林蘇梅 謝爾凡 譯 徐榮祥 馮皙 校

定義

DNA：構(gòu)成基因的脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid）的縮寫(xiě)。

Gene (基因)：位于染色體上一個(gè)特定位置的DNA片段，是一種遺傳功能單位。

基因指導(dǎo)著酶或其它蛋白質(zhì)的形成。

Somatic cell （體細(xì)胞）： 除卵子或精子之外的其它身體細(xì)胞

Somatic cell nuclear transfer （體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移）： 一個(gè)細(xì)胞核從體細(xì)胞轉(zhuǎn)移到去核后的卵子。

Stem cell （干細(xì)胞）： 一種經(jīng)培養(yǎng)可進(jìn)行不定期分化并產(chǎn)生專門(mén)細(xì)胞的細(xì)胞

Pluripotent （多能性的）； 能產(chǎn)生有機(jī)體的大部分組織的能力 Totipotent （全能性的）： 具有無(wú)限的能力。全能細(xì)胞能夠?qū)ｉT(mén)化胚外膜和組織，胚胎和所有胚胎后組織和器官。

該讀本向大家介紹干細(xì)胞的背景資料，包括解釋什么是干細(xì)胞；什么是多能性干細(xì)胞；多能性干細(xì)胞是如何衍化而來(lái)；為什么多能性干細(xì)胞對(duì)科學(xué)很重要；為什么它們對(duì)人類健康的進(jìn)展有著如此重大的希望以及什么是成年干細(xì)胞。

最近發(fā)表的關(guān)于第一個(gè)人類多能性干細(xì)胞系的分離和成功培養(yǎng)報(bào)告使人們大為興奮，并將生物醫(yī)學(xué)研究帶向一個(gè)新的尖端前沿。這些人類多能性干細(xì)胞系的發(fā)展值得人們開(kāi)展嚴(yán)密的科學(xué)考察，對(duì)新療法將帶來(lái)的希望的評(píng)價(jià)，以及預(yù)防策略和對(duì)倫理問(wèn)題的公開(kāi)討論。

為了理解這項(xiàng)發(fā)明的重要性以及相關(guān)的科學(xué)、醫(yī)學(xué)和倫理問(wèn)題，首先非常有必要闡明一些術(shù)語(yǔ)和定義。

什么是干細(xì)胞？

干細(xì)胞具有經(jīng)培養(yǎng)不定期地分化并產(chǎn)生專門(mén)細(xì)胞的能力。在正常的人體發(fā)育環(huán)境中，它們得到了最好的詮釋。人體發(fā)育起始于精子使卵子受精，產(chǎn)生一個(gè)具有形成完整有機(jī)體的能力的單細(xì)胞。這種受精卵是全能性的，即它的潛能是完全的。受精后的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，這個(gè)細(xì)胞分裂為一些完全相同的全能細(xì)胞（圖1）。這意味著如果把這些細(xì)胞的任何一個(gè)放入女性子宮內(nèi)，均有可能發(fā)育成胎兒。實(shí)際上，當(dāng)兩個(gè)全能細(xì)胞分離，發(fā)展為兩個(gè)單獨(dú)的、遺傳上相同的人時(shí)，即出現(xiàn)了相同的雙胞胎。大約在受精后四天，經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)的細(xì)胞分裂之后，這些全能細(xì)胞開(kāi)始特異化，形成一個(gè)中空環(huán)形的細(xì)胞群結(jié)構(gòu)，稱之為胚囊，胚囊由外層細(xì)胞和位于中空球形內(nèi)的細(xì)胞簇(稱為內(nèi)細(xì)胞群)所構(gòu)成。 圖一

外層細(xì)胞繼續(xù)發(fā)展，形成胎盤(pán)以及胎兒在子宮內(nèi)發(fā)育所需的其它支持組織。內(nèi)細(xì)胞群細(xì)胞亦繼續(xù)發(fā)展，形成人體真正所有的組織。雖然內(nèi)細(xì)胞群細(xì)胞可以實(shí)質(zhì)上形成人體內(nèi)所能發(fā)現(xiàn)的每一種類型的細(xì)胞，但它們不能形成一個(gè)生物體，因?yàn)樗鼈儾荒苌�長(zhǎng)胎盤(pán)以及在人體子宮內(nèi)發(fā)育所需的支持組織。這些內(nèi)細(xì)胞群細(xì)胞是多能性的----它們能產(chǎn)生許多種類型的細(xì)胞，但并非胎兒發(fā)育所需的全部類型的細(xì)胞。因?yàn)樗鼈兊臐摿Σ皇峭耆�的，它們不是全能性的，它們不是胚胎。�?shí)際上，如果一個(gè)內(nèi)細(xì)胞群細(xì)胞被放入女性子宮，它不會(huì)發(fā)育成胎兒。

