近年來，科研領(lǐng)域不斷傳來令人振奮的消息，諸多疑難病癥的治療取得關(guān)鍵進(jìn)展。在這背后，干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展功不可沒。干細(xì)胞，這種神奇的細(xì)胞，擁有自我更新和分化為多種細(xì)胞類型的能力，成為醫(yī)學(xué)研究的焦點(diǎn)。接下來，我們將從干細(xì)胞的基礎(chǔ)概念出發(fā)，探尋其在復(fù)雜疾病治療中的創(chuàng)新應(yīng)用。

本章將深入剖析干細(xì)胞的基本原理，及其在諸如神經(jīng)變性、心血管疾病等復(fù)雜病癥領(lǐng)域的應(yīng)用。明晰干細(xì)胞的生物學(xué)特性，對(duì)于挖掘其在糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病以及自身免疫疾病治療方面的潛力而言，有著舉足輕重的意義。

以干細(xì)胞為基石構(gòu)建的療法，猶如為逆轉(zhuǎn)受損組織與器官開辟了一條充滿希望的光明大道。它不僅為疾病機(jī)理的研究搭建了理想的模型，更為藥物研發(fā)提供了全新的思路與方向。尤其是在神經(jīng)退行性疾病的治療上，干細(xì)胞展現(xiàn)出了前所未有的潛力，有望成為革新治療策略的關(guān)鍵力量，為下一代醫(yī)學(xué)的蓬勃發(fā)展注入磅礴動(dòng)力。

01干細(xì)胞簡介

干細(xì)胞具備自我更新與經(jīng)多輪分化、分裂產(chǎn)生特定成熟細(xì)胞的能力，自我更新及受控分化能力是其重要特性。

胚胎發(fā)育時(shí)特性漸變，成年后干細(xì)胞數(shù)量少且分散于各組織。

理解胚胎干細(xì)胞起源，需明晰全能性與多能性。

全能性指單個(gè)植入細(xì)胞再生完整生物體的能力，始于受精卵；多能性指細(xì)胞發(fā)育為除胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞外多種細(xì)胞的能力，始于早期胚胎階段。受精卵獨(dú)具全能性，胚胎干細(xì)胞具多能性，源自囊胚階段，能產(chǎn)生神經(jīng)嵴三層的不同細(xì)胞。

為了理解全能性和多能性的概念，請讀者參考圖1。該圖描述了胚胎的發(fā)育階段以及從胚胎中分離胚胎干細(xì)胞的過程。

多能干細(xì)胞（胚胎干細(xì)胞）會(huì)產(chǎn)生祖細(xì)胞，祖細(xì)胞是有絲分裂的，沒有功能。從譜系的祖細(xì)胞中，會(huì)形成具有有限壽命的實(shí)際功能細(xì)胞。該圖還顯示了單能/多能成體干細(xì)胞如何產(chǎn)生誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞體外。

依 “發(fā)育潛能” 分類，受精卵雖可作干細(xì)胞來源，但卵裂球自我補(bǔ)充潛力有限，胚胎發(fā)育為特定細(xì)胞譜系的效率促成胚胎干細(xì)胞產(chǎn)生。胚胎干細(xì)胞最早被研究，具獨(dú)特多能性，先從小鼠后從人類胚胎分離，體外特定條件可保持發(fā)育成胚層能力。非胚胎干細(xì)胞有多能性（如造血干細(xì)胞）或單能性（如骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞），胚胎干細(xì)胞發(fā)育潛能遠(yuǎn)超單能細(xì)胞。

植物發(fā)育階段也有類似干細(xì)胞特性組織，即分生組織，分初生和次生。圖2展示了植物細(xì)胞中幾種分生組織的示意圖。

部分體細(xì)胞如神經(jīng)元等無法自我補(bǔ)充，干細(xì)胞卻能持續(xù)再生，損傷時(shí)補(bǔ)充體細(xì)胞，維持組織動(dòng)態(tài)平衡。

成體干細(xì)胞從非胚胎組織分離，具多能性，在生理系統(tǒng)有重要作用，可從羊水、臍帶等多處獲取，在治療心臟病和神經(jīng)退行性疾病等復(fù)雜病癥方面潛力巨大，后續(xù)章節(jié)將深入探討。

02為何干細(xì)胞至關(guān)重要？

干細(xì)胞至關(guān)重要，原因如下：

強(qiáng)大的分化潛能：干細(xì)胞具備發(fā)育成完整生物體的能力，能分化為人體眾多細(xì)胞類型，包括神經(jīng)元，這為構(gòu)建和修復(fù)人體組織與器官提供了可能。胚胎干細(xì)胞曾因巨大分化潛能被視為治療性細(xì)胞/組織工程應(yīng)用的理想選擇，雖存在免疫反應(yīng)問題，但相關(guān)技術(shù)發(fā)展（如治療性克隆、誘導(dǎo)多能性技術(shù)）在一定程度上解決了難題，使干細(xì)胞分化潛能得以更好利用。

顯著的再生治療效果：在多種疾病的細(xì)胞治療中展現(xiàn)出顯著效果，像心臟病、神經(jīng)退行性疾病以及遺傳疾病等。通過對(duì)體細(xì)胞進(jìn)行重編程或去分化形成的癌癥干細(xì)胞，也有助于轉(zhuǎn)分化和去分化過程，進(jìn)一步挖掘干細(xì)胞在疾病治療中的潛力。而且干細(xì)胞與癌細(xì)胞在特性上有明顯差異，干細(xì)胞不會(huì)破壞免疫系統(tǒng)和發(fā)生轉(zhuǎn)移，安全性更高。

