干細胞相關名詞及其分類

干細胞研究與細胞生物學、分子生物學、胚胎發育學、遺傳學、生殖醫學以及有關的臨床醫學有著密切關系。但通常干細胞研究劃歸組織工程學研究領域。1987年美國國家科學基金會提出“組織工程學”一詞。人體組織器官的再生要求三個基本生物學因素：細胞、細胞外基質和生物材料。近年來，作為組織工程三要素之一，干細胞的研究以及用干細胞干預治療和修復損傷組織器官的嘗試，為人類戰勝頑癥展現了新的曙光。干細胞的研究引起了生命科學家的極大關注，美國《科學》雜志在1999年度世界十大科學成就評選中，將干細胞的研究排名第一。2000年12月干細胞的研究再次被《科學》雜志評為該年度的世界十大科學成就之一。利用胚胎干細胞和各種成體干細胞，成為基因治療載體、基因工程、藥物篩選以及干細胞相關基礎和臨床研究的重要領域。干細胞移植可能干預治療一些臨床難以治愈的疾病，如脊髓損傷、脊髓側索硬化癥、帕金森病、糖尿病、心臟病、終末腎病、肝衰竭和癌癥等。干細胞的應用價值得到公眾、法律和商界的關注。

干細胞（stemcell）是一類具有自我復制和多分化潛能的細胞，即干細胞保持未定向分化狀態和具有增殖能力，在合適的條件或給予合適的信號，可以分化為許多不同類型的具有特征性形態、特異分子標志和特殊功能的成熟細胞。干細胞來源于胚胎、胎兒組織和成年組織。來自胚胎和胎兒組織的胚胎干細胞和胚胎生殖干細胞具有多潛能分化特性，可分化為成熟個體體內幾乎全部200多種以上的成熟細胞類型。而成年個體組織來源的成體干細胞（adultstemcell）有造血干細胞、神經干細胞和胰腺干細胞等。干細胞研究進入前沿研究領域，在全球掀起干細胞研究熱潮。關于干細胞研究的文章中描述干細胞的專門術語比較混亂，各學科之間缺乏統一的術語描述。本文將概述有關干細胞的概念、相關研究狀況和進展。一般按細胞發育進程將干細胞分為胚胎干細胞、胚胎生殖干細胞、成體干細胞。按干細胞分化的潛能將干細胞分為全能干細胞、多能干細胞和單能干細胞。

按發育進程定義干細胞

一、胚胎干細胞（embryonicstemcell，EScell）

1970年，MartinEvans分離小鼠的胚胎干細胞，建立體外培養鼠的胚胎干細胞技術。直到1998年Wisconsin大學JamesA.Thomson^[1]領導的實驗室首次用人類早期胚泡（blastocyststage），分離出14個細胞的內細胞團（innercellmasses），并培養出5個人胚胎干細胞系，其中H1，H13和H14為正常XY染色體組型（normalXYkaryotype），H7和H9為正常XX染色體組型，得到了人的多潛能胚胎干細胞系。人胚胎干細胞能在體外保持未分化狀態增殖，從一個胚胎干細胞擴增為數百萬個細胞。胚胎干細胞在特殊條件下體外培養可具有未分化狀態和多潛能分化特性，能夠形成集落。而在無白血病抑制因子（LIF）培養的條件下，胚胎干細胞聚集成胚胎樣小體（embryo-likebody）或稱胚體（embryonicbody，EB）^[2]。胚體在許多方面類似于畸胚瘤，由一些排列雜亂的未分化和已分化細胞構成，可見三個胚層來源的分化細胞。如果將胚泡內細胞團的胚胎干細胞注射到特定宿主小鼠的胚泡內，檢查嵌合體子代，可發現供體的胚胎干細胞分布于嵌合體子代體內的全部組織，包括生殖細胞。

胚胎干細胞可分化為多種細胞譜系，包括心肌細胞、胰島細胞、神經細胞、色素細胞、巨噬細胞、上皮細胞和脂肪細胞等。當將胚胎干細胞移植到免疫缺陷的裸鼠皮下或腎包囊后，在宿主動物體內可分化為畸胎瘤（teratocarcinomas）。瘤內包括混合的多種類型分化細胞。因此，胚胎干細胞不適宜直接給患者使用。臨床使用前需要進行定向誘導分化。在個體發生時期的最早期，胚胎干細胞是全能的（totipotent），而來自早期胚泡中的內細胞團的胚胎干細胞是多能（pluripotent）干細胞^[3]。

