定,一边增殖分化,为机体提供源源不绝的血液细胞。

简单的说,就是:卵黄囊→胚肝→骨髓。

那么,在骨髓中的造血干细胞又是如何一边维持自己的数目和特点,一边分化增殖为机体提供源源不绝的血液呢?

有很多种学说,目前占统治地位的是“不对称有丝分裂”。就是说当造血干细胞分裂时,进行的是不对称的有丝分裂,一个子代细胞保持造血干细胞的全部特征不变,而另一个子代细胞则走入继续增殖分化的不归路。这样,造血干细胞就可以在体内可以长期或永久性地重建造血。

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造血干细胞一旦变成早期的造血祖细胞,就立即恢复了对称性的有丝分裂,但自我更新和自我维持的能力也就开始下降,随着造血祖细胞增殖能力的提高,自我更新的能力就越加下降,边增殖边分化,最后完全失去自我更新能力。所以造血祖细胞只能在体内短期的重建造血,而不能长期或永久的重建造血。

·造血干细胞可以干什么?

我们知道,正常人体每天各种血细胞的更新量是非常巨大的,以一个体重70公斤的人计算,每天需要更新十亿个血细胞,其中包括2千万的红细胞、4千万的血小板、7百万的粒细胞以及其他近12个不同系列的血细胞。而这个过程仅靠造血系统内很少量的造血干细胞的自我更新和多向分化以及造血祖细胞的大量扩增就可以完成。人体内的造血细胞每时每刻都必须要进行扩增,才能保障机体的正常生理功能。

在临床上,造血干细胞移植已经成为一项重要的治疗手段,应用于治疗多种严重疾病中。

大家都知道骨髓造血干细胞的移植可以用于治疗白血病,新闻里经常会有这样的报道,但是大家知道吗?最早进行骨髓移植的却是治疗辐射病。1945年,美国在日本广岛和长崎投下两颗原子弹后,造成大量伤亡,其中有很多都是辐射病,伤者骨髓抑制,失去了自我造血的能力,于是就有人尝试利用骨髓移植的方法来治疗这些病人。因为这些辐射已经摧毁了这些病人的免疫系统,所以得到了异乎寻常的成功。从此,骨髓移植开始成为了一项医学技术,在救死扶伤的第一线为我们人类造福。

一般情况下,对成人来说造血干细胞主要存在于扁平骨的红骨髓中,一个成人的红骨髓一般总量有3000克。一般会以CD34阳性,也就是大量表达CD34蛋白的造血细胞作为造血干细胞的标志。国际上在这个问题上的共识是,临床标准输入量是20万个细胞每公斤体重。也就是说一个50公斤的人,如果要进行造血干细胞的移植的话,需要1千万个CD34阳性的细胞。

除了骨髓外,正常人体的外周血中也有着及其少量的造血干细胞,而如果我们用药物使骨髓中的造血干细胞“动“起来,跑到外周血中,我们就可以直接用外周血分选的方法来收集造血干细胞了,一般动员剂会使外周血中的CD34阳性的细胞增加20~30倍。这也是目前造血干细胞移植中最常用的方法。

此外,还有就是脐血。足月的胎儿在分娩时,造血干细胞还处于从胎肝向骨髓转移的过程中,所以在脐血中会含有一定量的造血干细胞,一份100毫升的脐血含CD34+的细胞为40万到200万个,由此可见一份脐血的造血细胞至少需要扩增10~20倍才能符合移植的需求。

我国等待造血干细胞移植的患者有数百万,仅白血病患者每年就新增4万以上,要成功地进行造血干细胞移植治疗,捐献者与患者之间的HLA型别要相合。如果不合,移植后就会产生严重的移植物抗宿主反应,甚至危及患者的生命。因此,必须建立中国人的造血干细胞捐献者资料库,并且是参加的志愿者越多,库容量越大,患者找到相合捐献者的机会就越多,“生机”就越多。

HLA分型就像血型,但是比血型要复杂的多。由于不同种族、不同个体的HLA千差万别,必须采用一定的方法对捐献者和患者的HLA型别进行确定,从而选择与患者HLA相配合的捐献者进行移植,这是造血干细胞移植治疗成功的关键。人类非血缘关系的HLA相合率是几百分之一到万分之一,在较为罕见的HLA型别中,相合的几率只有几十万分之一,由于我国独生子女家庭的普遍性,高相合率人群减少,今后移植主要依靠在非血缘关系供者中寻找相合者。

 

[延伸阅读]     

怎样成为一名造血干细胞捐献者?

一般年龄在18~45周岁,身体健康,符合无偿献血条件、并有一次以上献血经历者,自愿报名,都可以成为造血干细胞捐献者。志愿者可以与各地红十字会的热线电话联系报名、填写志愿捐献书及有关表格,并抽取5毫升血液。组织配型实验室将会对你的血液进行HLA分型检查,并把你的所有相关资料录入中国造血干细胞捐献者资料库的计算机数据库中,以供渴望移植治疗的患者寻找配对。

登记后资料库会对你的自愿性进行再确认,但移植前,尤其检署捐献同意书后就不能撤消捐献决定,因为在这个时候,患者为准备移植必须进行大剂量的放疗和化疗,这时患者已经丧失造血干细胞能力,此期间若你终止捐献,再临时寻找配型相合者已来不及,患者将有生命危险。

移植方式 外周血造血干细胞 骨髓造血干细胞 脐带血造血干细胞
成份 较为单一的造血干细胞 除造血干细胞外还有其他血液成份 除造血干细胞外还有其他血液成份
采集方法 在上臂血管采集,不住院不麻醉,采集前注射动员剂无痛苦 在髓骨上钻孔采集;需住院需麻醉不需注射动员剂有痛苦 收集脐带血
移植应用 普遍 较少 只适用25公斤以下儿童
成本 很高
采集及恢复时间 2-4天 半年 --
保存 无需保存 无需保存 实体保存
应用 普遍 较少 很少

·我们还想用造血干细胞干什么?