多能性干細(xì)胞經(jīng)歷進(jìn)一步的特異分化，發(fā)展為參與生成具有特殊功能細(xì)胞的干細(xì)胞。如血液干細(xì)胞，它能產(chǎn)生紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板。又如皮膚干細(xì)胞，它能產(chǎn)生各種類型的皮膚細(xì)胞。這些更專門(mén)化的干細(xì)胞被稱為多能力的（圖二）。

干細(xì)胞對(duì)早期人體的發(fā)育特別重要，在兒童和成年人中也發(fā)現(xiàn)了多能力干細(xì)胞。舉我們所最熟知的干細(xì)胞之一——血干細(xì)胞為例，血干細(xì)胞存在于每個(gè)兒童和成年人的骨髓之中，實(shí)際上，可以在循環(huán)血液中發(fā)現(xiàn)它們，其數(shù)量非常少。在我們的整個(gè)生命過(guò)程中，血干細(xì)胞在不斷地向人體補(bǔ)充血細(xì)胞——紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板的過(guò)程中起著很關(guān)鍵的作用。如果沒(méi)有血干細(xì)胞，我們就無(wú)法存活。

多能性干細(xì)胞的是如何衍化的？

目前，人類多能性干細(xì)胞系的建立有兩個(gè)來(lái)源，其方法與以往在動(dòng)物模型中建立的方法相同。

（1） 在Dr. Thomson進(jìn)行的工作中，多能性干細(xì)胞從胚囊（泡）階段人類胚胎的內(nèi)細(xì)胞群中直接分離出來(lái)。Dr. Thomson從IVF（體外受精）診所得到胚胎，這些胚胎數(shù)量已超過(guò)了不育癥治療的臨床需要。這些胚胎是用于繁殖，而不是研究目的的。從捐獻(xiàn)者夫婦處獲得知情同意書(shū)后，Dr. Thomson分離了內(nèi)細(xì)胞群（圖三），將這些細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，產(chǎn)生一個(gè)多能性干細(xì)胞系。

（2） 與此相反，Dr. Gearheart從終止妊娠的胎兒組織中分離出多能性干細(xì)胞。捐獻(xiàn)者自行決定了終止妊娠，從他們那兒獲得了知情同意書(shū)后，Dr. Gearheart從原本要發(fā)育成睪丸或卵巢的胎兒部位取得細(xì)胞。雖然Dr. Thomson 實(shí)驗(yàn)室和Dr. Gearheart實(shí)驗(yàn)室使用的細(xì)胞系來(lái)源不同，但發(fā)育成的細(xì)胞看起來(lái)相類似（圖三）。

體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移（SCNT）的使用可能是分離出多能性干細(xì)胞的另一種途徑。在SCNT的動(dòng)物研究中，研究者將一個(gè)正常的動(dòng)物卵細(xì)胞去除細(xì)胞核（含染色體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)）。存留在卵細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)含營(yíng)養(yǎng)成分和對(duì)胚胎發(fā)育非常重要的能量產(chǎn)生物質(zhì)。而后，利用精心創(chuàng)造的實(shí)驗(yàn)室條件，將一個(gè)體細(xì)胞——除卵細(xì)胞或精子細(xì)胞之外的任一種細(xì)胞——與除去了核的卵子放在一起，這兩者相融合。融合之后的細(xì)胞以及其直接的后代被認(rèn)為具有完全的能力發(fā)育成一個(gè)完整的動(dòng)物，因此是全能性的。正如圖I所示，這些全能性細(xì)胞不久將形成胚囊，這個(gè)胚囊的內(nèi)細(xì)胞群中的細(xì)胞，理論上可用來(lái)建立多能性干細(xì)胞系。當(dāng)然，形成人類胚囊細(xì)胞的方法有可能成為人體多能性干細(xì)胞的來(lái)源（圖四）。