胚胎干細胞具有的特性：①胚胎干細胞來源于胚胎早期的胚泡中的內細胞團，保持未分化狀態，具有自我復制的能力，具有向胚胎三個胚層來源的所有細胞分化的潛能。②胚胎干細胞可通過單細胞克隆建立有相同遺傳特性的胚胎干細胞系。建立的胚胎干細胞系有與親代細胞相同的特征。③胚胎干細胞具有正常、完整（雙倍體）及穩定的染色體核型。④胚胎干細胞缺乏細胞周期中G1期的限制點（checkpoint），胚胎干細胞大部分時間都處于細胞周期的S期，在此期進行DNA合成。胚胎干細胞不需外源信號刺激啟動DNA的復制。⑤胚胎干細胞表達三種特異性標志分子：細胞內的轉錄因子（intrinsictranscriptionfactor，Oct4）、白血病抑制因子（leukemiainhibitoryfactor，LIF）和堿性磷酸酶（alkalinephosphatase，AP）。⑥雌性哺乳動物來源的胚胎干細胞內，不存在X染色體失活現象。⑦胚胎干細胞端粒酶活性呈陽性，具有維持端粒長度，保持干細胞增殖能力的重要作用。⑧胚胎干細胞裸鼠皮下或腎包囊接種，可形成畸胎瘤。

二、胚胎生殖干細胞（embryonicgermcell，EGcell）

Hopkins大學JohnD.Gearhart^[4]領導的實驗室從來自流產胎兒（5~9周）生殖嵴（gonadalridge）的原始生殖細胞（primordialgermcell，PGC）中分離培養出人胚胎生殖干細胞。在正常胚胎發育過程中，生殖嵴發育為睪丸或卵巢，原始生殖細胞生成精子或卵子。胚胎生殖干細胞屬于多能干細胞，其特性與來源于囊胚期的胚胎干細胞不同。胚胎生殖干細胞可在體外培養近20代，多數倍增40倍，最大可增殖70~80倍（胚胎干細胞可增殖300倍甚至450倍），核型正常。胚胎生殖干細胞自發形成集落，自發分化，最終分化為含有三個胚層的衍生物。免疫缺陷的裸鼠接種不形成畸胎瘤。

通常將來自胚泡的胚胎干細胞和胎兒組織的胚胎生殖干細胞，統稱為胚胎干細胞。

三、成體干細胞（adultstemcell）

成體干細胞源于骨髓、血液、角膜、視網膜、腦和脊髓、骨骼肌和心肌、牙髓、肝臟、皮膚、胃腸道上皮、胰腺等，存在于全部三個胚層發育而來的組織中。有人認為胚胎發育中由于存在非對稱性分裂，而被保留下來的未分化的成體干細胞，存在于已分化的組織中。成體干細胞有兩個特征：①具有保持長期增殖而不分化的能力，即長時程自我復制特性；②具有分化為源于組織的所有特化類型細胞的潛能和分裂產生祖細胞（progenitororprecursorcell）的能力。祖細胞在胎兒或成人的組織中存在，通常分裂形成更多的祖細胞或分化的成熟細胞，但不能復制自身。因此，成體干細胞沒有胚胎干細胞和胚胎生殖干細胞相同的分化潛能。成體干細胞的增殖能力也有較大的限制，在實驗培養條件下，許多成體干細胞不易增殖或有限地增殖，限制了成體干細胞產生足夠數量的干細胞。多數成體干細胞數量極少，缺乏特異性的表面標志，難以識別、分離和純化。