20世纪90年代的几项研究显示,造血干细胞除了具有重建造血和免疫系统的功能以外,在体外经诱导还可以向非血细胞系列分化,随后又有几项研究表明上述研究结果在体内也能得到某些证实。这一系列重大发现对生命科学的基础性研究是具有划时代意义的,对细胞组织工程或干细胞工程研究能解决种子细胞来源问题,临床应用上则对治疗相应脏器功能衰竭以及遗传性疾病具有巨大的潜在价值。

从1997年开始,各国科学家不断的研究出造血干细胞可以向肝脏细胞、脑的星形胶质和少突胶质细胞、肌肉前体细胞、心肌细胞、毛细血管、以及小动脉中的内皮细胞和平滑肌细胞分化。目前,利用造血干细胞的可塑性进行横向分化的研究正在如火如荼的展开,包括我国在内的各国科学家都在为了这个同样的理想不懈的奋斗着。

此外,在造血干细胞领域的研究还有另一个热点,就是造血干细胞的体外扩增,这样就可以通过自储微量健康的造血干细胞用于自己的造血移植、成份输血、基因治疗以及细胞组织工程,这在闹“血荒”的当今该有多重要啊!

血液一直被人类看做是生命的源泉,作为血液之源,造血干细胞的研究对我们人类的健康长寿至关重要,也是目前为止在干细胞领域研究最多,应用最多,应用前景最广最光明的一个方向。

 

3.力量与智慧——神经干细胞

 小故事:

大家或许看过著名的系列科幻电影《超人》吧?最近华纳还宣布说要开拍新版。不过最经典的还是克里斯多夫·李维从1978到1987年间拍的那四部。身高193公分拥有康乃尔大学学历的李维,不幸于1995年参加马术比赛时摔落马背,脊椎严重受伤,颈部以下全部瘫痪。虽然“超人”发挥了惊人的意志力,不仅离开了病床积极接受复健,更致力于推动胚胎干细胞的研究,希望让身体瘫痪的患者重新站起来,但还是于2004年因为心脏衰竭,在纽约过世,终年52岁。但是“超人”的梦想并没有终止,终有一天,科学家们会让这些折翼的天使重新飞回到蓝天。而要实现“超人”未竟的梦想,就要靠我们的神经干细胞了。

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克里斯多夫·李维(Christopher Reeve)

 

·神经科学发展的强大引擎

在20世纪90年代,科学界还普遍认为成年人的大脑和脊髓中的神经元是不可能再生的,认为中枢神经系统的神经元一旦发生死亡,就是永久性的,只有胚胎期和新生儿的神经才具有再生能力。所以“超人”李维才会寄希望于胚胎干细胞的研究,希望胚胎干细胞能够让他重新站起来。但之后的研究发展却大大超出了人们的预期,胚胎干细胞固然有望用于治疗中枢神经系统的损伤,但成体干细胞在目前看来似乎比胚胎干细胞的前景更光明一些。

1992年加拿大病理学家雷诺兹首先在成年小鼠大脑的纹状体分离出能够在体外不断分裂增殖的、具有多向分化潜能的细胞群。由此提出了神经干细胞(Neural stem cell)的概念。狭义的神经干细胞是指成体神经干细胞,指的是分布于胚胎及成人中枢及周围神经系统的干细胞。

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存在于成人中枢神经系统的神经干细胞主要在海马齿状回的颗粒下层和侧脑室的室管膜下区,来自于后者的新生神经元可以远距离迁移到其它的神经组织中

简单的说,就是在成年哺乳动物的大脑中分离出来的具有分裂潜能和自我更新能力的母细胞,它可以分化产生神经组织的各类细胞,包括神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞;而且这类细胞还有在体内迁徙的能力,可以从脑、脊髓这样的中枢系统迁徙到周围神经,并在那里安下家来,发挥作用。

虽然所有的神经干细胞都是从胚胎细胞而来,但与造血干细胞不同,不同的神经干细胞类型可以产生不同种类的神经细胞,分布与不同的位置。比如:只存在于胚胎时期的神经管上皮细胞,可以产生放射性胶质神经元和神经母细胞;前者可以分化出神经元前体细胞,后者可以分化出神经前体细胞;而这些细胞都可以产生各类神经胶质细胞。

我们所讲的神经干细胞指的就是成体中存在于脑中的中枢神经干细胞,其实在外周也有一些“神经干细胞”称为“神经嵴干细胞”,它们可以分化成外周神经细胞、神经内分泌细胞和施旺细胞,还能横向分化成色素细胞和平滑肌细胞。

与造血干细胞不同,神经干细胞有两种不同的分裂方式:一种是对称分裂,一次分裂产生两个相同的子代细胞,都是神经干细胞;另一种是不对称分裂,一次分裂产生两个细胞,一个是神经干细胞,另一个是分化了的细胞,并随着不断的分裂分化成熟,称为神经元或神经胶质细胞。这样的分裂方式,就决定了神经干细胞不像造血干细胞那样“生生不息”,而是越幼稚的细胞自我更新能力越强,越老的细胞则越弱,来自胚胎的神经干细胞自我更新能力最强,也具有最强的增殖分化能力。

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镜下的神经干细胞分裂成神经球。在胚胎大脑的发育中,越早期的胎脑,其神经干细胞比率越高,用直接分离的自然流产的胚胎新鲜脑组织可以在体外增殖形成神经球

在现代的干细胞研究中,人们已经可以成功的把胚胎干细胞、某些种类的成体干细胞和神经干细胞在体外培养,使其分化成神经干细胞和各类神经细胞。也可以通过引入基因的方法把从人体内得到的神经干细胞永生化,让它们在体外无限的增殖生长。但是,对体内神经干细胞的分化机制了解的还是很少。通过对体外培养和分化的研究,我们可以知道,在胚胎发育的过程中,中枢神经系统的发育是一个长期而复杂的过程,需要很多种的细胞因子和分化因子的参与,受到细胞信号和细胞外微环境的严密调控。对这些细胞信号和微环境的研究,是目前神经科学最热门的方向之一,因为只有了解了它们,我们才能真正做到“牵着神经干细胞的鼻子走”,让它们变成什么样的神经细胞就变成什么样的神经细胞,让它们在哪里安营扎寨它们就会在哪里驻扎下来,发挥作用。这样,我们才能实现“超人”的梦想,也让我们可爱的桑兰不用重蹈“超人”的覆辙,有朝一日可以重新站立起来。 

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      贴壁生长的小鼠神经干细胞

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      免疫荧光标记的小鼠神经干细胞  

 