多能性干細(xì)胞的潛在應(yīng)用

有諸多理由表明為什么說(shuō)多能性干細(xì)胞對(duì)科學(xué)和人類健康的進(jìn)展是很重要的（圖五）。站在最基本的水平上說(shuō)，多能性干細(xì)胞可以幫助我們理解在人類發(fā)育過(guò)程中的復(fù)雜事件。該項(xiàng)工作的首要目標(biāo)是，確定參與導(dǎo)致細(xì)胞專門(mén)化的決定進(jìn)程的細(xì)胞因素。我們知道啟動(dòng)和關(guān)閉基因是該進(jìn)程的中心，但我們對(duì)這些“作決定”的基因以及是什么使它們啟動(dòng)或關(guān)閉知之甚少。一些人類最嚴(yán)重的醫(yī)學(xué)難題，如癌癥和出生缺陷是由于異常的細(xì)胞專門(mén)化和細(xì)胞分化造成的。更好地了解正常細(xì)胞的進(jìn)程，將使我們進(jìn)一步描繪出導(dǎo)致這些致死疾病的基本錯(cuò)誤。 人體多能性干細(xì)胞研究也能大大地改變我們研制藥品和進(jìn)行安全性實(shí)驗(yàn)的方法。例如，新的治療藥物/方法可以首先用人類細(xì)胞系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，目前細(xì)胞系就是按這種方法使用的（如癌細(xì)胞）。多能性干細(xì)胞將允許在更多類型的細(xì)胞上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這不會(huì)取代在整個(gè)動(dòng)物和人體身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這會(huì)使藥品研制的進(jìn)程成流線型。只有當(dāng)細(xì)胞系實(shí)驗(yàn)表明藥品是安全的，并具有益的效果時(shí)，才可以有資格在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行動(dòng)物和人體身上的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

也許人體多能性干細(xì)胞最深遠(yuǎn)的潛在用途是產(chǎn)生細(xì)胞和組織，它們可用于所謂的“細(xì)胞療法”。許多疾病和失調(diào)是由于細(xì)胞功能障礙或身體組織遭破壞引起的。當(dāng)前，捐贈(zèng)的器官和組織常被用作取代生病的或遭破壞的組織。遺憾的是，受這些疾病折磨的病人數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了可供移植的器官數(shù)量。多能性干細(xì)胞經(jīng)刺激后可發(fā)展為專門(mén)化的細(xì)胞，提供了一種替代細(xì)胞和組織的可更新資源的可能性，用來(lái)治療無(wú)數(shù)的疾病、身體不適狀況和殘疾，包括帕金森氏病、Alzheimer’s�。òV呆癥）、脊髓損傷、中風(fēng)、燒傷、心臟病、糖尿病、骨關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。幾乎沒(méi)有一個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是這項(xiàng)發(fā)明沒(méi)有涉及到的，舉其中的兩例說(shuō)明如下。

健康心肌細(xì)胞的移植可為慢性心臟病病人提供新的希望，這些病人的心臟已無(wú)法正常工作。這種希望在于，從人體多能性干細(xì)胞中發(fā)育出心肌細(xì)胞，并移植到逐漸衰退的心臟肌肉，以便增加衰退的心臟功能。在小鼠和其它動(dòng)物身上進(jìn)行的初期工作已表明，植入心臟的健康心肌細(xì)胞成功地重新繁殖心臟組織，并與宿主細(xì)胞一起活動(dòng)。這些實(shí)驗(yàn)表明這種移植是可行的。

在許多患有I型糖尿病的人身上，專門(mén)的胰腺細(xì)胞、即胰島細(xì)胞的胰島素制造被中斷。有證據(jù)表明，移植完整的胰腺或分離的胰島細(xì)胞可以減少注射胰島素的需要。從人體多能性干細(xì)胞中衍生而來(lái)的胰島細(xì)胞系可用于糖尿病研究以及最終用于移植。 當(dāng)這項(xiàng)研究顯示出非凡的希望的之時(shí)，要實(shí)現(xiàn)這些發(fā)明之前尚有許多事要做。還有許多技術(shù)挑戰(zhàn)等著我們?nèi)ソ鉀Q，只有當(dāng)這些問(wèn)題解決之后，才能將這些發(fā)明用于臨床實(shí)踐中。這些挑戰(zhàn)雖然很重大，卻也是難以超越的。

首先我們必須做些基礎(chǔ)研究，以理解導(dǎo)致人體中細(xì)胞專門(mén)化的分子活動(dòng)，以便我們可以指導(dǎo)這些多能性干細(xì)胞發(fā)育成移植所需的組織類型。