廣泛的臨床應(yīng)用：在臨床應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，最常見的是造血干細(xì)胞移植用于治療血友病、白血病和血小板減少癥等血液疾病。干細(xì)胞庫通過收集自體組織，催生了多種應(yīng)用，為臨床治療提供了更多資源和選擇 。

推動(dòng)醫(yī)學(xué)研究革新：在革新健康與醫(yī)學(xué)研究方面潛力巨大。識(shí)別不同組織來源的干細(xì)胞，可為基因治療提供合適靶點(diǎn)，有助于開發(fā)新的藥物靶點(diǎn)以及建立新的疾病模型，為再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開辟新前景，如針對(duì)自身免疫性β細(xì)胞功能障礙、染色體疾病、先天性心臟病和神經(jīng)退行性疾病等的研究，使未來醫(yī)學(xué)研究在很大程度上依賴于干細(xì)胞研究的進(jìn)展。

03干細(xì)胞的特性

干細(xì)胞的特性在很大程度上取決于其細(xì)胞分裂的性質(zhì)、功能、發(fā)育模式和多樣性。干細(xì)胞后代還吸收了自我補(bǔ)充和分化的固有潛力；因此，它真誠地致力于任何涉及大量細(xì)胞分裂過程以產(chǎn)生功能性細(xì)胞、組織或器官的譜系。

根據(jù)發(fā)育來源（源組織），它們可以根據(jù)其后代命名。例如，臍帶血由可發(fā)育成血細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞組成，因此，它們分別被命名為造血干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞。對(duì)于譜系分化，可以參考圖3中一個(gè)有趣的圖示。

胚胎的囊胚成為胚胎干細(xì)胞的來源，然后通過原腸胚形成三個(gè)胚層。從多能胚胎干細(xì)胞中，胚層形成了多個(gè)器官和器官系統(tǒng)。成體干細(xì)胞來自這三個(gè)胚層，它們是多能的或單能的。

干細(xì)胞的特性：自我更新與分化：干細(xì)胞具有自我更新和分化為特定功能細(xì)胞的潛力，能夠通過多次分裂形成組織或器官。

命名依據(jù)：干細(xì)胞根據(jù)其來源組織命名，例如臍帶血中的造血干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞。

干性與可塑性：

• 干性：指單個(gè)細(xì)胞分化為多種細(xì)胞譜系的能力。
• 可塑性：成體干細(xì)胞發(fā)育為新表型的能力，通常通過轉(zhuǎn)分化（一種已分化細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N細(xì)胞類型）實(shí)現(xiàn)。

干細(xì)胞微環(huán)境（干細(xì)胞龕）：

• 干細(xì)胞位于特殊的微環(huán)境中，稱為“干細(xì)胞龕”，為其提供營養(yǎng)并維持干性。
• 干細(xì)胞龕通常具有低氧張力，參與細(xì)胞的保護(hù)和黏附過程。
• 轉(zhuǎn)錄因子（如Oct-4）和厭氧環(huán)境對(duì)干細(xì)胞的干性維持至關(guān)重要。

干細(xì)胞的增殖與分化調(diào)控：

• 干細(xì)胞的增殖和分化涉及多種信號(hào)通路，如Wnt、PI3K、MAPK、NO和鈣信號(hào)通路。
• 維持干細(xì)胞群體不發(fā)生特化的機(jī)制對(duì)其生命周期至關(guān)重要。

干細(xì)胞的獨(dú)特特性：

• 干細(xì)胞能夠經(jīng)歷多輪細(xì)胞分裂和增殖，而大多數(shù)體細(xì)胞（如心肌細(xì)胞、神經(jīng)元）不具備這種能力。
• 干細(xì)胞不具有特定組織的特征，但可以在特定條件下分化為功能細(xì)胞。

干細(xì)胞的分化過程：

• 分化涉及干細(xì)胞經(jīng)歷不同發(fā)育階段，受內(nèi)部（DNA）和外部（微環(huán)境中的物理和化學(xué)因子）信號(hào)調(diào)控。
• 干細(xì)胞龕中的分子和細(xì)胞信號(hào)促使干細(xì)胞最終走向分化。

干細(xì)胞的致瘤性：

• 某些干細(xì)胞具有致畸性，可能發(fā)育成良性或惡性腫瘤。

• 畸胎瘤：起源于卵母細(xì)胞的良性腫瘤，形成無序的胚胎組織。
• 畸胎癌：睪丸中的惡性實(shí)體瘤，是典型的干細(xì)胞腫瘤。

總結(jié)：干細(xì)胞具有自我更新、分化和可塑性等特性，其行為受微環(huán)境和多種信號(hào)通路調(diào)控。干細(xì)胞的獨(dú)特特性使其在再生醫(yī)學(xué)中具有重要應(yīng)用價(jià)值，但也可能引發(fā)腫瘤形成。理解干細(xì)胞的發(fā)育和調(diào)控機(jī)制對(duì)于其研究和應(yīng)用至關(guān)重要。

胚胎干細(xì)胞的來源

囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)：這是胚胎干細(xì)胞最主要的來源。在哺乳動(dòng)物的胚胎發(fā)育過程中，受精卵經(jīng)過多次細(xì)胞分裂后，會(huì)形成一個(gè)由許多細(xì)胞組成的囊胚。囊胚大約在受精后的第5-7天形成，其結(jié)構(gòu)包括外層的滋養(yǎng)層細(xì)胞和內(nèi)部的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)。

