摘　要:近年來(lái),干細(xì)胞因其自身的許多特性成為生命科學(xué)的研究熱點(diǎn)。干細(xì)胞能夠自我更新和多向分化的生物學(xué)特性,具有重要的醫(yī)學(xué)價(jià)值,在基因治療、組織工程學(xué)、藥學(xué)研究等許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。而且干細(xì)胞的研究對(duì)于科學(xué)家重新認(rèn)識(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、生物發(fā)育機(jī)制等基本生命規(guī)律也將起到重大作用。雖然干細(xì)胞的研究已取得許多重大的研究進(jìn)展,并展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景,但仍存在不少技術(shù)難題有待于進(jìn)一步的研究。文章就干細(xì)胞的概念、特性、主要研究領(lǐng)域的進(jìn)展、研究存在的問(wèn)題及其應(yīng)用前景作一概述。
關(guān)鍵詞:胚胎干細(xì)胞;神經(jīng)干細(xì)胞;干細(xì)胞;應(yīng)用前景
在Science公布的1999年世界科學(xué)成果評(píng)選中,“干細(xì)胞研究的新發(fā)現(xiàn)”榮登科學(xué)成果;2001年末,干細(xì)胞研究又被其列為六大熱門(mén)科技領(lǐng)域,由此可見(jiàn)干細(xì)胞在生命科學(xué)中的顯要地位。而分離和體外培養(yǎng)各種來(lái)源的干細(xì)胞的技術(shù)不斷成熟,更是引發(fā)了新一輪的干細(xì)胞研究熱潮。干細(xì)胞研究領(lǐng)域的一系列引人注目的進(jìn)展,引起了生命科學(xué)界的強(qiáng)烈反響,干細(xì)胞研究不僅具有不可估量的醫(yī)學(xué)價(jià)值,而且也將加速科學(xué)家對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、生物發(fā)育機(jī)制等基本生命規(guī)律的重新認(rèn)識(shí)。
1　干細(xì)胞的概念及分類(lèi)
干細(xì)胞（stemcell）是一類(lèi)具有自我更新與增殖分化能力的細(xì)胞,能產(chǎn)生表現(xiàn)型與基因型和自己*相同的子細(xì)胞,同時(shí)還能分化為祖細(xì)胞,即尚未發(fā)育成熟的細(xì)胞,它具有再生為各種組織、器官的潛能,醫(yī)學(xué)界稱為“萬(wàn)用細(xì)胞”。在傳統(tǒng)上,按分化潛能的大小,干細(xì)胞可分為3種類(lèi)型:性干細(xì)胞（totipotentstemcell）,它具有分化為完整個(gè)體的潛能;多能性干細(xì)胞（monopotentialstemcell）,這種干細(xì)胞只具有分化出多種組織細(xì)胞的潛能;單能干細(xì)胞（unipotentstemcell）,也稱定向或?qū)Ｄ芨杉?xì)胞,這類(lèi)干細(xì)胞只具有分化形成某一種類(lèi)型細(xì)胞的能力。但近年來(lái)[1],干細(xì)胞“可塑性”（plasticity）的發(fā)現(xiàn),打破了上述傳統(tǒng)的分類(lèi)方法。“可塑性”是指來(lái)自于一種組織的成體干細(xì)胞產(chǎn)生另一種其他組織細(xì)胞的能力,即發(fā)現(xiàn)單能干細(xì)胞也具有多能性。根據(jù)干細(xì)胞組織發(fā)生的名稱也可進(jìn)行分類(lèi),如胚胎干細(xì)胞（ESC）、造血干細(xì)胞（HSC）、神經(jīng)干細(xì)胞（NSC）、骨髓間質(zhì)干細(xì)胞（MSC）、視網(wǎng)膜干細(xì)胞（RSC）、肌肉干細(xì)胞、肝臟干細(xì)胞、胰腺干細(xì)胞等。
2　干細(xì)胞的特性及鑒別
既具有自我更新能力（self-renewal）,又具有多向分化的潛能（multilineagedifferentiation）是干細(xì)胞zui顯著的生物學(xué)特性;干細(xì)胞可連續(xù)分裂幾代,也可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài);干細(xì)胞本身不是終末分化細(xì)胞,而是未分化的原始細(xì)胞;干細(xì)胞分裂產(chǎn)生的子細(xì)胞或保持親代特征,仍作為干細(xì)胞,或不可逆地向終末分化[2];“可塑性”是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的又一重要特性,這一特性的發(fā)現(xiàn)不僅打破了組織再生來(lái)源于該組織干細(xì)胞的傳統(tǒng)觀念,而且具有重要的實(shí)用價(jià)值。