其次，在我們可以利用這些細(xì)胞進(jìn)行移植之前，我們還必須克服免疫排斥問(wèn)題。因?yàn)�，從胚胎或胎兒組織中衍生而來(lái)的人體多能性干細(xì)胞與移植接受者在遺傳上會(huì)有差異，將來(lái)的研究需要聚焦于改變?nèi)梭w多能性干細(xì)胞，將組織不兼容性降低到最小程度，或者是創(chuàng)建具有最通用組織類型的組織庫(kù)。 體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移（SCNT）的使用是克服某些病人的組織不兼容問(wèn)題的另一種方法。例如，有一病人患有進(jìn)行性心力衰竭，利用SCNT技術(shù)，將從該病人身上取得的體細(xì)胞核，與捐獻(xiàn)者的被去了核的卵細(xì)胞相融合。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)拇碳�，�?xì)胞可發(fā)育為胚囊：從內(nèi)細(xì)胞群中取得的細(xì)胞可建立一個(gè)多能性細(xì)胞的培養(yǎng)。由于絕大多數(shù)遺傳信息包含在細(xì)胞核中，這些細(xì)胞與心力衰竭病人在本質(zhì)上具相同的遺傳性。當(dāng)這些心肌細(xì)胞移植回病人身體時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)排斥現(xiàn)象，也沒(méi)有必要讓病人服用免疫抑制藥品，這些藥品很可能是有毒害作用的。

成年干細(xì)胞

正如之前提到的，在一些成年組織中可以發(fā)現(xiàn)多能力干細(xì)胞。實(shí)際上，在我們體內(nèi)有一些細(xì)胞會(huì)正常地消耗，需要干細(xì)胞來(lái)補(bǔ)充細(xì)胞供應(yīng)，例子之一便是之前提到的血干細(xì)胞。

多能力干細(xì)胞尚未在所有成年組織中發(fā)現(xiàn)，但在該研究領(lǐng)域的發(fā)明正日益增多。例如，不久前人們還認(rèn)為成年神經(jīng)系統(tǒng)中沒(méi)有干細(xì)胞出現(xiàn)，但近幾年，人們卻從大鼠和小鼠的神經(jīng)系統(tǒng)中分離出神經(jīng)干細(xì)胞。在這方面人體的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)卻更為有限，在人體中，已從胎兒組織中分離出神經(jīng)干細(xì)胞；另外，從手術(shù)治療癲癇切除的成年人腦組織中已分離出一種細(xì)胞，它可能是一種神經(jīng)干細(xì)胞。

成年干細(xì)胞與多能性干細(xì)胞具有同樣的潛能嗎？

時(shí)至最近，幾乎還沒(méi)有證明表明，在哺乳動(dòng)物中，多能力干細(xì)胞、如血干細(xì)胞可以改變進(jìn)程，產(chǎn)生皮膚細(xì)胞、肝細(xì)胞或除血干細(xì)胞之外的細(xì)胞或某一種具體類型的血細(xì)胞。但是，動(dòng)物研究使科學(xué)家們對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。

動(dòng)物的研究表明，被認(rèn)為參與專門(mén)細(xì)胞系發(fā)展的一些成年干細(xì)胞能夠發(fā)展成專門(mén)細(xì)胞的其它類型。最近的小鼠實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)神經(jīng)干細(xì)胞被放入骨髓時(shí)，它們顯示出可產(chǎn)生各種各樣類型的血細(xì)胞。此外，大鼠實(shí)驗(yàn)研究表明，在骨髓中發(fā)現(xiàn)的干細(xì)胞可生成肝細(xì)胞。 這些令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，即使干細(xì)胞開(kāi)始專門(mén)化后，干細(xì)胞在某些條件下，會(huì)比最初人們所想像地更為靈活。此時(shí)，成年干細(xì)胞靈活性表現(xiàn)僅見(jiàn)于動(dòng)物身上，且限于一些類型的組織。