• 滋養(yǎng)層細(xì)胞會(huì)發(fā)育成胎盤等附屬結(jié)構(gòu)，而內(nèi)細(xì)胞團(tuán)則具有發(fā)育成各種組織和器官的潛力，將內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞分離出來并在體外合適的培養(yǎng)條件下培養(yǎng)，就可以獲得胚胎干細(xì)胞。

原始生殖細(xì)胞：原始生殖細(xì)胞是產(chǎn)生精子和卵子的前體細(xì)胞，在胚胎發(fā)育早期就已經(jīng)存在。從胚胎的生殖嵴等部位分離出原始生殖細(xì)胞，經(jīng)過特殊的培養(yǎng)和誘導(dǎo)條件，也可以使其轉(zhuǎn)化為具有胚胎干細(xì)胞特性的細(xì)胞，這類細(xì)胞有時(shí)也被稱為胚胎生殖細(xì)胞（Embryonic Germ Cell，簡稱EG細(xì)胞），在功能和特性上與胚胎干細(xì)胞有很多相似之處。

體外受精：2010年因體外受精（IVF）技術(shù)發(fā)展，成為胚胎干細(xì)胞研究黃金年。此技術(shù)由羅伯特?愛德華茲開發(fā)，為分離鑒定人類胚胎干細(xì)胞奠基。經(jīng)IVF產(chǎn)生、用于臨床的新鮮或冷凍卵裂期胚胎，獲個(gè)體同意后獲取，是人類胚胎干細(xì)胞最佳來源，經(jīng)培養(yǎng)至囊胚階段并多次傳代，可得多種胚胎干細(xì)胞系。

核移植：作為IVF替代法，成體細(xì)胞通過核轉(zhuǎn)移至卵母細(xì)胞質(zhì)或與多能細(xì)胞融合，可重編程為多能狀態(tài)。體細(xì)胞核移植在動(dòng)物中成功賦予核基因組發(fā)育潛能，如 “多莉” 羊。雖生成人類胚胎干細(xì)胞不太成功，但有助于保存體細(xì)胞核，為瀕危動(dòng)物再生帶來希望，且相比IVF，用于研究時(shí)破壞早期胚胎的倫理問題較少。

胚胎干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)

為了解體外胚胎干細(xì)胞，需回顧胚胎組織形態(tài)。受精卵具全能性，經(jīng)特定卵裂分裂形成胚胎，從最初2個(gè)細(xì)胞逐步分裂，16-32個(gè)細(xì)胞時(shí)為桑葚胚，后發(fā)育為早、中、晚期囊胚，晚期囊胚后見胚層。應(yīng)在早期囊胚階段小心分離內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，用無菌方法培養(yǎng)，胚胎各階段及胚胎干細(xì)胞分離階段列于表1。

建立小鼠和人類胚胎干細(xì)胞系均過程繁瑣：

小鼠胚胎干細(xì)胞系建立： 

• 來源與培養(yǎng)：源于IVF時(shí)，從囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)分離細(xì)胞，在經(jīng)絲裂霉素C處理的胚胎成纖維細(xì)胞飼養(yǎng)層及特定培養(yǎng)基中培養(yǎng)超40代；源于核移植時(shí)，將卵丘細(xì)胞核轉(zhuǎn)移至小鼠卵母細(xì)胞后按相同方案培養(yǎng)。?
• 移植準(zhǔn)備：用于小鼠移植的細(xì)胞，需在明膠包被培養(yǎng)皿培養(yǎng)至少兩代以除飼養(yǎng)層。
• 分析篩選：對(duì)細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞遺傳學(xué)分析，用吉姆薩染色篩查染色體異常并核型分析。
• 維持繁殖：小鼠胚胎干細(xì)胞依賴LIF，可在有絲分裂失活的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞層或含LIF培養(yǎng)基中維持繁殖。

人類胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)：  

• 初始培養(yǎng)：將植入前胚胎細(xì)胞轉(zhuǎn)移至含營養(yǎng)培養(yǎng)基的無菌培養(yǎng)皿，在特定溫度、pH和二氧化碳濃度下，借助飼養(yǎng)層（如小鼠胚胎成纖維細(xì)胞或含特定成分的基底膜提取物）附著生長。?
• 避免污染：現(xiàn)開發(fā)無飼養(yǎng)層培養(yǎng)法防污染和不良突變。
• 細(xì)胞系形成：細(xì)胞鋪滿培養(yǎng)皿后傳代培養(yǎng)，保持多能狀態(tài)至少6個(gè)月形成細(xì)胞系，批次細(xì)胞可冷凍運(yùn)輸。

圖4顯示了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中hESC的生長情況。

該過程涉及在無菌條件下從囊胚中分離內(nèi)質(zhì)細(xì)胞，并與小鼠成纖維細(xì)胞飼養(yǎng)細(xì)胞一起培養(yǎng)。經(jīng)過幾次傳代后，建立了新的胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)物。

鑒定胚胎干細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)室檢測

胚胎干細(xì)胞系的建立需對(duì)這些細(xì)胞系的基本特性進(jìn)行驗(yàn)證，此過程稱為特性鑒定，可通過以下方法進(jìn)行：

• 長期培養(yǎng)與觀察：在實(shí)驗(yàn)室無菌條件下將細(xì)胞培養(yǎng)數(shù)月。每次傳代時(shí)，通過顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài)，并使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)確定核型。即便經(jīng)過多次傳代，細(xì)胞也必須保持健康且未分化狀態(tài)。
• 基因表達(dá)研究：分析細(xì)胞中Sox2、Nanog和Oct4等特定于未分化狀態(tài)的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。這些轉(zhuǎn)錄因子參與細(xì)胞分化和胚胎發(fā)育過程，能提供有關(guān)培養(yǎng)細(xì)胞狀態(tài)的詳細(xì)信息。要知道，Oct4、Sox2和Nanog是胚胎干細(xì)胞表達(dá)的一些轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)維持細(xì)胞的多能狀態(tài)至關(guān)重要。
• 染色體核型分析與表面標(biāo)記檢測：利用顯微鏡對(duì)染色體進(jìn)行核型分析，并檢查干細(xì)胞特有的特定細(xì)胞表面標(biāo)記的存在情況。該過程還有助于確定后續(xù)步驟，如重新生長、傳代培養(yǎng)等。