利用干細(xì)胞的慢周期性和自我更新能力兩個(gè)特征,來(lái)鑒定在體與離體干細(xì)胞,是過(guò)去普遍采用的鑒別干細(xì)胞的zui基本實(shí)驗(yàn)手段,但這兩種方法應(yīng)用時(shí)具有一定的局限性。后來(lái)研究人員依靠干細(xì)胞的表面標(biāo)志,如利用熒光素的化學(xué)特性和受體的*結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法,來(lái)區(qū)別和鑒別各種干細(xì)胞。目前,研究人員多利用基因工程技術(shù)結(jié)合熒光素技術(shù)來(lái)鑒別干細(xì)胞,這種新技術(shù)重要性在于允許人們檢測(cè)分化或定向分化時(shí)的干細(xì)胞。利用這種方法,可以進(jìn)行早期的干細(xì)胞分離,在組織中識(shí)別出或在分化的過(guò)程追蹤干細(xì)胞。這些鑒別手段目前在許多實(shí)驗(yàn)室已被廣泛應(yīng)用,而且在未來(lái)的干細(xì)胞研究中將起重要作用,相信隨著對(duì)干細(xì)胞的研究日益深入,將會(huì)探索到更為準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的鑒定方法。
3　相關(guān)研究領(lǐng)域
近年來(lái),干細(xì)胞領(lǐng)域的研究進(jìn)展可謂是日新月異?，F(xiàn)就其中的胚胎干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞兩個(gè)研究熱點(diǎn)作簡(jiǎn)要的介紹。
3.1　胚胎干細(xì)胞
胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcell,ES）是一種從早期胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（innercellmass,ICM）或原始生殖細(xì)胞（primordialgermcell,PGC）經(jīng)體外分化、抑制培養(yǎng)、分離和克隆得到的具有發(fā)育性的,能在體外培養(yǎng)的一種高度未分化的細(xì)胞。自從建立了小鼠胚胎干細(xì)胞系以來(lái),科學(xué)家先后建立了魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)、哺乳動(dòng)物以及人類(lèi)的胚胎干細(xì)胞系或類(lèi)胚胎干細(xì)胞系,在培養(yǎng)細(xì)胞與個(gè)體發(fā)育之間、體細(xì)胞與生殖細(xì)胞之間架起了橋梁。（1）ES細(xì)胞體外誘導(dǎo)分化的研究。ES細(xì)胞體外分化研究主要是在90年代起開(kāi)始的。用于ES細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化的試劑主要有維生素A酸、二甲基亞砜、六亞甲基乙酰胺及神經(jīng)生長(zhǎng)因子等。細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)單層培養(yǎng)的ES細(xì)胞與聚集培養(yǎng)的ES細(xì)胞在同等誘導(dǎo)條件下,其分化方向各不相同。前者有90%～95%的細(xì)胞分化為神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,而后者的分化方向較復(fù)雜,其中以有節(jié)律性收縮的心肌樣細(xì)胞zui為突出。這提示了細(xì)胞之間的相互作用在ES細(xì)胞分化途徑中占有舉足輕重的地位,同時(shí)也印證了在胚胎發(fā)育中,不同胚胎區(qū)域或組織之間的相互作用是新組織類(lèi)型形成的關(guān)鍵因素。后來(lái)的研究主要集中在ES細(xì)胞的定向誘導(dǎo)分化、試圖闡明誘導(dǎo)分化的信號(hào)傳導(dǎo)通路以及決定細(xì)胞進(jìn)入分化程序的作用機(jī)制,尋找其關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子等方面。有研究表明維生素A酸經(jīng)過(guò)2～3周的誘導(dǎo)可使體外培養(yǎng)的ES細(xì)胞向神經(jīng)無(wú)定向分化,并可形成有典型的神經(jīng)沖動(dòng)等電生理反應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞[4]。以色列魏茨曼科學(xué)研究所賴斯納教授領(lǐng)導(dǎo)的小組,2002年12月在《自然醫(yī)學(xué)》上報(bào)道,他們?cè)谘芯恐胁捎玫氖?ldquo;腎臟前體細(xì)胞”,這種胚胎干細(xì)胞能夠定向形成腎臟細(xì)胞。研究人員將人體“腎臟前體細(xì)胞”移植入小鼠體內(nèi)后發(fā)現(xiàn),該細(xì)胞不僅能發(fā)育成與小鼠本身腎臟大小差不多的類(lèi)似器官,而且微型人類(lèi)腎臟同時(shí)仍具有一定功能。