為何不局限于從事成年干細(xì)胞研究？

人類成年干細(xì)胞研究表明，這些多能力細(xì)胞在細(xì)胞療法的研究和發(fā)展中具有極大的利用潛能。比如，使用成年干細(xì)胞移植有諸多優(yōu)勢(shì)。如果我們能從病人身上分離出成年干細(xì)胞，誘使它們分化并指導(dǎo)它們進(jìn)行專門(mén)化，而后將它們移植回病人體內(nèi)，這樣的細(xì)胞不可能發(fā)生排斥現(xiàn)象。使用成年干細(xì)胞進(jìn)行這樣的治療，當(dāng)然會(huì)降低、或甚至避免使用從人體胚胎或人體胎兒衍生的干細(xì)胞（這些來(lái)源往往會(huì)給人們帶來(lái)倫理上的麻煩）。

正當(dāng)成年干細(xì)胞顯示出真正的希望之時(shí)，仍有一些重要的限制，是我們可能用它們無(wú)法來(lái)完成的。首先，成年干細(xì)胞尚沒(méi)有從人體的所有組織中分離出來(lái)。雖然已經(jīng)有許多不同類型的多能力干細(xì)胞被確定，但在成年人體中尚未發(fā)現(xiàn)所有類型細(xì)胞和組織的干細(xì)胞。例如，我們還沒(méi)有在人體中定位成年心臟干細(xì)胞或成年胰島干細(xì)胞。其次，成年干細(xì)胞通常僅以微小的數(shù)量出現(xiàn)，很難分離和純化它們，它們的數(shù)量也會(huì)隨年齡增長(zhǎng)而降低。比如，從成年中分離出來(lái)的腦細(xì)胞可能是神經(jīng)干細(xì)胞，它是通過(guò)移除癲癇患者的腦的一部分才獲得的，這不是一個(gè)常見(jiàn)的例子。

如果想利用病人自身的干細(xì)胞進(jìn)行治療，那么所需的干細(xì)胞必須從病人自身中分離出來(lái)，然后經(jīng)過(guò)培養(yǎng)成長(zhǎng)，獲得足夠的數(shù)量后才可以用來(lái)治療。對(duì)于一些急性失調(diào)病癥，恐怕來(lái)不及生長(zhǎng)足夠的細(xì)胞用以進(jìn)行治療。在另一些因遺傳缺陷導(dǎo)致的疾病中，遺傳錯(cuò)誤很可能也會(huì)出現(xiàn)在病人的干細(xì)胞中，從這樣的病人身上獲得的干細(xì)胞不適合移植。有證據(jù)表明，從成人身上獲得的干細(xì)胞的增殖能力與年輕人身上獲得的干細(xì)胞的增殖能力不同。此外，由于受日常生活的影響，包括日光、毒素、以及在生命的一生中DNA復(fù)制過(guò)程中造成的可預(yù)見(jiàn)錯(cuò)誤的影響，成年干細(xì)胞可能含有更多的DNA異常。這些潛在的弱點(diǎn)將限制成年干細(xì)胞的使用。細(xì)胞專門(mén)化的早期研究在成年干細(xì)胞身上可能無(wú)法進(jìn)行，因?yàn)樗鼈儽榷嗄芰Ω杉?xì)胞沿著專門(mén)化道路走得更遠(yuǎn)。此外，一個(gè)成年干細(xì)胞系能形成幾個(gè)，可能是3 或4個(gè)組織類型，但目前，還沒(méi)有跡象表明成年干細(xì)胞具有比多能力干細(xì)胞更廣泛的潛在特點(diǎn)。為了決定許多人體專門(mén)化的細(xì)胞和組織的最好來(lái)源，為新療法甚至是治愈方法服務(wù)，進(jìn)行成年干細(xì)胞發(fā)展?jié)撃艿难芯�，并將其與多能力干細(xì)胞的潛能進(jìn)行對(duì)比研究將是非常重要的。

總結(jié)

針對(duì)最具破壞性疾病的新療法的發(fā)展，由于干細(xì)胞具有巨大的希望，因而同時(shí)從事所有系的研究是很重要的�？茖W(xué)和科學(xué)家需要尋找這些細(xì)胞的最好來(lái)源。一旦它們被確定，不論它們的來(lái)源，研究者們都將會(huì)利用它們?nèi)�從事新�?xì)胞療法的發(fā)展。能產(chǎn)生許多人體組織的干細(xì)胞系，無(wú)論是多能性的還是多能力的，它們的發(fā)展是一項(xiàng)重要的科學(xué)突破。如果說(shuō)這項(xiàng)研究將有可能對(duì)藥品應(yīng)用產(chǎn)生革命，提高生命質(zhì)量和壽命，這種說(shuō)法也不算太不切實(shí)際。

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