成體干細胞中被研究最廣泛和深入的細胞是源于骨髓和血液的干細胞，包括造血干細胞（hematopoieticstemcell）和基質干細胞(stromalstemcell)，或稱間充質干細胞（mesenchymalstemcell）兩類主要的干細胞。臍帶血是血液干細胞的豐富來源，從臍帶血、骨髓或外周血分離的干細胞沒有任何質量上的差異，只有不同類型干細胞數量上的差別。目前，成體干細胞的應用只限于造血干細胞。成體干細胞移植常遇到免疫排斥的困擾。因此，對免疫系統和成體干細胞兩個方面的修飾是成體干細胞應用的重要研究項目。

成體干細胞有分化為其他來源組織細胞的能力，稱為可塑性（plasticity）。到目前為止，除間充質干細胞外，還沒有單一成體干細胞（即單細胞克隆建立的成體干細胞系）分化為從全部三個胚層發展而來的特定細胞的證據。因此，成體干細胞沒有和胚胎干細胞同樣程度的多潛能性。

在成體干細胞中，間充質干細胞是一個例外，可存在于由三個胚層發育而來的組織器官中，它是惟一的、源于同一原始胚層的成體干細胞，并可分化為三個胚層的終末分化細胞。例如從中胚層來源的骨髓或血液干細胞中、外胚層皮膚中及內胚層胰腺組織中均已分離獲得間充質干細胞。研究表明，來源于中胚層骨髓間充質干細胞除可分化為中胚層來源的組織，如骨骼肌、心肌外，還可分化為內胚層來源的肝細胞和外胚層來源的神經組織細胞。

1．造血干細胞（hematopoieticstemcell，HSC）

造血干細胞是從血液或骨髓中分離的具有自我復制能力的，可分化為血液中各種類型成熟細胞的一類成體干細胞。它能從骨髓中動員進入血液循環系統，能經歷程序性死亡，即細胞凋亡。造血干細胞可利用其物理特性和細胞表面特征富集。如采用抗細胞表面抗原的單克隆抗體和特殊染料可分選純化小鼠骨髓內的造血干細胞。造血干細胞分為：長期干細胞（longtermstemcell，LT-HSC），其能在造血系統中存活幾個月，具有自我復制的能力，在宿主體內LT-HSC自我復制能力保持終生；短期祖細胞（short-termprogenitor，ST-HSC），其不能長期自我復制，移植體內后大約維持8周或立即分化為各種類型的終末血細胞^[5]。造血干細胞能分化為血液和免疫系統的各種細胞類型，可用于治療白血病、淋巴瘤和遺傳性血液病，如各種遺傳性貧血、先天代謝失調和癌癥化療后造血干細胞的恢復等。

造血干細胞的來源：

骨髓（bonemarrow）造血干細胞的經典來源是骨髓。骨髓中大約100000個細胞中只有1個是長期造血干細胞。

外周血（peripheralblood）外周血中干細胞和祖細胞數量很少。但研究發現，如果對供體注射一種細胞因子，如粒細胞集落形成刺激因子（granulocyte-colonystimulatingfactor，GCSF），可動員干細胞從骨髓遷移到外周血。臨床治療時，對供體注射GCSF進行動員，使干細胞遷移至外周血。收集時在靜脈中插入導管，使血液通過分選系統，分選出CD34+白細胞，讓紅細胞返回供體，以便收集動員后的造血干細胞。利用此方法分選出的細胞中大約5%~20%是造血干細胞。采用高純度的、被動員的、具有CD34+/Thy-1+表面標志的外周血細胞移植，無并發癥^[5]。

臍帶血（umbilicalcordblood）20世紀80年代末，人們開始認識到來自臍帶和胎盤的血是造血干細胞的豐富來源。這些組織在孕期支持胎兒的生長發育中起著重要作用。自1989年世界第一例用臍帶血移植治療再生障礙性貧血成功以來，全世界已有近千例病人接受臍帶血移植治療，涉及疾病30余種。臍帶血內干細胞與骨髓干細胞有許多相類似的特性，臍帶血比較骨髓移植有很多優越性：臍帶血來源廣泛，富含造血干細胞，增殖與分化能力強，有體外集落形成能力，動員后進入細胞周期的速度和自泌生長因子的能力均強于骨髓。臍帶血細胞端粒酶活性較強，易在體外擴增。臍帶血T淋巴細胞較原始，抗原表達較弱且不充分，細胞毒性反應較低，移植后較少發生排斥反應。

