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1、干细胞的种类、特征及应用2019版高中生物学选择性必修三介绍了“干细胞”：那么，干细胞有哪些种类？有哪些方面的应用？干细胞（stem cell，SC）的“干”，译自英文“stem”，意为“茎干”、“干”和“起源”。干细胞群的功能即为控制和维持细胞的再生。一般来说，在干细胞和其终末分化的子代细胞之间存在着被称为“定向祖细胞”的中间祖细胞群，它们具有有限的扩增能力和限制性分化潜能。这些细胞群的功能是增加干细胞每次分裂后产生的分化细胞的数量。干细胞具有自我更新的能力，但是干细胞的分裂实际上是相对不对称的。虽然在形态学和分子生物学水平上干细胞的结构意义能帮助定义干细胞，但是干细胞的定义仍必须是建立在功
2、能性的基础上的。从功能上讲，干细胞是具有多向分化潜能、自我更新能力的细胞，是处于细胞系起源顶端的最原始细胞，在体内能够分化产生某种特定组织类型的细胞。对于单细胞来讲，对这个定义进行严格限制是很重要的。尤其是在复杂的器官中，为了区别干细胞和其他各种类型的祖细胞，对其进行功能上的区分可能更精确和必要。因为干细胞和祖细胞的定义是由其是否具有自我更新能力所决定的。干细胞一旦分化为祖细胞后就失去了自我更新的能力，出现对称性的有丝分裂，祖细胞的数量只有通过干细胞的增殖分化来补充，但是祖细胞仍然保持高度的增殖能力，就造血干祖细胞而言，各系造血过程中细胞的大量扩增主要依靠造血祖细胞的增殖。在成体的器官中，干细
3、胞可以通过不断分裂来修复组织，或者是像在哺乳动物脑组织中那样处于静止的状态。干细胞在其发育期间能够通过对称性地分裂以扩增它们的数量，或者通过非对称性分裂进行自我更新和产生更多不同分化类型的祖细胞1。科学地对干细胞进行分类有助于对干细胞概念及其生物学特性的准确把握和理解，可以采用以下几种方法对干细胞进行分类。根据发育阶段分类干细胞可以分为胚胎干细胞和成体干细胞胚胎干细胞：在各种干细胞的研究与应用中，胚胎干细胞最引人注目。胚胎干细胞是指由胚胎内细胞团或原始生殖细胞经体外抑制培养而筛选出的细胞。此外，胚胎干细胞还可以利用体细胞核转移技术来获得。胚胎干细胞具有发育全能性，在理论上可以诱导分化为机体中所
4、有种类的细胞；胚胎干细胞在体外可以大量扩增、筛选、冻存和复苏而不会丧失其原有的特性1。成体干细胞：成体干细胞是指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。成体干细胞存在于机体的各种组织器官中。发现的成体干细胞主要有：造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞、肝干细胞、肌肉卫星细胞、皮肤表皮干细胞、肠上皮干细胞、视网膜干细胞、胰腺干细胞等。根据不同的分化潜能，干细胞可分为全能干细胞、多能干细胞、单能干细胞全能干细胞：具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，有形成完整个体的分化潜能，如胚胎干细胞，具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能
5、力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，进一步形成机体的所有组织、器官。多能干细胞：顾名思义，多能干细胞具有产生多种类型细胞的能力，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。例如，造血干细胞可分化出至少12种血细胞，骨髓间充质干细胞可以分化为多种中胚层组织的细胞（如骨、软骨、肌肉、脂肪等）及其他胚层的细胞（如神经元）。科学家们趋向于将分化潜能更广的干细胞称为多潜能干细胞，如骨髓间充质干细胞，而将向某一类型组织的不同细胞分化的干细胞称为多能干细胞，如造血干细胞、神经细胞等。单能干细胞（也称专能、偏能干细胞）：常被用来描述在成体组织、器官中的一类细胞，意思是此类细胞只能向单
6、一方向分化，产生一种类型的细胞。在许多已分化组织中的成体干细胞是典型的单能干细胞，在正常的情况下只能产生一种类型的细胞。如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞又叫卫星细胞。这种组织是处于一种稳定的自我更新的状态。然而，如果这种组织受到伤害并且需要多种类型的细胞来修复时，则需要激活多潜能干细胞来修复受伤的组织。干细胞是具有多种分化潜能，自我更新能力和高度增殖能力的细胞。由于干细胞可无限扩增、易于遗传操作和冻存，且又不失其全能性或多能性，并在适当条件下，可被诱导分化为多种细胞组织。因此干细胞的研究在基础研究领域和临床应用中具有重要的理论和实践意义。1989年首例脐血造血干细胞移植治疗Fancn
