医药学论文：骨髓干细胞的临床应用研究新进展

在20世纪末和21世纪初干细胞的研究取得了突破性进展,主要进展包括两个方面:一是成功建立了可以分化为人体任何组织类型的成熟细胞的人类胚胎干细胞(embryonic stem cells,ES)系,这是干细胞研究的重大里程碑和生命科学的重大技术突破[1];二是发现成人各种组织中均有未分化成熟的干细胞分布,这类干细胞的基本功能是在生理条件下更新正常衰老死亡的细胞,维护组织或器官的结构完整和正常功能,而在组织损伤等病理条件下可动员、增殖和分化为成熟的功能细胞,修复损伤[2]。传统认为,特定组织中的干细胞只能向它所存在组织类型的成熟细胞分化,而这一观点目前受到挑战。许多研究结果证明,一种组织中的干细胞不但可以分化为它所在组织类型的成熟细胞,而且在特定的条件下或移植到其他组织中,还可以被诱导分化为其它无关组织类型的成熟细胞,有的还可打破胚层限制,分化为不同胚层的成熟细胞[3,4]。比如骨髓组织中的干细胞不但可分化为各种血液细胞,还可分化为脑神经细胞,脑组织中的干细胞可以分化为神经细胞,移植到受致死量放射线照射的小鼠骨髓组织中,也可以重建造血免疫功能。最近还有人从骨髓、神经等组织获得具有与ES细胞特性相似的成体干细胞,这类细胞可以在特定条件下分化为三个胚层的多种类型的成熟细胞。成人体内的干细胞虽然数量稀少,但由于其可塑性强,取材容易,可实现自体化治疗,避免了ES细胞或异体细胞治疗的免疫排斥、伦理和未知病源感染等问题。干细胞的研究进展极大地促进了生命科学研究和生物技术产业的发展,同时也预示着一些目前难以治愈的疾病可能由于干细胞的研究与应用而得到有效治疗,因此在最近几年受到相关研究者和社会各阶层的广泛重视。

　　1 干细胞研究技术的新进展

　　干细胞是一类未分化的细胞或原始细胞,是具有自我复制能力的多潜能细胞。在一定的条件下,干细胞可以分化成机体内的多种功能细胞,形成任何类型的组织和器官,以实现机体内部建构和自我康复能力。根据细胞的发育阶段,干细胞可分为来源于早期胚胎的胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESCs)和存在于成人各组织中的成体干细胞(adult stem cell,ASCs)。 人类ESCs可来源于桑椹球细胞、囊胚内细胞团或拟胚体细胞等[5,6],还有发现从流产胎儿生殖脊分离获得的生殖原基细胞(embryonic germ cell,EGCs)和从畸胎瘤组织分离获得的多能干细胞也具有与ESCs类似的生物学特性,即具备分化为成人所有组织类型的成熟细胞的潜能[7,8]。1998年,美国科学家从人囊胚内细胞群分离培养胚胎干细胞(embryonic Stem Cells)并建立细胞系,与此同时,美国的另一研究小组从妊娠5~9周的胎儿生殖脊组织中也分离获得胚胎干细胞样细胞,此后,科学家从畸胎瘤组织、成人骨髓、胎盘,甚至外周血中均分离获得胚胎干细胞样细胞,这些进展为人类认识和利用干细胞前进了一大步[9,10]。当受精卵分裂发育成囊胚时,将内细胞团(inner cell mass)分离出来进行培养,在一定条件下,这些细胞可在体外"无限期"地增殖传代,同时还保持其全能性,因此被称为胚胎干细胞。胚胎干细胞在培养条件下,若加入白血病抑制因子LIF(leukaemia inhibi tory factor),则能保持在未分化状态,若去掉LIF,胚胎干细胞迅速分化,最终产生多种细胞系,如肌肉细胞、血细胞、神经细胞或发育成"胚胎体"。