在細(xì)胞經(jīng)過多次傳代仍保持分化狀態(tài)后，可通過以下方法監(jiān)測其分化為特定細(xì)胞的潛力： 

• 自然分化觀察：讓細(xì)胞在培養(yǎng)過程中自然生長并分化。
• 改變培養(yǎng)基誘導(dǎo)分化：改變培養(yǎng)基，促使細(xì)胞分化并經(jīng)歷原腸胚形成，以形成胚胎的三個(gè)胚層。?
• 添加生長因子誘導(dǎo)分化：引入特定生長因子，并補(bǔ)充合適的培養(yǎng)基，分析分化細(xì)胞譜系的標(biāo)記物。?
• 畸胎瘤形成實(shí)驗(yàn)：將細(xì)胞注入具有形成良性腫瘤（畸胎瘤，一種細(xì)胞團(tuán)）傾向的免疫缺陷小鼠體內(nèi)。由于實(shí)驗(yàn)使用的小鼠免疫系統(tǒng)受到抑制，不會(huì)出現(xiàn)受體的移植物排斥情況。這些畸胎瘤包含多種分化細(xì)胞的混合群體，展示了干細(xì)胞的多能性。此方法可用于創(chuàng)建無動(dòng)物模型的罕見病模型系統(tǒng)，以及各種細(xì)胞譜系的藥物篩選實(shí)驗(yàn)。

除傳統(tǒng)檢測方法外，還有一些基于新型生物標(biāo)志物和蛋白質(zhì)組學(xué)的方法來鑒定誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。基于蛋白質(zhì)組學(xué)方法的質(zhì)譜分析可識(shí)別干細(xì)胞標(biāo)記物，與耗時(shí)費(fèi)力的基因組分析相比，它是一種經(jīng)濟(jì)高效且可靠的工具。圖5展示了一種使用質(zhì)譜分析胚胎干細(xì)胞的新型基于蛋白質(zhì)組學(xué)的篩選方法。

識(shí)別和篩選誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞的新方法之一是使用質(zhì)譜法對(duì)其進(jìn)行蛋白質(zhì)組分析。質(zhì)譜法獲得的蛋白質(zhì)組用于篩選任何特定于該干細(xì)胞譜系的生物標(biāo)志物。

胚胎干細(xì)胞的分化

胚胎干細(xì)胞分化有特定特征與階段，具體如下：

• 分化階段：分為感受態(tài)（細(xì)胞能響應(yīng)特定信號(hào)）、特化（去除信號(hào)不改變細(xì)胞命運(yùn)）、決定（細(xì)胞不受信號(hào)影響），信號(hào)由周圍物理或化學(xué)環(huán)境因素提供。
• 多能性特點(diǎn)：注入宿主囊胚可促成包括生殖系的成體組織，傳代能保持正常核型，多能性在體外培養(yǎng)分 “原始態(tài)”（類似植入前囊胚的胚胎外胚層）與 “啟動(dòng)態(tài)”（植入后原腸胚形成前外胚層），人類胚胎干細(xì)胞系多處于啟動(dòng)態(tài)，常聚集成類胚體自發(fā)分化。
• 培養(yǎng)與調(diào)控：為獲特定分化細(xì)胞純培養(yǎng)物需調(diào)控分化。小鼠胚胎干細(xì)胞生長依賴含 LIF 和胎牛血清的培養(yǎng)基，人類胚胎干細(xì)胞則不依賴 LIF 或 STAT3，可在飼養(yǎng)層或用特定包被板及轉(zhuǎn)錄因子獨(dú)立培養(yǎng)。
• 現(xiàn)有方案利弊：已開發(fā)多種維持生存因子的方案，培養(yǎng)基成分決定胚胎干細(xì)胞發(fā)育方向，可形成類胚體或胚層。類胚體在基質(zhì)細(xì)胞等上分化能滋養(yǎng)細(xì)胞，但會(huì)分泌干擾實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞因子；基質(zhì)細(xì)胞雖支持干細(xì)胞生長，卻可能分泌干擾細(xì)胞譜系定向分化的不良因子。

成體干細(xì)胞核心特性與功能

成體干細(xì)胞的基本特征

• 靜止?fàn)顟B(tài)（Quiescence）：多數(shù)ASC處于可逆的生長停滯狀態(tài)（如骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞），受微環(huán)境（niche）調(diào)控，遇外界信號(hào)可激活增殖。??
• 自我更新與分化：終身保持自我復(fù)制能力，分化為特定祖細(xì)胞→成熟功能細(xì)胞（如血細(xì)胞、神經(jīng)元等），維持組織穩(wěn)態(tài)。

成體干細(xì)胞的分類與來源

• 造血干細(xì)胞（HSCs）：位于骨髓，生成所有血細(xì)胞（紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板）。??
• 非造血干細(xì)胞（如間充質(zhì)干細(xì)胞, MSCs）：源于脂肪、軟骨、骨等組織，分化為支持性細(xì)胞（軟骨、纖維結(jié)締組織等）。??
• 分布：遍布全身，包括大腦（如少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞）等終末分化器官。