7、i贫血获得成功后，即引起全球的关注。其后，学者们先后分离出不同组织的干细胞，使干细胞的研究进入新的高潮，生命科学研究的又一热点。早在1945年临床上就开始对暴露于大剂量射线的人进行干细胞的移植。1961年，Till 和McCulloch提出了多能造血干细胞的概念，并且认为，干细胞就是在单一细胞水平具有自我更新和多谱系分化的特性。从20世纪80年代开始，造血干细胞移植已经成为治疗许多疾病的重要手段。1981年，Evans等首次成功地建立了小鼠胚胎干细胞系，后来人们陆续建立了兔、绵羊、山羊等动物和人类胚胎干细胞系。但是由于对于细胞的性质和功能认识的不足以及研究技术缺乏，因而限制了干细胞研究的发展。
8、1998年，Science杂志上报道了关于ES细胞的研究后，重新点燃了人们对干细胞的热情，与之同时，亦引发了有关人类ES研究的伦理学争论，1999年，美国议会许多议员提出：反对人类ES干细胞研究；同时美国许多州的法律规定，杀死胚胎属于犯罪行为。干细胞的生物学特性多能性或全能性干细胞具有分化为多种细胞类型的潜能，但不同干细胞的分化潜能有所不同。ES细胞具有全能性，可分化发育成构成机体任何一部分组织器官的能力。在体外，ES细胞可被诱导分化出包括3个胚层在内的所有分化细胞，在动物体内，ES细胞可分化产生出由3个胚层细胞构成的畸胎瘤。而多能干细胞，如神经干细胞具有多能性，即一个干细胞能产生出几种不同类
9、型的细胞。若将从成年动物海马获得的神经干细胞扩增后移植回海马，则能产生出新的神经元和神经胶质；若将同样的干细胞移植到嘴侧的迁移流，则能产生嗅球神经元；若将同样的干细胞移植到成年动物通常不产生神经元的区域(如完整的大脑)，则不能产生神经元，但在受损时能产生神经胶质细胞；最引人瞩目的报道是将来自胚胎或成年鼠脑的遗传标记的干细胞在体外扩增成球团后被移植到照射过的宿主鼠，则产生包括髓系和淋巴系甚至更原始的造血干细胞。神经干细胞的研究不但说明了成年干细胞具有多能性.而且说明其多向分化的潜能与其所处的微环境有绝对的关系。综上可知，全能性或多能性是干细胞的关键内容。自我更新能力干细胞一旦形成，在机体终生都具
10、有自我更新能力，这完全不同于有限自我更新能力的许多类型的祖细胞。干细胞通过不均-分裂进行自我更新和产生分化祖细胞。成年机体干细胞能反复分化充满组织，这对维持机体组织器官的稳定性有很重要的意义。高度增殖能力高度增殖是干细胞的生物学特性之一。在体外扩增干细胞是干细胞研究及应用的前提和关键，干细胞虽具有多能性，但其数量不多，那么只有通过体外扩增，才会得到大量的干细胞，进而对研究和应用才具有意义。干细胞在体内，高度扩增具有重大意义，如造血干细胞通过高速扩增，可补充由于细胞正常衰老死亡而丧失的血细胞。因此干细胞高度扩增不但对干细胞的研究和应用有着重要的作用，而且对机体正常功能的维持也起着重要的作用。干细
11、胞的应用干细胞在生命科学的各个领域都有着重要而深远的影响，如克隆动物、转基因动物的生产、细胞组织和器官的修复和移植治疗、组织工程上有着广阔的应用前景。移植治疗移植治疗目前已经成为治疗疾病的一个重要手段，如器官移植、细胞移植等。干细胞移植是一个尤其重要而意义重大的手段。20世纪80年代起，造血干细胞移植已经成为癌症、造血系统疾病、自身免疫系统疾病等的重要手段。之后，外周血干细胞移植并辅以化疗及细胞因子CG-CSF、GMCSF等，可使更多的干细胞进入外周血。1989年首例脐血治疗Fanconi 贫血成功后，许多国家纷纷建立了规模不等的脐血血库。因脐血富含造血干/祖细胞、其免疫细胞的抗原性较弱、CT
12、L祖细胞较少、移植相关GVHD的发生相对骨髓的外周血少而轻、采集容易、对供者无任何伤害。故被认为是极具潜力的新造血干细胞的来源。神经干细胞的研究为神经系统疾病的治疗提供了广阔的应用前景。啮齿类中枢神经细胞系包括中枢神经干细胞已被用于许多鼠的疾病模型，如鼠遗传性神经退化症，包括脱髓鞘症、脑神经节苷脂沉积症和其他神经退化紊乱(包括多巴胺能神经，如肾上腺髓质，胚胎腹侧中脑和畸胎瘤组织的移植)治疗研究中。神经干细胞的临床价值已在人帕金森病中得到证明。克隆动物的生产及转基因动物的生产自绵羊“多莉”问世至今，体细胞克隆动物多有成功的报道。但体细胞克隆动物有着无法克服的弊端，即成功率低和容易早衰。而Waka
13、yama等用长期传代(30代以上)的小鼠ES 细胞克隆出31只小鼠，14只存活，可见存活率大大提高了。因此，ES细胞克隆动物具有光明前景。转基因动物是利用受精卵或ES细胞作为载体，通过注射目的基因，从而生产带有目的基因的动物。转基因ES细胞系将为大量同系转基因动物的生产奠定基础。应用于细胞进行动物克隆，可以有效地提高稀有动物的繁殖和高效畜产品的生产，以及高效生物活性物质的生产。转基因干细胞基因治疗现有的基因治疗有两类：转基因细胞治疗。核酸治疗。前者常用的基因转移靶细胞多为淋巴细胞、成纤维细胞等。其缺陷为细胞存活时间有限，在治疗过程中需要反复输注，治疗繁琐。转基因干细胞技术建立解决了转基因细胞存活问题，成为转基因细胞治疗重要的方向。ES细胞为发育生物学研究的理想体外模型ES细胞具有全能性和无限增殖能力，并能在体外培养。因此，可以作为微环境改变对细胞分化影响的理想研究材料。随着现代生物技术的发展，研究不同生长调节因子在ES细胞分化中的作用，已成为可能。尤其是基因芯片技术的完善，通过mRNA差异显示，为Es 细胞分化和不同分化阶段细胞的基因转录和表达的研究奠定基础，成为揭示发育和分化的分子机制的重要手段。学科网（北京）股份有限公司