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    第四章 干细胞基础研究的新进展

    军事医学科学院基础医学研究所

    唐佩弦

    第一节 干细胞基础研究的新发展和有关干细胞的概念更新

    在当前干细胞基础和干细胞工程研究中有一系列引人深思的困惑和疑问。以下就这些问题进行讨论：

    1.成体干细胞是什么？骨髓干细胞仅仅指造血干细胞吗？成体干细胞中也有具有全能可塑性的胚胎

    干细胞吗？

    成体干细胞是20、21世纪交替中生物学的伟大发现，它改变了干细胞传统的理念。20世纪末，一些

    普通的科学家们报道，在许多成体组织中，有一些细胞可以在体外被某些细胞因子诱导分化，变为和原组

    织不同的组织细胞。例如肌肉匀浆中诱导发生造血细胞，脂肪组织中诱导发生神经元细胞等。可惜由于作

    者们当时对成体干细胞尚毫无认识，错误地认为是组织细胞“横向分化”的结果，对这些重大的发现却下

    了错误的结论。然而，这些作者的划时代的贡献岂可抹杀，他们在事实上发现：在成体组织中仍然残存胚

    胎发育过程中的，包括各胚层定向的，组织定向的各类干细胞。原来在胚胎发育的每个阶段都有少部分干

    细胞中止参与胚胎发育，它们都转入 G0静止期，既不增殖，又不分化，却仍然保持原来的干细胞基本特

    性。胚胎不断发育成长，而那些不参与胚胎发育的处于静止状态的各类成体干细胞，却依然遗留在机体的

    各种组织中。出生后随年龄的增长，各种成体组织中仍保留各种类成体干细胞基本特征不变。在体外适当

    的细胞因子诱导刺激下，它们可以从G0静止期转入细胞周期而增殖，而且分化成为某种组织定向细胞。

    然而，组织定向干细胞的分化，只能沿着本组织的分化途径进行分化，进行有限的“多向分化”而已。

    例如造血干细胞的多向分化，仅限于髓系和淋巴系的造血细胞各支系的纵向分化。组织干细胞分化是有限

    的可塑性，它和胚层干细胞在本胚层内多向分化的可塑性不同，和原始的桑葚期胚胎干细胞(embryonic

    stem cell, ESC)可向各个胚层分化的可塑性更是完全不同了。总之，组织干细胞的分化只限于沿着本组织

    的各个支系纵向分化，其分化不可跨越本组织定向的限制，更不可能突破胚层源的界限。惟独 ESC 具有

    全方位的向各个胚层分化的全能的可塑性。在胚胎发育过程中，ESC的分化如何定向，又如何调控，都还

    是个谜。

    骨髓中蕴藏着许多类别的成体干细胞。20 世纪之前，人们只知道成体组织中(如骨髓)含有造血干

    细胞。造血干细胞是最早被发现的成体干细胞。在成体组织中除了造血干细胞外，还有没有其它组织的干

    细胞呢？由于缺乏体外诱导分化的技术和细胞因子， 过去不可能发现骨髓或其它成体组织中还含有来源于

    各个胚层的各类成体干细胞。所以长期以来，干细胞生物学的研究只限于造血干细胞，干细胞生物学属于

    实验血液学的范畴。20 世纪的文献中提到骨髓干细胞就不言而喻地指造血干细胞，似乎骨髓中只含有造

    血细胞和支持造血的基质细胞，现在看来，这显然是错误的。骨髓中成体干细胞不仅包括造血干细胞、间

    充质干细胞，而且还有其它各个胚层来源的干细胞及其分化的后代，即各类非造血组织的干细胞，如神经

    干细胞、 肝脏干细胞等。 它们统称为 “成体干细胞” (adult stem cells， ASC) 。 美国密尼苏达大学 Verfaillie

    CM等做了大量的实验，有力地证明了成体干细胞的存在，否定了“横向分化”的假设。他们给成体干细

    胞另命名为“多向分化濳能成体祖细胞”(multipotential adult progenitor cell, MAPC)。由于这个命名

    用词不完善，国际上多数学者仍用“成体干细胞”的命名。赵春华教授的实验室首次发现并证实在成体干

    细胞中存在一个具有全能分化潜力的亚群，也证实成体干细胞具有年龄等级的异质性，包含各类干细胞。

    正常的天然组织或器官都不是单一品种的细胞所构成的， 而是都包含了多种组织细胞和多种成体干细

    胞。肌肉匀浆中不仅仅是肌肉细胞，脂肪组织中也不仅仅是脂肪细胞，其中还有各种成体干细胞。缺乏这

    个新概念的学者们，在自己的实验结果中，没有考虑到体内成体干细胞的普遍存在，更没有抓住成体干细

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    胞的重大发现，却得出离奇的“横向分化”的推论。至今尚没有任何可能进行一种实验，用绝对纯化的正