2．神經干細胞（neuralstemcell）

神經干細胞是成體干細胞之一。具有自我復制和多潛能分化的能力^[6]。神經干細胞的標志為巢蛋白（nestin）。在特定細胞因子的誘導下可分化為神經元、星形膠質和少突膠質細胞。1992年Reynolds和Richards先后在成年鼠的紋狀體和海馬中分離出神經干細胞，中樞神經系統其他部位，如端腦、間腦、中腦、腦干和脊髓也相繼分離出神經干細胞。中樞神經系統損傷性和退行性疾病，如急性脊髓損傷、腦血管栓塞、帕金森病、老年性癡呆、脊髓側索硬化、共濟失調和亨廷頓綜合征等在臨床幾乎不能治愈。人們將希望寄托于轉基因治療和干細胞移植。

3．胰腺干細胞

人類胰島內有4種細胞：分泌胰島素的β細胞（占65%~90%），分泌胰高血糖素的α細胞（占10%~20%），分泌生長抑素的δ細胞（占3%~10%）和分泌胰多肽的pp細胞（polypeptide，占1%）。在胚胎發育時，胰腺內分泌細胞由胰管內的胰島干細胞（isletstemcell）分化而來。典型的導管細胞表達編碼結構蛋白的細胞角蛋白-9（cytokeratin-9），作為胰島干細胞的標志，β細胞表達編碼啟動胰島素轉錄的蛋白PDX-1基因，稱為胰島β細胞的標志^[7]。

按分化潛能定義干細胞

一、全能干細胞（totipotentstemcell）

全能性是指具有潛能生成組成胚胎以及支持胚胎在子宮生長發育的全部細胞和組織，并能繼續分化一直生長為一個成熟個體。全能干細胞（如受精卵）不但可以分化為胚胎發育中三個胚層的全部種類的細胞，還包括分化為胚胎發育所必需的胚胎外組織，如由滋養層形成的胎盤和臍帶等。當受精卵分裂至4個或8個細胞時期（受精后27小時，桑椹胚，morula），干細胞仍具有全能性。例如，利用恒河猴形成8個卵裂細胞的胚胎分離成4個各有2個細胞的胚，植入“假孕母體”子宮，成功地誕生了靈長類動物恒河猴“Tetra”的研究證明，靈長類的受精卵分裂到8個細胞時期，仍具有全能干細胞的特性^[8]。

二、多能干細胞（pluripotentstemcell）

通常用多能干細胞描述可以分化為三個胚層的胚胎干細胞，包括胚泡內細胞團來源和胚胎生殖嵴生殖細胞來源的干細胞。與全能干細胞的區別在于無分化為胚胎外組織細胞（如滋養層形成的胎盤和臍帶組織）的能力。人胚胎發育第5天，內細胞團開始分化形成外側的滋養層，這是胚胎分化的第一個明顯標志。體外培養至此期的內細胞團大約由30~34個細胞組成，可用于胚胎干細胞的分離。

三、（成體）多能干細胞（multipotentstemcell）

通常用于描述成體干細胞定向分化為多種類型的終末成熟細胞的潛能。如腦或脊髓來源的神經干細胞具有一定限度的多潛能分化的能力，可分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。成體干細胞用英文“multipotent”描述的“多潛能”與胚胎干細胞用“pluripotent”描述的“多潛能”有質的差異。體內研究表明，多能的成體干細胞在未損傷的組織中只是單向分化，只生成一種終末成熟細胞。然而，如果組織被損傷，需要多種細胞替代，成體干細胞的多潛能性被激活，產生多種類型細胞修復損傷組織。

四、單能干細胞（unipotentstemcells）

常用于描述成體干細胞只能沿一個方向分化，僅生成一種終末成熟細胞。如眼睛的角膜緣干細胞可自我復制，但只能分化為角膜上皮細胞。

隨著干細胞研究的進展，人們希望將來能利用干細胞的特性治療目前臨床醫學尚不能治愈的疾病。而目前我們首先需要解決免疫排斥和干細胞是否有形成腫瘤潛能的相關研究，以及干細胞的發生、發展、命運等基礎研究。

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