·神经干细胞的研究热点

从原理上讲,用神经干细胞再生治疗神经疾病有三种方式:一是用移植的细胞取代受损的细胞重建神经回路;二是利用移植细胞保护受损的神经细胞,使其免于死亡,长出轴突,并与次级神经元形成突触;三是用移植细胞形成中间神经元,重建神经回路。

我们可以利用多种外源性细胞进行移植,比如永生化的神经干细胞株、胚胎干细胞株、脐带血干细胞、胎儿神经干细胞、成人神经干细胞及骨髓间充质干细胞等。这些细胞可以在体外培养、分化或者转基因后再移植来治疗各种神经疾病。但是这些细胞都各有优缺点,在应用时需要小心对待。

另外,在神经干细胞的研究当中,科学家们还发现,神经干细胞(和其它一些干细胞)移植到受损大脑后,还可以通过分泌一系列生长因子,如神经生长因子、脑源性神经生长因子、神经胶质源性生长因子、血管内皮生长因子等,增加受损部位的内源性神经细胞的数量和存活率,活化它们,使它们能迁移到受损区域形成新的神经回路,它们都是当今神经科学研究的热点。

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神经干细胞在特定环境下可以分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞

·神经干细胞可以治啥病?

利用神经干细胞治疗中枢神经受损的疾病在动物实验中已经得到了很多可喜的结果,但是要用到人体还需要更多的努力。

比如说“超人”李维的脊髓损伤,它不是一组特定的细胞群的损伤,而是一个区域的所有神经细胞的全面损伤和死亡。所以,要用移植的方法来治疗时,移植细胞必须可以分化成多种细胞,并且这些细胞之间还要可以彼此协调、相互合作,重新形成有效的神经回路。在动物实验中已经得到结果中说明,脊髓神经干细胞虽然具有多种分化潜能,但是在自然的分化状态下最容易分化成星形胶质细胞,没有神经元的脊髓形成的其实就是我们前面所说的“不完全再生”形成的瘢痕,只不过这里是胶质细胞形成的胶质瘢痕。它们没有功能,不能形成有效的神经回路,也无法让“超人”站起来。体内外诱导脊髓神经干细胞的定向分化是让“超人”站起来的关键,现在世界上正有不少科学家在朝着这个方向努力呢!

事实上,如前一节所讲,神经干细胞在人类疾病中应用最多的还是帕金森病,截至2006年,全世界已经有300多人接受了胎儿神经干细胞移植的治疗,有的患者在接受移植多年后症状仍可持续性改善。

帕金森病是由于大脑黑质区分泌多巴胺的神经细胞退化造成的一种渐行性退化性疾病,著名的好莱坞明星凯瑟琳·赫本就罹患此病,大家看她在晚年所演的电影中一直在不由自主的不停颤动,这就是这个病的表现。

由于分泌多巴胺的神经细胞有着良好的可塑性和代偿能力,所以只有当它们的损失达到75%以上时才会产生症状,在临床上多采用多巴胺增效剂这样的药物来改善症状,但是药物用久了会产生耐药性,并且还有运动协调上的并发症,非常影响生活品质。好在帕金森病只影响一种细胞(多巴胺神经细胞),而且还有很好的动物模型可供研究,所以对帕金森病的研究一直是神经损伤疾病的排头兵,也是最早取得突破性结果的一种疾病。

现在,利用胎儿神经干细胞移植治疗帕金森病的问题还是存在的,除了原料难得以外,取得的胎儿细胞体外培养分化的时间越长,移植后就越容易死亡,时间越短则越容易形成畸胎瘤。所以,提高存活率,减少细胞死亡,尽可能实现体外大规模扩增是目前这一领域研究的热点。

[延伸阅读]

胎儿神经干细胞移植已经称为帕金森病的治疗方法之一。可以用流产胎儿的黑质区(subatantia nigra)的脑组织进行移植,移植后的细胞不但可以存活,而且还能分泌多巴胺明显改善症状。不过因为材料不易取得,移植时的使用量又相对较大,移植一次,需要6个胎脑,还有牵涉伦理障碍、异体移植避不开的免疫排斥等问题,目前无法在临床上大规模开展。

 

脑血栓是另一种神经干细胞移植应用于临床的疾病。脑血栓的成因是脑血管的阻塞,因为受影响的区域的不同会引起多种细胞受损,本来并不容易以单一的细胞治疗来修补受损的神经并重新建立神经回路。但是如果受损的部位在大脑的纹状区等特定的位置,就可以进行细胞移植的治疗了。不同的科学家用不同的移植细胞,如胚胎干细胞、胎儿神经干细胞、脐带血细胞、骨髓间充质干细胞等进行过多种移植,大部份都能改善神经功能、减少中风面积。随着这方面研究的继续,相信以后会有更多的方法应用于临床。

此外,还有肌萎缩性侧索硬化症,是最主要的一种运动神经元疾病,俗称“渐冻人病”,因为此病侵犯病人的四肢、躯干和延髓的上下运动神经元,导致吞咽困难、肌肉萎缩、肌无力和肌束颤动,就像一个人慢慢地被冻住了一样,一般发病后的存活年限不超过三年,是一种极为严重的恶性神经系统疾病。现在科学家已经可以轻易地在体外把胚胎干细胞分化成运动神经元,但是在移植中运动神经元的放置位点却是个难题,此外如何建立不同神经细胞间的联系也是一个挑战。在最近的人体实验中,将间充质干细胞注射进入侧索硬化症患者的胸椎中,追踪四年显示有部分案例的肺功能恶化趋势有所减缓。也许间充质干细胞有望在治疗这一疾病中发挥作用。

现在再说点题外话,我们这里讲的神经干细胞指的都是中枢神经干细胞。实际上外周的神经细胞比中枢神经细胞有着更强的再生能力,所以断指再植经过锻炼还可以恢复大部份的功能。

·还差啥?神经干细胞

除了通过移植进行神经损伤后的功能重建外,神经干细胞还有其它的利用价值:

比如,它可以作为携带特殊基因的载体用于疾病的治疗。神经干细胞可以在体外培养、扩增,进行基因操作,把一些特殊的基因或经过改装、修饰了的基因引入到这些细胞的基因组里,再将其植入到中枢神经系统。这样,携带特殊基因的神经细胞既可以和宿主的神经元建立突触联系又可以提供特殊基因的表达产物,比如某种酶,而达到基因治疗的目的。已经有报道用神经干细胞治疗基底神经节损伤和固定性运动神经缺陷的病人,不过移植效率还是有点差强人意罢了。