    常的组织干细胞克隆来证明组织定向干细胞可以向非自身组织的方向进行分化。 在生物界或人类医学史上

    也从未出现过因“横向分化”所致的疾病或怪胎。所以， “横向分化”只不过是缺乏实践证明的虚幻空想。

    各种“横向分化”推论的实验都无法排除一个可能，即在体外诱导分化所得的某种组织细胞，是从培养体

    系中某些其它类别的成体干细胞经过正常的纵向分化而来的。“横向分化”的实验报告都存在一个根本性

    的缺憾，即当前缺乏一种可以有效地分离、鉴别或克隆化各种各样的正常胚层干细胞和正常非造血组织干

    细胞的技术。因为各种正常非造血干细胞在形态学、表型、密度和贴壁生长等方面的特征是相同的；而且

    它们有高度的多向分化潜能，即在细胞增殖的同时都要进行分化的潜能，使正常的组织干细胞克隆化成为

    不可能。只有分化受阻的恶变细胞才能克隆化而成为纯一的细胞系，细胞无限增殖而不分化。在没有纯化

    的组织干细胞系(例如神经干细胞、间充质干细胞、造血干细胞、血管内皮干细胞、肝脏干细胞等)的实

    验条件下，作者们都使用混杂许多类别成体干细胞的不纯的干细胞样品进行实验，就无法证实这些不同组

    织定向的干细胞是否会互相转化，做推论都缺乏科学根据。

    近年来，越来越多的科学家们凭借在周密设计的科学实验中发现的事实，和成体组织中存在成体干细

    胞的证据，向“横向分化”等提出质疑。Donald Orlic (2001)在 Nature发表论文，造血干细胞在输注后可

    以到心肌缺血损伤部位横向分化为心肌细胞，修复损伤。于是许多实验室和病房蜂拥而上。2004年 4月，Nature 第 428卷刊登了2个不同的实验室的 2篇论著，作者 Murry CE等和 Balsam LB等各自用充分的

    事实证明，输注的CD34

    +

    造血干细胞到达损伤的心肌部位却仍然分化为 CD45

    +

    造血细胞，而没有变为心肌

    细胞的任何证据。Nature 杂志编辑部在同一期写了专评，以客观的科学态度进行评论。科学就是在不断

    纠正错误认识的过程中发展的。

    2.间充质干细胞体外分离和扩增方法，究竟是富集，还是纯化？间充质干细胞在体外扩增生长时混杂

    其它干细胞是不可避免的吗？扩增培养多日所得的有许多表面标志的细胞还仍然是间充质干细胞吗？

    间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)是中胚层分化而成的一种非造血成体干细胞。它在体

    外贴壁生长，在适当条件下，可以大量扩增，分化为间充质细胞 (mesenchyma cell，MC)，即间充质祖细

    胞(mesenchymal progenitor cells, MPC)，并继续分化为脂肪、骨、软骨、血管内皮、成纤维细胞等等

    各种结缔组织细胞，是当前实验和临床血液学专家们共同的关注点。关于从许多成体组织(如骨髓、脂肪、肌肉、心、肝、脐带血、羊水及胎盘等)分离所得 MSC 的特性的研究越来越多，但对某些已发表的 MSC

    “横向分化”研究论文也产生了更多的质疑。

    世界上许多实验室各自建立分离MSC的方法，但这些方法之间没有进行认真比较，也没有标准化。

    MSC的分离方法包括花几周时间的传代多次的细胞培养。这就引起疑问：体外传代多次而扩增的 MSC是

    否和体内天生的MSC完全相同呢？体外MSC实验结果是否能表明体内MSC潜在的生物特性？尽管众多

    的表面标志用来检测MSC，但至今还没有一个公认的可用来鉴定人的真正 MSC的专一特异性表面标志 ......