成體干細(xì)胞的可塑性（Plasticity）

• 轉(zhuǎn)分化（Trans-differentiation）：ASC可跨譜系分化為其他組織細(xì)胞（如血細(xì)胞→神經(jīng)元、骨髓干細(xì)胞→肝細(xì)胞），為損傷修復(fù)提供新途徑。??
• 局限性：分化方向受微環(huán)境因子（如生存信號(hào)、培養(yǎng)基成分）嚴(yán)格調(diào)控（如HSCs無法生成神經(jīng)元）。

成體干細(xì)胞的生理與臨床意義

• 組織修復(fù)：通過補(bǔ)充損傷/病變細(xì)胞維持器官功能（如骨髓HSCs持續(xù)更新血液）。??
• 臨床應(yīng)用
• 細(xì)胞治療：分離自骨髓、脂肪等組織，用于再生醫(yī)學(xué)（如修復(fù)神經(jīng)、心臟組織）。??
• 研究模型：體外培養(yǎng)探究分化機(jī)制（見圖6分離流程）。

將成體干細(xì)胞從源組織中無菌取出，用適當(dāng)?shù)木彌_液沖洗，然后切碎成小塊或在消化前進(jìn)行輕度均質(zhì)化。在合適的緩沖液中對(duì)組織塊進(jìn)行輕度酶消化，然后在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基或培養(yǎng)皿中培養(yǎng)這些組織塊。

總結(jié)：成體干細(xì)胞是組織穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)者，兼具自我更新與轉(zhuǎn)分化潛能，其功能受微環(huán)境精確調(diào)控，在再生醫(yī)學(xué)中具有廣闊應(yīng)用前景。

成體干細(xì)胞的細(xì)胞定位

確定成體干細(xì)胞的細(xì)胞定位并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，對(duì)于研究它們的特性至關(guān)重要。同時(shí)，在闡明維持其增殖和分化等基本特性的調(diào)控通路方面開展研究，為再生醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域開辟了新的前景。

如前所述，成體干細(xì)胞（ASCs）常存在于干細(xì)胞龕中，干細(xì)胞龕在調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮著重要作用，決定了干細(xì)胞的位置、黏附、遷移、靜止或激活、細(xì)胞分裂、分化以及其他多種特性。

人們通過干細(xì)胞及其干細(xì)胞龕中表達(dá)的蛋白質(zhì)標(biāo)記，或者使用氚標(biāo)記的胸腺嘧啶核苷或溴脫氧尿苷等標(biāo)記技術(shù)來識(shí)別這些干細(xì)胞龕。由于干細(xì)胞的（細(xì)胞）周期時(shí)間緩慢，它們能夠保留這些標(biāo)記。干細(xì)胞的另一個(gè)特性也有助于這種標(biāo)記保留。

干細(xì)胞存在一種被稱為“選擇性DNA分離”的策略性現(xiàn)象（圖7以示意圖形式進(jìn)行了解釋），這使得它們能夠在較長時(shí)間內(nèi)保持干性。凱恩斯及其同事將這一過程解釋為 “不朽鏈假說”，即干細(xì)胞總是將（每條染色體中的）一條DNA鏈指定為模板鏈。在復(fù)制過程中，只有模板鏈及其拷貝會(huì)進(jìn)入仍作為干細(xì)胞的子代細(xì)胞中。

在細(xì)胞分裂過程中，干細(xì)胞始終為子細(xì)胞保留模板鏈，子細(xì)胞也繼續(xù)繼承母體干細(xì)胞的永生性。這種DNA選擇性分離可以合理地解釋干細(xì)胞在其微環(huán)境內(nèi)識(shí)別時(shí)循環(huán)時(shí)間緩慢和標(biāo)記保留的原因。

• 過渡放大細(xì)胞：在微環(huán)境的細(xì)胞中，有一些細(xì)胞被稱為“過渡擴(kuò)增細(xì)胞”或定向祖細(xì)胞。這些細(xì)胞增殖速度快，但自我更新能力有限，主要作用是增加分化細(xì)胞的數(shù)量。它們的存在依賴于干細(xì)胞龕中特定標(biāo)記的表達(dá)，如c-kit、Sca-1等。
• 成體干細(xì)胞的來源與特性：成體干細(xì)胞存在于多種組織中，如骨髓、大腦、肝臟等。它們保留了多能性或未分化狀態(tài)，并涉及多種信號(hào)通路，如Wnt、Notch和Hedgehog。
• 間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）：MSCs是成體干細(xì)胞的典型代表，最初在骨髓中發(fā)現(xiàn)，后來也在其他組織如臍帶血、胎盤等中分離得到。它們具有強(qiáng)黏附能力，并表達(dá)多種細(xì)胞表面標(biāo)記（如CD44、CD29等），但不表達(dá)造血干細(xì)胞標(biāo)記（如CD45、CD34等）。
• MSCs的免疫特性：MSCs表面表達(dá)低水平的HLA和MHC I類抗原，不表達(dá)MHC II類抗原，這使它們在免疫調(diào)節(jié)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

總結(jié)來說，成體干細(xì)胞，尤其是MSCs，具有多能性和特定的表面標(biāo)記，廣泛存在于多種組織中，并在再生醫(yī)學(xué)和免疫調(diào)節(jié)中具有重要應(yīng)用潛力。

成體干細(xì)胞鑒定實(shí)驗(yàn)室檢測

了解ASC的性質(zhì)將有助于我們更好地識(shí)別、分離和培養(yǎng)它們體外在沒有實(shí)際細(xì)胞發(fā)揮功能的情況下，ASC在再生能力方面發(fā)揮著非常重要的作用。