神经干细胞还可以作为神经系统疾病的药物筛选载体,从正常人脑组织分离获得的神经干细胞具有种属特异性;从病人脑组织分离获得的神经干细胞则具有疾病特异性,它们从理论上讲有着均一的遗传背景,有利于药物筛选平台的稳定性和可重复性。而利用神经干细胞可以在体外诱导分化的特点,还可以进一步筛出促进神经干细胞向特定神经细胞种类分化的药物来。

另外,神经干细胞与组织工程学相结合的研究也是目前研究的热点。近年来,组织工程学飞速发展,它可以建立细胞与生物材料的三维复合体,形成类似活体的组织,对有病的或受损的组织进行形态、结构和功能的重建,最终达到永久性的替代。

在过去的十多年,神经干细胞领域成果不断,取得了举世瞩目的成就,积累了大量的实验室经验,为神经干细胞治疗走向临床提供了丰厚的理论基础。随着人类对基因组、蛋白质组学以及表观遗传学的研究的不断深入,我们必将会完全了解神经干细胞的内在规律,从而可以有规律的定向控制它的增殖和分化,并让它们在我们所需要的位置行使功能。

但是,神经干细胞研究中还有许多未竟的事业,需要更多更深入的研究,仅就神经干细胞移植就有以下一些方面需要进一步的研究:首先,不同代的神经干细胞有可能具有不同的生物学特性,必须找出最适宜移植的代数范围,保证移植细胞的状态和成份;其次,不同疾病的发生发展规律是不同的,对于不同的疾病也要掌握最佳的移植时机;第三,移植细胞的数量也是一个问题,并不是越多越好,不同实验室所做的移植数目差异很大,这还需要更多实验确定一个最佳数目;第四,在异体移植中,不但移植入的神经干细胞会有反应,它也会引起受体神经系统的一系列反应,甚至会影响受体自身的神经干细胞,这些继发性反应也需要研究和关注;第五,不同的移植方法对移植物以及受体也会有不同的影响,我们总在寻找更加简便,创伤更小,效率更高的移植方法;第六,我们如何标记移植的细胞,如何检测移植细胞的存活率,如何鉴定移植后功能的重建;最后,是如何在移植后帮助功能的重建。

 

4.干细胞中的007——间充质干细胞

·面目模糊的间充质干细胞

间充质干细胞就像成体干细胞中的007。这位说了,是像007那样英俊潇洒吗?错了!英俊潇洒的那是皮尔斯·布鲁斯南,真正的间谍才不会像他那样人见人爱、花见花开、车见车爆胎呢!真正的间谍应该长得非常普通,一副貌不惊人的样子,甚至你见过他之后转眼就会忘记他的长相,因为他长得实在是太普通了。但是实际上呢?人家却是本领高强,文武双全,内外兼修,就像俗话说的那样:一肚子的磨刀水――秀(锈)气在内呢!

间充质干细胞就是这样一类干细胞:神出鬼没,存在于身体的多个组织器官;貌不惊人,没有明显的特征,甚至没有可以用来鉴别它的标志;神通广大,可以变身(分化)为各种组织器官的细胞。它们是那样的特殊,以至于人们简直没有办法准确地定义它们。

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光镜下的间充质干细胞          

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电镜下的间充质干细胞

简单的说,间充质干细胞是指一群具有向成骨细胞、成软骨细胞和成脂肪细胞分化的,具有多种分化潜能的多能干细胞。它们来源于胚胎发育早早期的中胚层和外胚层的未成熟的胚胎结缔组织,在体内外特定的诱导条件下可以分化成脂肪、骨、软骨、肌肉、肌腱、韧带、神经、肝、心肌、内皮甚至血液等多种组织细胞。

怎么样,复杂吧?

那么,为什么要把这一类细胞称为间充质干细胞呢?它们的共性就在于:它们都来源于同一个地方――间充质。间充质是指动物胚胎中一种尚未特化的结缔组织,多数是由薄薄一层细胞外基质和其中埋藏的细胞组成,在这些细胞中就包括有间充质干细胞,它们的特点就是可以分化成骨、软骨和脂肪。虽然其后的研究表明,用分离和鉴定间充质干细胞的经典方法纯化出来的细胞们还可以分化成肌肉啦、韧带啦、神经啦、甚至血细胞什么的,但这都不是它的特性,只能算是它“顺便”带有的功能罢了。

但,这些顺便带有的功能却在再生医学中起着大作用。

有趣的是,间充质干细胞不止可以分化成各种各样的细胞,它的来源也是五花八门的。最主要的,当然还是来源于骨髓啦,其次还有脐血、外周血、肌肉、骨、软骨、肌腱、脂肪和血管等。看到了吗?凡是它能分化的组织中就可以看到它的存在。那么是因为这些组织需要它间充质干细胞才会在这里出现,还是间充质干细胞本来就在发育的过程中停留在了这些组织中,这还是科学家们研究的一个课题。

 

[延伸阅读]

国际细胞疗法学会建议间充质干细胞分离、培养和鉴定的三条基本原则:一是体外培养必须具有贴壁性(就是说这种细胞必须是依附在我们的培养器皿上生长的);二是CD105、CD73、CD90这几个基因高表达(专业上称为“抗原阳性”),而缺乏造血系统的基因如CD45、CD34和单核巨噬细胞以及B细胞的特异性表达的基因(专业上称“抗原阴性”);三是在标准的体外分化的条件下,它们至少可以分化成为成骨细胞、成脂肪细胞和成软骨细胞。

·功能强大的间充质干细胞

间充质干细胞是一种非常好的可用于移植的成体干细胞。

首先,它和造血干细胞一样,主要来源于骨髓,易于获得;其次,它也很容易被分离出来,目前有非常经典的方法来分离它;第三,间充质干细胞在体外培养不易自动分化(人的间充质干细胞在12代以内可以保持核型正常,并保持很强的端粒酶活性);第四,它又不像胚胎干细胞或神经干细胞那样,有永生化的趋势(一个细胞一旦有了永生化趋势,就同时具备了成瘤性,有可能形成畸胎瘤甚至是恶性肿瘤);第五,间充质干细胞的免疫原性很低,在异体移植时不容易发生免疫排斥(也就是说,它像余则成一样,很懂得潜伏,可以不被警惕性很高的免疫系统发现――这也是一个间谍必备的素质,不是吗?);第六,间充质干细胞还懂得“策反”,它有免疫调节的作用,可以调节受体的免疫系统,使这些免疫系统不但不排斥它,反而为它所用(强大吧!);最后,作为一种易于获取的成体干细胞,间充质干细胞也完全可以应用于自体移植,从自己的骨髓中分离出来,用于修复自己病变和损伤的组织,完全不存在免疫排斥等问题。

