人成年干细胞研究的现状和应用前景

人成年干细胞研究的现状和应用前景
 
  Lab frontier: The state of stem cell research
 
 
  高志刚 博士     
        
  美国约翰斯-霍普金斯大学细胞移植工程实验室     
     
   
 

人体干细胞(stem  cell)是指存在于胚胎一直到成年的人体内一些具有特殊潜能的细胞。这些细胞可分化成熟为有特定功能的体细胞如肌肉细胞等。随着个体的发育和成熟，这些细胞在人体内会逐渐稀少。所有的干细胞都具备两个显著的特性，一是能自我更新复制，但不分化，这样可以终生保持所谓“干细胞”的潜能；二是这些细胞在适宜的环境和诱导下，可以分化并产生出人体某个系统，甚至多个系统的各种细胞，并且在体内发育为有功能的器官和组织。正是后者，使得干细胞在医疗上具有广泛的应用价值。



骨髓干细胞可分化成成熟肌肉细胞，重塑受损肌肉功能人体干细胞的研究甚至在几年以前还是一个相对沉寂的边缘领域，但在1997-1999年之间，干细胞研究产生了几项重大突破。首先是意大利F.  Mavilio领导的小组发现骨髓干细胞具有重塑受损肌肉的功能。之后，意大利国立神经研究所的小组很快又发现成年小鼠的神经细胞干细胞可以被诱导分化为血液干细胞(详见“科学”杂志1998年第5356期和1999年第5401期)。以上发现  开辟了成年干细胞横向分化(Stem  cell  plasticity)研究的新领域。



干细胞在体外培养传代成功



另一方面有关人体干细胞的重大发现来自于美国约翰斯-霍普金斯大学妇产科John  Gearhart教授(详见“美国科学院院刊”1998年第95卷23期)和威斯康星大学James  Thomson领导的小组(详见“科学”杂志1998年第5391期)。他们分别成功地建立了长期在体外培养，保持和复制人胚胎干细胞(Embryonic  stem  

cell)  的方法。



这两方面的发现分别引发了在成年干细胞和胚胎干细胞研究领域的一系列新进展，从而使人体干细胞的研究成为现在生物技术领域里的一大热点。本文将重点讲述目前在人体成年干细胞(Postnatal  stem  cell  或adult  stem  cell)  研究领域所取得的成果，以及干细胞结合在基因治疗上的应用。其中最值得一提的是对干细胞横向分化的进一步认识，为临床应用开拓了一个前所未有的领域。



干细胞的横向分化---“各种干细胞被迫干了本不该干的事”



在短短的不到三年时间里，干细胞的横向分化研究出现了非常令人兴奋的结果。人们现在突然发现人体各个系统内的干细胞原来都是可以通过诱导而相互转化的(见上图)。上届(2000年)美国血液学会主席Edward  Benz博士在学会年会上幽默地将此总结为:“各种干细胞被迫干了本不该干的事”。



就是这些成年干细胞所具备的，以前跟本就意想不到的功能，使得用干细胞来治疗，甚至治愈人体各个系统的顽症成为可能。这方面最引人注目的成果，是美国国立卫生研究院Donald  Orlic博士等最近将骨髓干细胞诱导为心肌细胞并移植成功(详见“自然”杂志2001年4月第410期)。



众所周知，心肌细胞属于终极分化细胞，损伤或坏死后不易再生。将骨髓干细胞诱导为暂新的具有功能的心肌细胞，为治疗心血管系统疾病这一人类“第一杀手”提供了非常有效的手段。人体其它系统干细胞之间的横向转化，同样对治疗各种疾病具有非同凡响的意义。在这方面研究处于领先地位的，包括耶鲁大学的Diane  Krause博士和纽约大学的Neil  Theise教授：骨髓干细胞转变为肝细胞，从而治疗肝炎和肝功能衰竭；美国国立卫生研究院的Eva  Mezey，明尼苏达大学的Catherine  Verfaillie教授和哈佛大学的Evan  Snyder博士：骨髓干细胞转变为脑及骨髓神经细胞，治疗老年痴呆，神经损伤及退行性变等；哈佛大学的Richard  Mulligan  教授和德克萨斯州Baylor大学的Margaret  Goodell：肌肉，骨骼干细胞与血液干细胞之间的转化；还有Osiris公司的间质干细胞(Mesenchymal  stem  cell)多向性研究。