• ASCs的重要性：ASCs 主要存在于骨髓，具單能或多能性，在組織再生中起關(guān)鍵作用。因其數(shù)量少，分離需精細(xì)方案。

• MSCs與HSCs的比較：

• 造血干細(xì)胞（HSCs）：增殖能力強(qiáng)，能再生整個(gè)造血細(xì)胞群體。
• 間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）：數(shù)量更少（比HSCs少10 倍），可分化為骨、軟骨和脂肪細(xì)胞。

• 鑒定與分離：運(yùn)用熒光標(biāo)記和流式細(xì)胞術(shù)等先進(jìn)分子方法，對(duì) ASCs 進(jìn)行標(biāo)記與鑒定，以追蹤其分化和組織來源。分離出的細(xì)胞可培養(yǎng)、標(biāo)記后回植動(dòng)物體內(nèi)，研究其再生潛力。
• 富集與分選：干細(xì)胞富集有助于分化和譜系定向。利用HSCs能通過膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ATP 結(jié)合盒蛋白）外排染料的特性，采用染料排除法（如Hoechst 33342）分離HSCs。在熒光激活細(xì)胞分選（FACS）分析中，靜止干細(xì)胞表現(xiàn)為 “旁群細(xì)胞”。有關(guān)詳細(xì)圖示，請參閱（圖8）。

染料排除法和側(cè)群分析是一種識(shí)別干細(xì)胞群的通用技術(shù)。ABC膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的固有性質(zhì)可作為染料（如Hoechst）的藥物流出機(jī)制，在FACS機(jī)器中，側(cè)群出現(xiàn)在面板的左側(cè)末端。

總之，ASCs的鑒定、分離和富集依賴先進(jìn)分子與熒光技術(shù)，助力研究人員探索其再生能力及醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力。該流程旨在從動(dòng)物獲取并鑒定成體干細(xì)胞（ASC）：

• 獲取與處理：無菌條件下取ASC組織，經(jīng)無菌生理鹽水或冰冰冷PBS清洗，用培養(yǎng)基勻漿并以膠原酶處理去纖維組織，再經(jīng)100和40微米無菌濾器過濾貼壁細(xì)胞。
• 分選與培養(yǎng)：輕柔離心后，用熒光激活細(xì)胞分選儀區(qū)分死活細(xì)胞，將活細(xì)胞以50,000 – 100,000個(gè)/孔接種于含血清、抗生素的六孔培養(yǎng)板，在二氧化碳培養(yǎng)箱培養(yǎng)，幾代后擴(kuò)增為原代細(xì)胞系。
• 鑒定方法：傳代三次使細(xì)胞達(dá)80-90%匯合度，染色檢測干細(xì)胞表面 CD標(biāo)記物，用流式細(xì)胞術(shù)分選，需全面了解細(xì)胞表面抗原。也可將表達(dá)綠色或紅色熒光蛋白的報(bào)告基因插入干細(xì)胞，由特定標(biāo)記物啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)熒光蛋白表達(dá)，借助熒光激活細(xì)胞分選儀識(shí)別分選。

下表（表2）列出了用于識(shí)別干細(xì)胞的干細(xì)胞標(biāo)記物的完整列表。

WBC—白細(xì)胞；HSC—造血干細(xì)胞；MSC—間充質(zhì)干細(xì)胞；NSC—神經(jīng)干細(xì)胞。

成體干細(xì)胞的分化

分化概述：成體干細(xì)胞憑借其多能性的固有特性，發(fā)育為多種細(xì)胞譜系的過程稱為分化。該過程復(fù)雜，遵循細(xì)胞正常分子通路。若用于組織修復(fù)或治療，其分化特性在生物學(xué)和生理學(xué)上意義重大。當(dāng)出現(xiàn)如組織損傷修復(fù)等生理觸發(fā)時(shí)，成體干細(xì)胞開始分化為具有特定細(xì)胞形狀和結(jié)構(gòu)特征的成熟細(xì)胞。

骨髓成體干細(xì)胞分化路徑：骨髓中的成體干細(xì)胞包含造血干細(xì)胞和基質(zhì)干細(xì)胞。造血干細(xì)胞可產(chǎn)生淋巴樣和髓樣祖（前體）細(xì)胞。淋巴樣祖細(xì)胞可分化為T細(xì)胞、B細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞，髓樣祖細(xì)胞則分化為紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板。同樣，基質(zhì)（間充質(zhì)）干細(xì)胞可產(chǎn)生成骨前體細(xì)胞、破骨前體細(xì)胞，進(jìn)而形成構(gòu)成骨骼的主要細(xì)胞 —— 成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，也可分化為脂肪細(xì)胞和軟骨細(xì)胞等其他細(xì)胞。

分化誘導(dǎo)因素：可通過多種技術(shù)，利用生物或藥理試劑（如激素）誘導(dǎo)分化。分化還受機(jī)械信號(hào)調(diào)控，如改變細(xì)胞形態(tài)和基質(zhì)彈性。環(huán)境因素如氧張力也會(huì)促使干細(xì)胞分化。此外，低強(qiáng)度超聲等外部電和機(jī)械力也可用于調(diào)節(jié)其分化。似乎多種物理化學(xué)分化因子共同控制成體干細(xì)胞向特定細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)分化，為促進(jìn)這些干細(xì)胞在組織工程或再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，需優(yōu)化相關(guān)方案。