间充质干细胞的应用研究最早是用于骨和软骨的修复,十九世纪就有人在从事这方面的研究,动物实验中取得了很好的效果。现代医学主要采用体外培养扩增后的间充质干细胞与组织工程学的支架材料复合制备出一个复合体,然后再植入缺损的部位。目前,这种治疗在骨和肌腱的修复中已经相当成功,但还没有办法造出完美的软骨,科学家们还在这个方面继续努力着。

间充质干细胞还可以在体内或体外分化成骨骼肌细胞,因而可以再造肌组织,用于治疗肌萎缩、肌营养不良等疾病。

间充质干细胞还可以分化成心肌细胞,这给广大心脏病患者带来了福音。目前国际上已经用间充质干细胞治疗急性心肌梗死和慢性缺血性心脏病,都取得了不错的疗效。科学家们还在研究它们在非缺血性心肌病中的应用。事实上,因为干细胞移植在心肌疾病上的应用,美国近年来的心脏移植手术的数量一直都在下降中。

间充质干细胞可以在体外较长期的培养,近年来还发现它还很容易被外源基因转染和表达,是一种很好的基因载体。所以从理论上讲,我们可以通过将正常基因转入到患者自身的间充质干细胞内,经过体外扩增后再回输到患者体内,从而达到治疗某些基因突变引起的遗传性疾病的目的。

人们很早就研究出间充质干细胞有支持造血的功能,它可以分泌很多种可以刺激造血细胞增殖和分化的细胞因子,同时它还可以被诱导分化成基质细胞,可以修补由于基质细胞缺乏导致的造血功能障碍。2007年,人们又发现,间充质干细胞本身也可以分化成血液细胞,这样,间充质干细胞也可以被用于血液疾病的治疗。

间充质干细胞所具有的低免疫原性和免疫调节的特性,因此从理论上讲,它就可以被用于治疗自身免疫性疾病,炎症和过敏性疾病。在这个领域,我国的科学家们取得了长足的进步,在间充质干细胞对再生障碍性贫血、梗死心肌炎症以及心肌,毛细血管修复的影响,证实间充质干细胞在这一领域有着广泛的应用前景。

此外,间充质干细胞还被用于肝细胞的移植,以及牙科,角膜疾病的研究,等等方面。作为一种面目模糊但却功能强大的成体干细胞,间充质干细胞的研究正是成体干细胞研究的一个热点。

在未来,间充质干细胞的研究还有以下几个关键问题:首先,是寻找和鉴定间充质干细胞的特异性细胞表面标志分子。科学家们肯定不会放任间充质干细胞就这样面目模糊下去,一定要找出它的分子标志,让它们在我们的眼皮底下无所遁形,这样我们才能更好的分离、培养、研究和利用它们。其次,鉴于间充质干细胞良好的分化潜能,对它的功能拓展也是一个关键,寻找不同来源、不同特性的间充质干细胞,并且扩展它们的分化能力,扩大它们所治疗疾病的适应症,减少不同个体之间的差异,提高诱导分化的效率和方向性都是未来间充质干细胞研究中所面临的挑战。

5.成体干细胞中的“败类”——肿瘤干细胞

·什么是肿瘤干细胞

肿瘤干细胞指的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。

意思就是说:肿瘤干细胞就像是肿瘤的“种子”,一方面它可以自我更新,自己复制自己,无限繁殖;另一方面又可以在增殖的过程中变成其它种类的肿瘤细胞,侵袭、转移。

那么肿瘤干细胞从哪里来的呢?这里有两种说法:一是,原本潜伏在组织里的成体干细胞发生了变异,变成了肿瘤干细胞;另一种说法是,某些细胞发生变异后,干细胞化,变成了“特别坏”的肿瘤干细胞。这两种说法在科学界吵得不亦乐乎,两方面都有自己的实验证据,但也都不能得到完全证实。本来大家都已经倾向于是前者了,可是近年来诱导多能性干细胞的发现,又使大家有了新的思路。到底肿瘤干细胞从哪儿来呢?还需要我们的科学家继续不断地研究下去,毕竟这个领域还是一个新兴领域,还有很多很多的空白需要填补。

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组织中的肿瘤干细胞

 

不管肿瘤干细胞从哪儿来,它们都是一群“非常坏”的细胞,因为它们是肿瘤发生、发展和维持的基础。它们的数目非常稀少,一般只占所有肿瘤细胞的0.1%~1.0%,但成瘤性却很高,是普通肿瘤的几百倍;它们还可以多向分化,形成各种不同的肿瘤,只要肿瘤干细胞到达一个新的组织或区域,肿瘤的转移就是不可避免的了;它们还很“狡猾”,对放疗、化疗不敏感,它们拥有与正常干细胞一样的本领,在它们的细胞膜上有一类特殊的分子泵,可以排出进入细胞的化疗药。所以就算我们用放、化疗杀死了大部份的肿瘤细胞,只要还有肿瘤干细胞的漏网之鱼,肿瘤就还会复发,这也解释了为什么肿瘤复发率会那么高的原因。

在对肿瘤干细胞的研究过程中,产生了一种新的肿瘤发生理论,称作有序构成理论。这个理论认为:人体的肿瘤细胞是由一系列表型功能各异、处于不同成熟阶段的细胞有序的构成的,而肿瘤干细胞则处于这一构成的最上游。就是说肿瘤的发生就像一个大型企业或机构,有着明确的组织结构和分工,而肿瘤干细胞则是“高层”。可以打个比方,就像基地组织和本·拉登。

[延伸阅读]

肿瘤干细胞是一个相当新的概念,虽然20世纪60年代就有人提出了这个设想,但是一直到1997年才由博尼特等人首次从人急性粒细胞性白血病中分离出一些具有特殊表面标志的肿瘤细胞,被广泛认同为肿瘤干细胞。之后穆罕默德与克拉克等又成功的分离出了人类乳腺癌肿瘤中的肿瘤干细胞;僧伽罗等分离出了人脑瘤中的肿瘤干细胞;又有学者从胰腺癌分离出了肿瘤干细胞等等,之后肿瘤干细胞的家族越来越大,还有结肠、肝、肾等肿瘤都发现有肿瘤干细胞的存在。