　　1997年,英国科学家利用核移植技术已发育成熟的体细胞移植到去核卵母细胞中,在体外条件下成功将成体细胞的发育时钟拨回到最原始状态,然后启动其发育和分化机制,再历经了像天然受精卵发育那样的胚胎干细胞的发育和分化,胚胎形成和组织器官的发育,最终诞生一个新的生命体,表明成体细胞在合适的条件下可以返老还童,关键在于如何创造这种适于细胞返老还童的条件和土壤。依据上述原理,科学家怀疑成人组织细胞的更新与修复可能源于其中存在具有多向分化潜能的干细胞或逆向分化机制,于是对成体干细胞进行了深入研究。1999年,美国科学家Margarel Goodell发现小鼠肌肉组织干细胞可以"横向分化"(transdifferentiation,转分化)成血液细胞,这一发现很快被世界各地的科学家证实,并且发现其他组织来源的人成体干细胞同样具有"横向分化"的功能[11,12]。现在已证明人的骨髓干细胞可以分化为肝脏细胞、肌肉细胞、神经细胞等。这种横向分化具有相当的普遍性,也就是说,"横向分化"可以利用病人自身的健康组织干细胞,诱导分化成为病损组织的功能细胞,从而达到治疗各种组织坏损性疾病的目的。这种方法的优点是,既可克服由于异体细胞移植的免疫排斥,又可以克服胚胎细胞来源的不足以及其他社会伦理和法律问题。

　　近几年的研究证明:成人各种组织中均有干细胞分布,这些细胞的主要特点是具有自我更新和至少分化为一种成熟细胞的能力,它们在基本功能是负责生理性更新正常衰老死亡的组织细胞和参与病理性损伤的修复及再生它们所定居部位的组织细胞。成体干细胞是自我复制还是分化成为功能细胞,主要由干细胞本身的状态和微环境因素所决定[13]。干细胞本身的状态包括调节细胞周期的各种周期素(cyclin)和周期素依赖激酶(cyclin dependent kinase)、基因转录因子、影响细胞不对称分裂的细胞质因子。微环境因素包括干细胞与周围细胞,干细胞与外基质以及干细胞与各种可溶性因子的相互作用。在正常情况下,干细胞能根据所处组织类型分裂产生祖细胞,祖细胞经历一系列细胞分化和分裂步骤产生复杂的成熟细胞网络,成体干细胞的分化、发育在维系成体组织器官的正常结构与功能及生命活动方面均发挥重要作用。不同组织来源是干细胞其生物学特性可能有所不同,而同一组织中可能存在处于不同种类、不同分化阶段的干细胞[14]。在生理条件下,成体干细胞数量稀少,处于静止状态,生存于特定的微环境中,它的增殖与分化受到周围环境的严重调控。虽然我们还没有完全弄清干细胞发育分化的详细机制,但已有研究结果提示,从干细胞的角度有可能找到人类生命发生发展的本质和规律,寻找到延年益寿、延缓衰老、组织器官功能重建和各种疾病治疗的有效措施。

　　2 骨髓干细胞及其可塑性

　　在众多干细胞研究报道中,骨髓干细胞由于其材料来源方便、含量丰富,因此受到人们关注,已在分离纯化、扩增培养、诱导分化以及临床应用方面取得较大进展。骨髓组织中至少存在造血干细胞(hematopoitetic stem cells,HSC)和间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)两种不同类型的干细胞,最近还发现有分化潜能更强的胚胎干细胞样多潜能成体祖细胞(multipotent adult progenitor cell,MAPCs),可能还存在有其它类型的干细胞[15]。这些表型特征、分化潜能及功能不同的干细胞之间的内在联系是否来源于骨髓组织中更早期的同一类型干细胞尚不清楚,但有理由相信,它们的可塑性在疾病治疗中具有重要意义。例如,造血干细胞是一类典型的能产生祖细胞并具有自我更新能力的细胞,祖细胞又能以一个既定的顺序依次分化为各种成熟血细胞,可以用于造血和免疫功能重建。目前已在临床上用造血干细胞治疗血液肿瘤根治、实体瘤辅助治疗以及遗传性疾病、免疫异常症、难治性感染等多种类型的疾病。