分化的信號(hào)機(jī)制：外部因素通常在這些細(xì)胞中引發(fā)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，促使它們定向分化。例如，血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和剪切應(yīng)力協(xié)同誘導(dǎo)內(nèi)皮祖細(xì)胞分化為內(nèi)皮細(xì)胞，而液壓協(xié)同誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨分化。多種分子通路，如絲裂原活化蛋白激酶（MAP）激酶信號(hào)通路、鈣信號(hào)通路、G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）通路等，參與干細(xì)胞向特定細(xì)胞類型的分化。

胚胎干細(xì)胞與成體干細(xì)胞的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)

相同點(diǎn)

• 發(fā)育潛能：胚胎干細(xì)胞（ESCs）和成體干細(xì)胞（ASCs）都具備發(fā)育潛能，這是干細(xì)胞特性的重要體現(xiàn)，決定了它們能夠分化形成不同類型的細(xì)胞 。

• 體外培養(yǎng)：二者都能夠從組織中分離出來，并在體外以未分化的純細(xì)胞群體形式培養(yǎng)多代，在此過程中都需要精心準(zhǔn)備培養(yǎng)基和相關(guān)試劑。

• 靜止與分化：ESCs和ASCs均可長時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)受到特定刺激后，會(huì)表現(xiàn)出分化或特化的特性，朝著特定的細(xì)胞譜系進(jìn)行分化 。?

• 致瘤性：兩種細(xì)胞都具有一定的致瘤性，都有可能形成畸胎瘤，不過這種情況在胚胎干細(xì)胞中更為常見。

• 治療價(jià)值：在基于細(xì)胞的治療領(lǐng)域，胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞都因其獨(dú)特的性質(zhì)而具有重要價(jià)值，是細(xì)胞治療研究的重要對(duì)象。

不同點(diǎn) 

• 來源：胚胎干細(xì)胞來源于胚胎，通常是從早期胚胎的囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中分離得到；而成體干細(xì)胞存在于成體組織中，如骨髓、大腦、肝臟等多種組織 。
• 分化能力：胚胎干細(xì)胞具有多能性，能分化為生物體中除胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞以外的任何類型的細(xì)胞；成體干細(xì)胞一般具有單能性或多能性，多能性的成體干細(xì)胞其分化方向相對(duì)胚胎干細(xì)胞更為局限，例如造血干細(xì)胞主要分化為各類血細(xì)胞，間充質(zhì)干細(xì)胞可分化為骨、軟骨和脂肪細(xì)胞等。?
• 倫理爭議：胚胎干細(xì)胞的獲取涉及對(duì)胚胎的破壞，因此引發(fā)了諸多倫理爭議；成體干細(xì)胞的獲取則不涉及此類倫理問題，相對(duì)而言倫理爭議較小。

04干細(xì)胞在心血管疾病中的潛在應(yīng)用

心血管疾病是全球發(fā)病和死亡的主要原因，心肌細(xì)胞再生能力極低，心臟難以應(yīng)對(duì)心肌梗死等疾病導(dǎo)致的心肌組織嚴(yán)重?fù)p失，心臟移植昂貴且成功率不高，干細(xì)胞移植有望成為治療心力衰竭的替代策略。

用于心臟再生的干細(xì)胞類型

• 胚胎干細(xì)胞：存在固有致瘤性、易形成畸胎瘤、有免疫細(xì)胞排斥風(fēng)險(xiǎn)及向所需心肌細(xì)胞分化效率低等問題，不太適合用于心臟再生治療。
• 骨髓源性干細(xì)胞：尚未被證明能獨(dú)立分化為有功能的心肌細(xì)胞。
• 骨骼肌成肌細(xì)胞：雖已取得一定進(jìn)展，能在體內(nèi)形成肌管，但存在與現(xiàn)有心肌電整合的挑戰(zhàn)，功能受限。
• 心臟干細(xì)胞和心臟祖細(xì)胞：是治療心力衰竭的細(xì)胞治療的有希望的候選細(xì)胞類型。干細(xì)胞在心臟細(xì)胞替代治療中的多功能性如圖9所示。

心臟干細(xì)胞是治療心臟病的有希望的候選細(xì)胞，因?yàn)樗鼈兛梢园l(fā)育成不同類型的心臟細(xì)胞，如心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。

人類干細(xì)胞在心血管疾病中的潛在用途

心血管疾病治療現(xiàn)狀及干細(xì)胞應(yīng)用的必要性：心血管疾病是全球發(fā)病和死亡的主要原因，心肌細(xì)胞再生能力極低，心臟無法在心肌梗死后彌補(bǔ)心肌組織損失，心臟移植昂貴且成功率不高，干細(xì)胞移植有望成為治療心力衰竭的替代策略。

各類干細(xì)胞在心臟再生中的研究情況

• 胚胎干細(xì)胞（ESCs）：ESCs具有多能性，可分化為心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞等多種細(xì)胞類型，對(duì)受損心肌再生有用。但存在固有致瘤性、形成畸胎瘤風(fēng)險(xiǎn)、免疫細(xì)胞排斥問題及向所需心肌細(xì)胞分化效率低等問題，臨床應(yīng)用受限。
• 骨髓源性干細(xì)胞：未被證明能獨(dú)立分化為有功能的心肌細(xì)胞。
• 骨骼肌成肌細(xì)胞：可在體內(nèi)形成肌管，但存在與現(xiàn)有心肌電整合的挑戰(zhàn)，功能受限。
• 心臟干細(xì)胞和心臟祖細(xì)胞：是心力衰竭細(xì)胞治療的有希望的候選細(xì)胞類型，可從心臟分離，在體外培養(yǎng)后用于體內(nèi)心臟細(xì)胞替代，能分化為平滑肌細(xì)胞、心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，部分試驗(yàn)顯示出良好的補(bǔ)充和功能能力。
• 間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）：可分化為多種心臟細(xì)胞，在臨床試驗(yàn)中，同種異體和自體MSCs治療缺血性心臟病安全有效，同種異體MSCs不引發(fā)特異性免疫反應(yīng)。細(xì)胞注射途徑影響其行為和命運(yùn)，心肌內(nèi)注射是最常用且最成功的途徑，其免疫調(diào)節(jié)和分化潛能高，有助于心肌細(xì)胞對(duì)抗損傷和啟動(dòng)組織修復(fù)，但在動(dòng)物模型有效，在臨床試驗(yàn)中的效果未達(dá)預(yù)期。
• 多能干細(xì)胞：多能干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞在豬、豚鼠和靈長類動(dòng)物中顯示出作為生物起搏器的潛力，可用于梗死心肌組織移植，但在臨床應(yīng)用中存在致瘤性、遺傳不穩(wěn)定、倫理問題及細(xì)胞純度等限制，目前正在開發(fā)可靠方案以解決干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞的物理和功能成熟問題。