·“败类”也有用——为什么要研究肿瘤干细胞

作为一种非常“坏”的细胞,肿瘤干细胞具有与其他成体干细胞一样的特性和能力,而正是因为有了这些特性和能力,肿瘤干细胞才具有那么大的破坏力。套句蜘蛛侠里的话,这叫“能力越大,祸害越大。”

首先,肿瘤干细胞与其他的正常成体干细胞一样,通常处于相对静止或者说相对休眠的状态,而当前临床上常用的抗肿瘤药物都是针对正在迅速分裂的细胞的(大多数肿瘤细胞都有分裂特别迅速这个特点)。

其次,多数成体干细胞都表达一类蛋白,可以参与细胞内化疗药物的转运,比如三磷酸腺苷结合蛋白药物转运子,这类基因的表达产物在正常的干细胞中可以帮助干细胞抵抗环境中的不利化学因素的影响。但当我们要用化学药物去杀死危害我们的健康的肿瘤干细胞时,这个功能却使肿瘤干细胞可以轻易地逃逸。

第三,机体为了让干细胞能够稳定的“休息”,往往会给它们制造一个小小的“安乐窝”,我们称之为“龛”。这些龛有着良好的细胞外基质,起着屏障的作用,既使干细胞不容易接触到化疗药物,又在龛中形成一种低氧的小环境,避免因射线引起的DNA损伤。这些对干细胞的“照顾政策”同样也适用于肿瘤干细胞,致使肿瘤干细胞更容易从化疗、放疗中逃逸。

第四,前面我们也讲过,干细胞都具有很强的端粒酶活性和很强的DNA修复功能,这样,即使放、化疗伤害到了它们,它们也有本事进行修复,继续自己的“幸福生活”。

第五,我们都知道,干细胞是作为储备细胞而存在的,当机体需要它们的时候,才会被动员起来,增殖分化成我们需要的细胞。在这个过程中,干细胞必然会从原来待着的地点转移出来,一路前行,直到需要它的地方才再次定居。肿瘤干细胞也具有这样的能力,但这个能力一旦配备到肿瘤干细胞身上就悲剧了,因为这就是肿瘤转移的原因啊!肿瘤干细胞因此具备有极强的转移能力和侵袭能力。

最后,肿瘤干细胞还有一项特殊的能力,它可以在低氧的环境下可以出释放大量的血管内皮生长因子,这种蛋白可以促进附近的组织中长出新生的血管。这有什么用呢?俗话说“兵马未动,粮草先行”,血管就是为肿瘤组织提供粮草的生命线。肿瘤干细胞可以为自己产生更多更大的血管,以获取更多的营养物质,保证自己的生长。

因此,研究肿瘤干细胞的意义特别重大。首先,我们要研究肿瘤干细胞是从哪里来的?到底是成体干细胞发生了突变,还是普通细胞重新幼稚化变成了干细胞?从而阻断它的来源;其次,我们可以研究不同种类的肿瘤干细胞的表面标志,不但能够在体外分离研究它们,更重要的是给治疗提供靶点;第三,我们还可以通过诱导肿瘤干细胞分化,使其失去自我更新的能力来治疗肿瘤,比如现在已经在临床上使用的维甲酸,就是通过这个机制来治疗急性早幼粒细胞白血病的;最后,科学家们还在研究是否能够让肿瘤干细胞“改邪归正”, 使其逆转恢复成正常的干细胞或普通细胞。

以肿瘤干细胞为靶点的抗肿瘤治疗的研究是当今肿瘤研究中的重点,它为人类认识肿瘤的发生机制和肿瘤的防治提供了一条最具有挑战的可能和希望。

6.其他一些成体干细胞

·脂肪干细胞

脂肪干细胞实际上是一类间充质干细胞,它们是起源于中胚层而定居于脂肪组织中的一类成体干细胞。与其他间充质干细胞类似,都有非常强大的多向分化的能力,可以被广泛的应用于移植治疗和组织工程,是成体干细胞中的“明日之星”。

2001年茹克等人首次从脂肪抽吸物中分离出了具有间充质干细胞特性的脂肪干细胞,有发育成骨、软骨、脂肪、肌肉等多种组织的功能。

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培养的脂肪干细胞

脂肪抽吸术是一种利用负压吸引或者超声波、高频电场等物理化学手段,通过穿刺或者较小的皮肤切口,把局部经过预处理的皮下脂肪吸出的一种微创手术,最早是在20世纪60年代由罗德贝尔医生等人创立的。在相当长的一段时间它都是作为一种主要美容手术而流行,直到茹克等人发现了前途无量的脂肪干细胞。最妙的是,脂肪抽吸术还不会影响脂肪干细胞的能力,我们将可以通过一个原本很“无聊”的美容手术来使我们的病人获得新生。

与来自骨髓的间充质干细胞不同,脂肪干细胞的能力不会随着提供者年龄的增加而降低。一般的讲,骨髓组织会随着年龄的增长而逐渐减少,相对的可获取的间充质干细胞也会减少,更糟糕的是细胞的分化能力也会下降。脂肪干细胞的优势就在于,它的附着与增殖能力与年龄无关,而只与提供者的体质有关。施博尔等人发现,来源于不同部位的脂肪干细胞的数量和分化潜能是不同的,白色脂肪内的含量多于棕色脂肪,而与腹部、大腿和乳房来源的脂肪组织相比,人的前臂组织中含有更多的脂肪干细胞(不过我估计如果有选择的话,大多数人还是会更喜欢抽取腹部的脂肪干细胞)。

而与来自骨髓的间充质干细胞一样,脂肪干细胞也有强大的多向分化的能力,用不同的诱导方法可以跨胚层定向分化形成软骨细胞、成骨细胞、脂肪细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞、血管内皮细胞、神经元细胞,肝细胞和上皮细胞等。

