干細胞在犬嗅覺細胞研究中的應用

張 林 洪飛騰

干細胞在犬嗅覺細胞研究中的應用

張 林 洪飛騰

干細胞研究是一門新興的學科。從植物的生根、發芽、生長、凋亡、復蘇，人們看到了干細胞巨大的增殖分化潛能和長久不衰的生命力，體會到了干細胞的神奇和美妙，希望能夠依靠干細胞的自我更新、高度增殖和多向分化能力，完美地修復或替代因疾病、創傷、衰老或遺傳因素所造成的組織或器官的缺損或功能障礙。近年來，隨著科學技術的突飛猛進，使得干細胞的分離純化、性能研究、培養擴增、誘導分化等有了突破性進展，部分干細胞技術已開始進入臨床應用。干細胞生物學的研究與應用幾乎涉及了所有生命科學和生物醫藥學領域，除了在細胞治療、組織器官移植、基因治療中的重大意義之外，還將在新基因發掘與基因功能分析、發育生物學模型、新藥開發與藥效、毒性評估等領域產生重要的影響。

一、干細胞的定義

干細胞是一類具有無限的或者永生的自我更新能力的細胞，能夠產生至少一種類型的、高度分化的子代細胞。干細胞群的功能即為控制和維持細胞再生。一般來說，在干細胞核其終未分化的子代細胞之間存在著被稱為“定向祖細胞”的中間祖細胞群，它們具有有限擴增能力和限制性分化潛能。這些細胞群的功能是增加干細胞每次分裂后產生的分化細胞的數量。干細胞具有自我更新的能力，但是干細胞的分裂實際上是相對不對稱的。

目前大多數生物學家和醫學家認為干細胞是來自胚胎、胎兒或成體體內具有在一定條件下無限制自我更新與增殖分化能力的一類細胞，能夠產生表現型和基因型和自己完全相同的子細胞，也能產生組成機體組織、器官的已特化的細胞，同時還能分化為祖細胞。從功能上講，干細胞是具有多向分化潛能、自我更新能力的細胞，是處于細胞系起源頂端的最原始細胞，在體內能夠分化產生某種特定組織類型的細胞。

二、干細胞的生物學特性

多向分化潛能和自我更新是干細胞的基本特點。具體來講，干細胞具有以下一些生物學特點：①屬非終未分化細胞，終生保持未分化或低分化特征，缺乏分化標記；②在機體的數目、位置相對恒定；③具有自我更新能力；④能無限的分裂、增殖，干細胞可連續分裂幾代，也可以在較長時間內處于靜止狀態；⑤具有多向分化潛能，能分化為各種不同類型的組織細胞；也即具有分化發育的可塑性，在特定的環境下，能被誘導分化成在發育上無關的細胞類型，其分化受其所處周圍微環境的（干細胞壁龕）影響；⑥分裂的慢周期性；⑦干細胞通過兩種方式生長，一種是對稱分裂，形成兩個相同的干細胞，另一種是非對稱分裂方式，非對稱分裂中一個保持親代的特征，仍作為干細胞保留下來，另一個子細胞不可逆地走向分化的終端成為功能專一的分化細胞。