干細(xì)胞在神經(jīng)退行性疾病中的應(yīng)用

干細(xì)胞在腦損傷和神經(jīng)退行性疾病治療中的作用：干細(xì)胞的多能性使其在腦損傷再生和恢復(fù)中通過調(diào)節(jié)局部組織環(huán)境和與周圍細(xì)胞相互作用發(fā)揮關(guān)鍵作用，涉及干細(xì)胞移植的療法已被探索和評(píng)估。

相關(guān)臨床研究情況：過去十年，各國超15項(xiàng)臨床試驗(yàn)研究了源自骨髓、臍帶血、外周血和脂肪組織的自體干細(xì)胞治療腦損傷和神經(jīng)退行性疾病的有效性，其中間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）療法在減輕過度炎癥和減輕腦損傷方面有希望。

此外，MSC和MSC衍生的外泌體對(duì)早產(chǎn)兒腦健康有潛在益處，但建立標(biāo)準(zhǔn)化通用方案仍是重大挑戰(zhàn)，細(xì)胞類型、遞送方法、給藥方案和患者耐受性等關(guān)鍵因素需仔細(xì)考慮，需繼續(xù)進(jìn)行臨床前和臨床研究以確定干細(xì)胞療法對(duì)其他復(fù)雜疾病的有效性。

05人類干細(xì)胞在神經(jīng)退行性疾病（NDD）中的潛在應(yīng)用

神經(jīng)退行性疾病是干細(xì)胞治療的一個(gè)潛在領(lǐng)域。許多研究都探索了ESC在治療某些生理疾病方面的效用。研究人員已經(jīng)探索了替換大腦受影響區(qū)域受損神經(jīng)元的可能性。

• 胚胎干細(xì)胞（ESCs）：眾多研究探索了ESCs在治療神經(jīng)退行性疾病生理狀況方面的作用，其有分化為特定神經(jīng)元亞群的潛力，分別適用于治療帕金森病（PD）中的多巴胺能異常和阿爾茨海默病（AD）中的膽堿能異常。
• 間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）：在帕金森病、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）和AD的臨床前研究中，MSCs已被證明具有重要作用，其作用機(jī)制可能是促進(jìn)神經(jīng)元存活、激活小膠質(zhì)細(xì)胞和釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子。MSC移植成功改善了ALS患者的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元功能并減少了泛素。
• 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）：iPSCs是神經(jīng)退行性疾病疾病建模的重要工具，通過CRISPR/Cas9進(jìn)行基因編輯以產(chǎn)生同基因移植物或類器官是NDD領(lǐng)域的持續(xù)研究方向。由于自體移植免疫排斥和倫理問題較小，iPSCs在NDD治療中是較理想的選擇，但臨床療效仍有待驗(yàn)證。
• 神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）：神經(jīng)干細(xì)胞移植是治療中風(fēng)、精神疾病的有力手段，研究發(fā)現(xiàn)NSCs具有再生潛力，涉及免疫調(diào)節(jié)、神經(jīng)保護(hù)、釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子和減輕神經(jīng)炎癥等機(jī)制。臨床評(píng)估顯示，接受NSC脊髓內(nèi)注射的患者疾病進(jìn)展減緩，在PD的臨床試驗(yàn)中也觀察到臨床癥狀改善且無明顯副作用。
• 聯(lián)合移植策略：過去嘗試了聯(lián)合移植策略，如將MSCs和NSCs在可控培養(yǎng)條件下聯(lián)合，可使其分化為多巴胺能神經(jīng)元，改善PD患者的空間學(xué)習(xí)能力。

寫在最后：綜上所述，胚胎干細(xì)胞與成體干細(xì)胞的基礎(chǔ)知識(shí)搭建起了一座通往醫(yī)學(xué)新時(shí)代的橋梁。它們在復(fù)雜疾病治療中展現(xiàn)出的潛力，猶如破曉的曙光，為眾多深受病痛折磨的患者帶來了希望。

隨著科技的飛速發(fā)展，我們有理由相信，未來干細(xì)胞療法將取得更多突破性進(jìn)展。或許在不久的將來，心血管疾病不再是健康的 “頭號(hào)殺手”，神經(jīng)退行性疾病也能得到有效控制。干細(xì)胞技術(shù)有望重塑醫(yī)學(xué)格局，為人類健康事業(yè)鑄就新的輝煌，讓我們拭目以待這一充滿希望的未來。

參考資料：Verma G, Ravichandran S. Fundamentals of Stem Cells and Application in Complex Disorders [Internet]. Stem Cell Transplantation [Working Title]. IntechOpen; 2025. Available from: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.1008567

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