但是脂肪干细胞的应用还面临着许多难题:首先,脂肪干细胞与其他间充质干细胞一样,没有特异性的表面标志物,这样对它的鉴定就是一个麻烦;其次,目前为止,对脂肪干细胞的诱导主要还是体外诱导,而且并不能做到充分的分化,诱导出来的细胞功能也与正常成熟的细胞存在差异;第三,体外诱导所用的诱导液含有各种生长因子,价格昂贵不说,还可能与肿瘤有关;最后,现在多数的脂肪干细胞的研究都是体外实验,而体内环境特别是病理情况下的环境与体外环境是不一样的,如何在体内环境特别是病理环境下实现修复也是挑战之一。所以,如何高效、廉价、安全的诱导脂肪干细胞应用于临床还需各国科学家们继续努力。

[延伸阅读]

基于脂肪干细胞容易获取,损伤小,获得率高,不易凋亡,无年龄限制,分化能力强等等这些优势,目前被认为是比骨髓间充质干细胞更为理想的“种子细胞”来源。上海交大医学院的崔磊等人用复合可降解的珊蝴材料为支架,体外诱导狗的脂肪干细胞修复颅骨缺损,成功的获得了相当于正常颅骨2/3抗压能力的修复骨骼,说明脂肪干细胞可以在大型动物体内进行骨缺损的修复,为进一步的临床应用提供了实验基础。

·肌肉干细胞

肌肉干细胞是一类直接参与骨骼肌分化的干细胞,在胚胎和成人体内都有存在。实际上,在成人体内存在两类具有干细胞特性又能分化成骨骼肌的干细胞:一类是卫星细胞,也叫成肌祖细胞;另一类是肌源干细胞,又叫旁群细胞。因为绝大多数都是卫星细胞,所以通常大家所说的肌肉干细胞主要指的就是肌肉卫星细胞。

肌肉卫星细胞最早是在1961年由美国洛克菲勒研究所的亚历山大·莫罗在蛙的肌肉中发现的,它们位于骨骼肌纤维的肌细胞膜与基底膜之间,细胞核比较大,细胞质和细胞器相对较少,处于分裂的静止期(也就是说它们与其他类型的成体干细胞一样不怎么分裂)。

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肌肉卫星细胞           

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荧光染色的肌肉卫星细胞 

其实,肌肉是由两种肌纤维组成的:一种是慢肌纤维,颜色较深,含氧量高,拥有很好的耐力(鸟类就有很多的慢肌纤维,所以可以做长时间飞行);一种是快肌纤维,其颜色较浅,是肌肉力量和爆发力的来源。肌肉卫星细胞主要分布于慢肌纤维,从胚胎到成人,随着年龄增加卫星细胞的比例相对减少,到一定程度后终身维持。

机械性损伤或者某些疾病可以激活肌肉卫星细胞,从而开启肌肉再生:首先是肌肉卫星细胞从静止期激活,经过几轮增殖(包括对称增殖和不对称增殖),大部分卫星细胞分化、融合形成新的肌纤维,或者修复损伤的肌纤维;然后,卫星细胞重新回到静止期,回到基底膜下等待以后的再生。

早在1990年就有科学家研究利用肌肉卫星细胞移植的方法治疗肌营养不良,但一直都没有很好的疗效,估计与免疫抑制治疗的手段不足有关,因为高度纯化的肌肉卫星细胞出现的免疫反应更少,肌细胞也更易融合。因为供体细胞不易取得,体外培养过程又容易分化,肌肉细胞移植的治疗一直举步维艰。

虽然很早就发现了骨骼肌的肌肉干细胞,但同为肌肉,很长一段时间以来大家都认为心肌内不存在肌肉干细胞。一直到2003年贝尔特拉米等人才证明在成年大鼠的心脏中存在有一类可以自我更新、多能分化,形成心肌细胞、平滑肌细胞和血管内皮细胞的肌肉干细胞,这种细胞注入到缺血的心肌后,可以分化成心肌细胞,确认为心肌干细胞。这种细胞在心肌中含量非常之少,只有万分之一到八万分之一,主要分布于心尖和心房处。

·心肌干细胞

骨髓源性的心肌干细胞实际上就是骨髓来源的间充质干细胞,在心肌梗死后在细胞粘附分子、趋化因子和生长因子等的共同参与下,改变干细胞与骨髓基质间的相互作用,从骨髓中动员出来,进入外周血液循环,启动早期心肌形成基因,同时表达一定的多能干细胞表面标志,到心肌的局部微环境下可以分化为心肌细胞,也可以分化成内皮细胞和平滑肌细胞。

骨髓源性的心肌干细胞和原位的心肌干细胞都可以在心肌坏死后被动员,增殖分化,修补受损的组织,但是,对于大面积的损伤往往于事无补。所以骨髓间充质干细胞移植,是治疗心肌梗死的一个较新的有效方法,已经在应用于临床了。但是骨髓来源和原位心肌干细胞的研究也方兴未艾,因为这打破了传统认为心肌不可再生的观点,为心脏疾病的治疗注入了新的潜力,通过激活心肌干细胞而不是损伤性的移植来达到修复的目的。

 

[延伸阅读]

大家有谁听说过心脏癌症的没有?没有吧?这是一个非常困惑科学家们的问题,人体的各个组织和器官都会发生癌症,就是心脏从来没有发现过有癌变的。之前大家认为这可能与心脏内没有干细胞有关,但现在已经证实心肌与其他组织一样都含有干细胞,那么,到底是什么原因造成心脏细胞不会癌变呢?这也是肿瘤研究中非常令人着迷的一个课题。

·肝脏干细胞

肝脏干细胞并不是特指某一类的细胞,而是指与肝脏发育和再生有关的各类具有干细胞特性的细胞类型的总称。根据这些细胞的来源,我们可以把它们分为肝内源性和肝外源性肝脏干细胞两类,每一类又有几种不同的细胞,但它们都有一个共同的特点,就是可以增殖分化成肝细胞。

肝内源性肝干细胞主要分为三类:肝卵原细胞、小肝细胞和胚胎源性肝细胞。其中主要以卵原细胞为主,所以,如果说狭义的肝脏干细胞,其实就是指卵圆细胞。

卵原细胞的发现其实很早,在1956年就由法伯等人在大鼠的肝脏中发现了,这是一类体积较小、核较大,呈卵圆形的细胞。它们除了有自我更新的功能以外,还可以分化成肝细胞和胆管上皮细胞。平时它们主要定位于肝终末小胆管处,处于静止状态,只有当肝组织发生严重损伤或肝细胞增殖被抑制时,它们才会被动员起来,移动到需要的区域并分化成肝细胞。