三、胚胎干細胞的研究

20世紀60年代開始有人對胚胎干細胞進行描述。1962年Edwards首先觀察到兔胚泡胚胎干細胞的分化現象，發現胚泡腔內細胞群細胞具有自動分化能力，可以分化為含有神經、骨、肌肉等多種細胞的能力。隨后，人們對胚胎干細胞的分離培養進行了大量工作，但由于胚胎干細胞在體外生長極為困難，細胞建系十分不易。經過近20多年的發展，Evans和Kaufman終于在1981年從小鼠胚泡內細胞群中成功分離出胚胎干細胞，當時稱之為多能細胞。90年代以來先后報道了鼠、兔、豬、牛、猴等多種動物以及人類胚胎干細胞分離培養，進展十分迅速。1995年，Thomson等從恒河猴胚泡獲得第一個靈長類的胚胎干細胞系，在取得靈長類的胚胎干細胞分離和鑒定經驗基礎上，Thomson又率先從人胚泡內細胞群分離出5個胚胎干細胞系，并初步闡述了人類胚胎干細胞的生物學特性。幾乎在同時Shamblott等從發育到5～9周的流產胎兒生殖嵴中分離培養獲得人類具有與胚胎干細胞相似的原生殖細胞。人類胚胎干細胞系的建立被譽為生命科學領域的重大技術突破，是生命科學研究史上的重要里程碑。2001年，Wakayama等利用體細胞核移植克隆胚泡的方法，成功地制備了小鼠核移植胚胎干細胞系。Robert等正嘗試制備胚胎干細胞的新方法，即不經過胚泡階段直接從卵裂球獲得胚胎干細胞。2003年韓國和美國科學家聯手，利用體細胞克隆技術獲得人類克隆胚胎干細胞，這一技術的成功表明可以用任何人的自體細胞培育胚胎干細胞，從而使胚胎干細胞向臨床應用邁進了一大步。2004年，日本科學家在體外將小鼠的胚胎干細胞誘導分化為精子和卵子細胞，結果進一步證實胚胎干細胞具有向生殖細胞分化的潛能。

四、胚胎干細胞在犬嗅覺細胞研究中的應用

犬的靈敏嗅覺一直是大家津津樂道的話題。犬的嗅覺對空氣中或物體表面微量氣味的探測以及在眾多復雜氣體中區分某種或某類氣體具有良好的辨別能力一直是我們試圖從中探索的研究課題。犬同時具有良好的服從性和可以被訓練的特性以及可以和人類友好相處是其他動物所不能比擬的。因此，我們選擇犬作為我們的工作伴侶，利用其靈敏的嗅覺，良好的服從性進行各種工作活動。在此基礎上，我們把犬的嗅覺作為我們的研究對象，試圖找到其中的奧妙。

犬嗅覺高度靈敏的原因可能和它的鼻腔結構、嗅覺細胞以及大腦中掌管嗅覺的區域神經等等有關。嗅上皮位于鼻孔的上部，表現為一個暴露在外部環境中的氣體敏感表面。嗅上皮包含了氣體感受器系統，在其上覆蓋著一層黏液層即嗅黏膜。對人而言，每個鼻孔中的嗅上皮的面積大概為2.5cm2，嗅上皮包含了大量的感受器神經元—嗅細胞。每個嗅細胞上有數根嗅纖毛通過黏液層伸出，從而顯著地增加了細胞的表面積。在嗅神經末梢的表面分布著蛋白質感受元，其作用如化學感受器中的感受器，它們與空氣中的氣體接觸，產生刺激反應，最終形成嗅細胞的感受結果。刺激蛋白質感受器的氣體分子首先被黏液吸收，然后擴散到纖毛處，與嗅黏膜受體結合。氣體分子與感受器反應，增加了嗅纖毛的通透性，改變了嗅黏膜電導，引起膜電位的變化。這樣嗅細胞就產生了感受器電位并導致嗅神經纖維產生神經沖動。目前我們主要研究的是犬嗅覺細胞，從嗅覺細胞角度上來查找出高度靈敏的特殊性。既然我們把犬嗅覺細胞作為我們的研究對象，那么我們就必須得到大量的實驗材料——犬嗅覺細胞。

胚胎干細胞具有自我更新和分化形成任何類型細胞的能力，因此，我們可以選用犬胚胎干細胞，通過體外培養，再經過定向誘導分化，篩選出我們需要的犬嗅覺細胞。通過方法我們可以得到大量的實驗材料，進一步開展犬嗅覺細胞的研究工作。

從犬胚胎干細胞定向誘導分化出犬嗅覺細胞的大致步驟是：先從犬胚胎中篩選出相應的細胞團；然后再在體外和飼養細胞一起進行培養，進行細胞擴增；再篩選出良好的干細胞集落；把該細胞集落打散，繼續接種培養，篩選出單細胞；再繼續培養篩選出核型正常的單細胞集落；在此基礎上對該單細胞克隆進行擴增，建立相應的細胞系。該細胞系就能夠穩定地進行體外傳代培養，從而可以獲得大量的實驗用犬嗅覺細胞材料。

公安部南京警犬研究所，210012）

（編輯：李 冰）