ES細(xì)胞在體外分化中同時(shí)產(chǎn)生不同類(lèi)型的分化細(xì)胞反映了多能干細(xì)胞的一種不受約制的自我無(wú)序發(fā)育。ES細(xì)胞的定向分化則意味著要控制它們的分化,導(dǎo)向產(chǎn)生一個(gè)單一類(lèi)型的分化細(xì)胞,這是一個(gè)探索性很強(qiáng)的課題。不過(guò)zui近幾年這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展很快。2001年,美國(guó)威斯康星大學(xué)的Thomson和Kaufman成功地將人類(lèi)胚胎干細(xì)胞分化成人類(lèi)骨髓中的造血細(xì)胞,并進(jìn)一步培養(yǎng)成紅細(xì)胞、白細(xì)胞、和血小板等血液細(xì)胞[5]。以色列的科學(xué)家利用人胚胎干細(xì)胞成功培養(yǎng)出了心肌細(xì)胞和能胰島素的細(xì)胞。
（2）ES細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞因子的研究。與ES細(xì)胞相關(guān)的細(xì)胞因子可分為分化抑制因子和生長(zhǎng)因子兩大類(lèi):分化抑制因子包括白血病抑制因子（LIF）、腺病毒E1A樣激動(dòng)劑A等;生長(zhǎng)因子則包括干細(xì)胞因子（stemcellfactor,SCF）、胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（IGF-1）、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（bFGF）、表皮生長(zhǎng)因子（epidermalgrowthfactor,EGF）、forskolin等。目前研究zui多的是LIF和SCF。
白血病抑制因子（leukemiainhibitoryfactor,LIF）是目前應(yīng)用zui廣泛的一種ES細(xì)胞分化抑制因子,根據(jù)LIF前體蛋白N端信號(hào)肽起始若干個(gè)信號(hào)殘基的不同,可將其分為分泌型（D型）和基質(zhì)型（M型）兩種:D型可分泌到細(xì)胞外液中,是可溶的;M型則錨定在細(xì)胞外基質(zhì)上[6]。LIFzui顯著的生物學(xué)功能是體外抑制ES細(xì)胞分化,維持ES細(xì)胞的增殖和多能性。YanberWuu[7]認(rèn)為,LIF也可*抑制腫瘤壞死因子α（TNFα）對(duì)ES細(xì)胞誘導(dǎo)分化的作用。
SCF是由骨髓微環(huán)境中的基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的一種酸性糖蛋白,它有兩種存在形式:可溶性SCF和膜結(jié)合型SCF。與可溶性SCF相比,膜結(jié)合型SCF能夠更長(zhǎng)久地支持造血,對(duì)原始胚胎細(xì)胞存活的刺激作用也較強(qiáng)?？扇苄許CF激活c-kit受體短暫,誘導(dǎo)細(xì)胞表面c-kit受體下調(diào)更迅速。SCF既有化學(xué)激動(dòng)性,也有化學(xué)趨化性。膜結(jié)合型SCF促進(jìn)造血祖細(xì)胞回到骨髓。靜脈輸注kit+造血祖細(xì)胞后其沿著SCF的梯度移動(dòng)到骨髓。這是由kit黏附到骨髓基質(zhì)細(xì)胞表面的SCF引起[8]。Yonemura等[9]認(rèn)為SCF單獨(dú)在體外不能維持干細(xì)胞數(shù)量,體內(nèi)作用是SCF和其他細(xì)胞因子相互作用的結(jié)果。
3.2　神經(jīng)干細(xì)胞
神經(jīng)干細(xì)胞（neuralstemcell,NSC）是指神經(jīng)系統(tǒng)中處于較早發(fā)育階段的細(xì)胞群體,它們可以通過(guò)自身的對(duì)稱性或不對(duì)稱性[10]兩種分裂方式進(jìn)行自我復(fù)制,產(chǎn)生神經(jīng)組織中不同發(fā)育階段和不同分化方向的細(xì)胞,zui終具有一定細(xì)胞數(shù)目和多種細(xì)胞類(lèi)型的神經(jīng)組織[11]。NSCzui突出的生物學(xué)特性是自身復(fù)制和多方向分化潛能。新近研究證明,利用NSC可實(shí)現(xiàn)跨胚層分化,如分化為骨骼肌細(xì)胞和造血樣細(xì)胞等。例如,神經(jīng)生物學(xué)家Bjornson等用NSC在接受致死量照射毀髓處理的小鼠中實(shí)現(xiàn)造血重建,這使人們對(duì)NSC的多潛能性有了更深層的認(rèn)識(shí),也使人們對(duì)NSC的分化研究寄予更高的期望。