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荧光染色的肝卵圆细胞

需要说明的一点是,实际上普通肝细胞的再生能力本来也是很强的,在很多情况下,小量的肝损伤都可以由肝细胞的自身增殖来修复,只有当肝组织发生严重损伤,或者因为疾病等因素普通肝细胞不能增殖时,卵圆细胞才会披挂上阵,行使修复的功能。

外源性肝干细胞则有很多种,主要有骨髓干细胞(包括造血干细胞和间充质干细胞)、胰脏干细胞和脂肪干细胞,还有很多种成体干细胞在体外也可以诱导成为肝细胞或肝细胞样的细胞,但真正应用于临床的,只有骨髓干细胞和胰腺干细胞。前者有强大的分化能力,易于取得和分离,后者与肝细胞不仅有相似的组织结构和相同的起源,而且还有实验表明二者之间可以相互转化。

应用肝脏干细胞治疗肝脏疾病,可以分3个阶段:

当肝脏损坏还不是那么严重时,我们可以根据已有的肝脏干细胞的知识,通过刺激和动员,使卵圆细胞结束休眠,投入到救亡行动中去,拯救自己的肝脏。这需要研究肝脏干细胞在体内分化过程的人为控制,如何营造适宜的微环境和提供适当的细胞因子,以及如何在疾病环境下让这些细胞代替病损的组织而行使正常的生理功能。这些都是摆在科学家面前的挑战和机遇。

当肝脏损坏进一步加剧后,慢条斯理的自我救赎已经不能奏效,那就需要投入新的救亡大军了。这时候我们就可以选择自体干细胞移植或者异体干细胞移植,多数会选择的是骨髓来源的间充质干细胞,我们可以把分离纯化好的间充质干细胞用腹腔镜直接通过门静脉注射到肝脏内,再加上特殊药物,使它们可以在肝脏内扎下根来,并且分化发育成有功能的肝脏细胞,专业上称“区域性原位移植”。但这是一个非常复杂的过程,而每个人的生理病理状态都会影响这一过程,所以如何稳定、高效地达到我们的目标还是科学家们研究的课题。

还有一种方法,就是再造一个组织工程肝。无论是用内源性的还是外源性的肝干细胞,我们先给它一个支架,通常会选用具有良好的生物相容性和生物降解性的三维立体支架,天然的如:胶原、纤黏连蛋白、层黏连蛋白、透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖等,或者也可以用人工合成的高分子材料,如多孔聚乳酸乙醇酸;再使肝组织血管化,就是在我们体外培养的肝组织中构建出丰富的血管和毛细血管网,以提供细胞所需的营养、氧气和细胞因子;最后就是细胞回植,将肝脏干细胞植入到支架上,通过培养,形成组织工程肝,再移植到我们的病人体内。这一技术目前还处于实验阶段,但相信在科学家的努力下在不久的将来可以应用于临床,造福于广大肝病患者。

另外,还有一些比较另类的肝脏干细胞的治疗方法,比如“肝化脾”,就是把肝脏干细胞移植到脾内,让它们在脾内形成有功能的肝组织,从而达到修复的目的。脾脏内有丰富的血管可以使肝脏干细胞在它的红髓内长期生存和分化,但是脾脏内也含有大量免疫细胞,会把70%的肝脏干细胞清除掉,而且有可能会引起强烈的并发症,所以这只是个有益的尝试。

还有一种是将肝脏干细胞移植到肠系膜上,那里也有丰富的血液供应以供肝脏干细胞生长。但是种植的细胞只能在腹腔内悬浮生长,只能短期内改善肝功能,无法长期存活。

不要小看这些另类的方法,科学就是在这些奇思妙想中发展起来的,试错是找到正确途径的有效方法之一。

·胰脏干细胞

糖尿病是一种常见并受到广泛关注的疾病,全世界约有2.4亿、我国约有5000万糖尿病患者,而绝大多数糖尿病患者都是由于胰岛细胞的损伤和病变造成的。

可以分泌释放胰岛素的胰脏是一个含有内外分泌细胞的器官,受损或病变的胰脏可以进行自我修复,胰脏内分泌细胞也常常需要更新,表明胰脏中存在具有分裂能力,并在分裂后分化成为终末分化细胞的干细胞。2000年由美国的伯杰等首次发现了胰腺干细胞,它们与其他种类的成体干细胞不同,有自己明显的形态学特点(也就是说长得很有特色),可以直接从形态学上就把它们分辨出来。具体的说就是:胰脏干细胞是一种嗜碱性单核细胞(即可被碱性染料染色),圆形,核为圆形或肾形,较大,多含有两个明显的核仁,染色质细腻分散,胞质内无明显的细胞器(看不到颗粒)。

胰脏干细胞分布在导管细胞和胰岛中,在适当的刺激下,腺泡细胞和胰岛细胞可以进行分化,而这种分化对环境的依赖性很大,比如层黏连蛋白就是分化胰腺导管细胞所必需的。

从进化的角度来看,无脊椎动物只有肝脏而没有胰脏,但它们的肝脏可以行使胰脏的功能;而高等生物的肝脏和胰脏虽然形成了两个独立的器官,但它们的细胞来源是相同的。所以肝脏干细胞和胰脏干细胞之间可以相互转化也就没什么好奇怪的了。生物学上把这种现象称之为“转分化”,是指一个干细胞或它的后代从一种分化状态转变成另一种分化状态的过程。也就是二次分化。这也是当今干细胞学界的研究热点之一。

在临床上,通过培养糖尿病患者的早期胰腺干细胞可以获得大量具有分泌胰岛素功能的细胞,即可以解决临床材料不足的问题,有可以避免免疫反应,有着巨大的临床应用潜力。

除了糖尿病的治疗之外,研究胰脏干细胞还有一个重大的课题,就是胰腺癌。胰腺癌被称为是“癌症之王”,以恶性程度高、死亡率高而著称。有研究表明,胰岛来源的恶性腺癌可能与胰岛细胞暴露在高浓度的生长因子下有关,这些生长因子包括胰岛素、胰岛素样生长因子和转移生长因子,胰腺癌肿瘤干细胞的发现也证实了这一点,所以对胰脏干细胞的研究也是研究胰腺癌的一个重要课题。

本文摘自:中国科学院 

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