干细胞是基因治疗最理想的靶向细胞



干细胞的研究与应用与另一重要的医学领域---基因治疗密不可分。干细胞是基因治疗最理想的靶向细胞，一但干细胞被导入异源基因，这种基因就会随着干细胞的自我复制和分化而终生表达。用这种方法不但能治疗多种遗传缺陷病，还可以通过导入一种或数种治疗基因来对癌症及艾兹病等进行直接或辅助治疗。但以往用干细胞进行基因治疗的效果并不理想。主要原因是各个系统的干细胞都处在一种很静止的状态，非常不易被转染。传统使用的转染载体(Vector)均不能有效地进入干细胞，这样就很难获得异源基因的长期表达。



最近几年发展起来的逆转录病毒载体，尤其是以艾兹病病毒等潜病毒为基础而改装的载体，有效地解决了这一难题。这些病毒以往全是造成人类肿瘤和艾滋病发生的罪魁祸首，如今真正是做到了变害为利。不过在人体上应用这些载体也很容易让人产生担忧，这些病毒会不会在人体内重新复制，而发挥它们有害的一面作用呢？这正是生物学家们正在努力的，目的是确保万无一失。事实上，迄今还没有发现正在临床使用的潜病毒载体能够自身复制的证据。最新一代的艾滋病病毒载体与原生型的病毒相比已“面目全非”，从理论上讲这些载体变回到病毒重新复制的可能性已非常微小，甚至不可能。



草堆里的缝线针，干细胞的分离纯化



干细胞研究领域的迅猛发展其实也主要得益于其它几项生物技术领域的发展和日趋成熟。单克隆抗体技术在这方面始终扮演着一个重要角色。人体各个系统的干细胞都具有不同的表面特性。用一种乃至十几种单克隆抗体，有时再需要配合其它生物特性，就可以从成千上万个细胞中识别出一种特殊的干细胞，并且将它们纯化出来进一步使用。这种纯化技术，又依赖于一种称为磁性辅助分离细胞的技术。另外，具有更多功能的新型流逝细胞仪的出现，使细胞分离变得更加精确和简便。生物芯片技术的发展，使人们能更准确而迅速地找到各类干细胞的生物特性。值得一提的还有一种非常有价值的动物模型：免疫缺陷小鼠。  这种小鼠缺乏免疫排斥能力，人的干细胞可在其体内增殖并分化为成熟细胞。这种动物模型对研究干细胞的功能和发育，对研究基因治疗载体在体内的应用可谓功不可没。



更具潜力的胚胎干细胞



与成年干细胞研究并架齐驱的，是人胚胎干细胞的研究。胚胎干细胞较成年干细胞相比，更具有潜能。从理论上讲这些细胞可以分化成所有种类型的人体细胞、组织和器管。所以胚胎干细胞又叫“全能”干细胞，可以用它们去替代任何有病的器官。到目前为止，用胚胎干细胞治疗某些疾病的初步实验已取得了令人鼓励的结果。



但实际上真正地控制和调节人体胚胎干细胞向成熟器官的发育是非常复杂和困难的壮举，现在人们所能掌握的技术还远远没有达到这个水平。况且使用人的胚胎干细胞进行临床治疗还存在复杂的伦理和法律问题。基于上述原因，最近美国政府虽在积极鼓励对人成年干细胞的研究的同时，却停止了政府对任何有关人胚胎干细胞研究的资助。



但胚胎干细胞应用的前景确实诱人。美国私立的约翰斯-霍普金斯大学最近收到近六千万美元的私人赞助，成立了细胞工程研究所。包括人体胚胎干细胞在内的研究将是这个新研究所的主要课题。个人和社会的赞助使人体胚胎干细胞研究不受制于政府政策的改变。最近以著名的James  Watson  博士(DNA双螺旋结构发明人)为首，发起了美国有史以来最多的一次诺贝尔奖金获得者(80人)签名运动，旨在劝阻布什政府不要遏止政府资助的人胚胎干细胞研究项目。不管结果如何，都将更加引起人们对干细胞研究的关注。