影響NSC分化的因素主要有成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（fibroblastgrowthfactor,FGF）和EFG。它們一方面可以保持NSC的未分化狀態(tài),另一方面在一定程度上影響NSC的分化。
FGF家族包含至少15個(gè)成員,其中FGF2起著更重要的作用。FGF2可與其他因子共同調(diào)節(jié)神經(jīng)干細(xì)胞增殖。FGF2減少時(shí),神經(jīng)干細(xì)胞即可分化成神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞,說(shuō)明了FGF2在誘導(dǎo)增殖時(shí)抑制神經(jīng)干細(xì)胞的分化。FGF2對(duì)神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖作用可被其他因子阻滯,說(shuō)明神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖和分化由一系列因子調(diào)控。體外培養(yǎng)還發(fā)現(xiàn)FGF2不只是起到有絲分裂源的作用,也可促進(jìn)細(xì)胞分化并決定分化方向。細(xì)胞增殖或分化呈FGF2濃度依賴性。zui近發(fā)現(xiàn)肝素增強(qiáng)FGF2對(duì)E14天中腦前體細(xì)胞的增殖作用,而其他蛋白多糖無(wú)此作用。
EGF在發(fā)育腦和成年腦內(nèi)均有表達(dá),神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞均可表達(dá)EGF。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)EGF可調(diào)節(jié)神經(jīng)前體細(xì)胞分裂增殖。加入EGF可使神經(jīng)前體細(xì)胞明顯增加,胚胎鼠的視網(wǎng)膜前體細(xì)胞在EGF作用下可分化成神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞。EGF對(duì)鼠嗅球內(nèi)的神經(jīng)前體細(xì)胞也有促增殖作用,EGF能刺激從鼠紋狀體和腦室下區(qū)分離的干細(xì)胞增殖。更多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)FGF2對(duì)能分化成神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和膠質(zhì)前體細(xì)胞多潛能的神經(jīng)干細(xì)胞有促增殖作用,而EGF僅刺激膠質(zhì)前體細(xì)胞的增殖。
近年來(lái)的研究表明,細(xì)胞內(nèi)cAMP依賴性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路被證實(shí)與神經(jīng)前體細(xì)胞向星形膠質(zhì)細(xì)胞方向的分化有關(guān)[12]。睫狀神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子/白血病抑制因子（Ciliaryneurotrophicfactor/leukemiainhibitoryfactor,CNTF/LIF）可通過(guò)Jak-Stat信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)誘導(dǎo)CNS細(xì)胞向星形膠質(zhì)細(xì)胞分化[13]。以高細(xì)胞濃度培養(yǎng)來(lái)自成年小鼠室管膜下區(qū)（Subependyma）組織時(shí),分化成神經(jīng)元的比例下降,提示細(xì)胞—細(xì)胞相互作用或組織中的旁分泌機(jī)制也可能影響NSC的分化[14]。
神經(jīng)干細(xì)胞移植已在多種動(dòng)物模型上進(jìn)行了研究[15]。利用神經(jīng)干細(xì)胞移植可以治療神經(jīng)損傷及神經(jīng)退行性疾病,如帕金森氏癥。但該療法的一個(gè)主要障礙在于,大部分神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化成神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,只有少量神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化成了神經(jīng)細(xì)胞。

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