细胞生物学/干细胞与医学

干细胞生物学 - 干细胞概述 - 胚胎干细胞 - 组织干细胞 - 干细胞与医学
随着对干细胞与个体生长发育相互关系的认识的不断加深, 科学家们开始意识到了许多重大疾病或特殊生物学现象的发生机制都可以从干细胞角度进行重新认识,这意味着临床上的许多疾病的防治研究可以从干细胞的角度进行,也意味着一些新的防治方法和手段的产生。现就以下几个方面为例,以显示干细胞生物学在医学科学中的地位和作用。

干细胞与器官和个体衰老编辑

细胞衰老是细胞的一个基本的生命现象。尽管从形态学和分子生物学方面已有很多的认识,但仍有很多细节尚不清楚, 特别是细胞衰老与组织、器官和个体衰老之间的关系仍知道甚少。近几中,干细胞概念的引入,形成了以组织特异性干细胞为基础,以个体生长发育为主线的四维研究思路,使得这一领域的研究进入了一个新的发展阶段。
几乎所有的组织器官中都有干细胞的存在,它们的基本功能是要维持其组织器官的结构和功能在其生命过程中的稳定性和平衡性,而且要避免过度生长(如肿瘤)或萎缩的发生。随着年龄的增加,组织干细胞发生了显著的变化,表现为干细胞数批的变化,静息和活化状态的改变以及增殖和分化能力的降低等,最终导致机体组织退化和功能啼碍,产生衰老相关的疾病,如贫血、帕金森、老年痴呆、肿瘤、肌肉萎缩及骨质疏松等。
目前,已有一系列研究证据表明组织干细胞衰老是器官和个体衰老及疾病发生的先决条件。例如: C. Kollman(2001)就曾分析过6978例骨髓造血干细胞移植病人,骨髓造血干细胞供体的年龄越大,其成功率就越低,并发症的发生率也越高。这一研究,就暗示了老年个体骨髓造血干细胞的增殖和分化能力的下降导致了移植后骨髓重建失败。而且,这一概念在小鼠的研究中也得到了证实,并由此形成了一个解释造血干细胞衰老与个体相关疾病发生的关系的模型。按此模型,在自然的状态下,造血干细胞的衰老表现为髓系细胞分化的潜能增加和淋巴性细胞的分化潜能的下降。前者会导致髓性白血病基因表达增加和骨髓疾病发生率上升,后者则与免疫能力下降有直接关系。这一机制与临床数据相符,即急性淋巴细胞白血病主要是青少年疾病,发病率随着年龄而下降,而急性骨髓性白血病的发病率随年龄而增加。随着年龄增加,人头发的密度逐渐降低,并且花白,这也归功于毛囊干细胞衰老后表现出静息期的延长和生长期的缩短以及黑色素干细胞分化为黑素细胞能力的降低。同样地,机体其他器官老年疾病产生和生理功能的下降都与干细胞的衰老有着密切的联系。
然而随着对组织千细胞衰老认识的不断加深,如何减缓干细胞衰老问题或衰老疾病的发生越来越受到关注。组织干细胞存在千机体微环境中,其从静息到活化、增殖和分化都受到微环圾内因子和一系列转录信号的调控,因此,组织干细胞的衰老不可避免受到这些内在因素和外在环境的影响。成体干细胞的衰老一直被认为不可逆转,但随着入们对干细胞衰老机制的认识和研究,发现可以通过认为干预干细胞本身的基因表达水平,信号通路、微环境因子或者清除衰老细胞等方式,有望使成体干细胞发生衰老逆转。近年来,年轻个体血液逆转干细胞衰老的研究成果为实现真正的“返老还童”带来了新的希望。研究显示,通过联体共生(parabiosis)的模型,使得年轻和老年小鼠血液、体液进行交互共享,年轻小鼠血液可以让老年小鼠骨骼肌千细胞回到更年轻状态,也可以逆转老年小鼠衰弱的心脏功能。而后科学家又发现年轻血液中存在着某些蛋白,如GDFll和TIMP2, 这些蛋白不仅可以改善小鼠骨骼肌干细胞、心肌细胞的功能,还可以改善老年小鼠大脑功能,提高学习和记忆功能。因此,随着对干细胞衰老与微环境稳态的进一步理解和研究,有望建立临床上衰老相关疾病治疗和防治的可行方法,改善老年人的健康状况。

干细胞与肿瘤的发生和复发编辑

肿瘤的发生和复发问题一直是困扰学术界和临床医生的难题,人们一直在试图从各种角度解释和找到根源以便能够彻底根治肿瘤。T. Lapidot在1994年最早提出急性髓样白血病干细胞的概念,他们的研究证明了在体外培养的白血病细胞中只有不到1%的细胞能够在小鼠模型中重建白血病,而且只有CD34+CD38-细胞具有在小鼠体内形成白血病的能力,该分子表型与造血干细胞的分子表型一致。2001年,通过类比干细胞与肿瘤细胞,T. Reya等提出了肿瘤干细胞应该具有组织干细胞相似的性质,比如数量少;具有自我更新和分化潜能;对组织的形成起决定性作用;表达独特的与富集和鉴定相关的标记,使用相同的信号传导通路等等。2004年,M. Al-Hajj等第一次证明了乳腺癌干细胞的存在,认为在乳腺癌组织中存在的CD44+CD24-细胞对乳腺癌的形成起着决定性的作用。2006年美国癌症研究协会专题讨论会将肿瘤干细胞定义为“肿瘤组织中具有无限自我更新能力、能够产生肿瘤细胞的异源性后代并进而形成肿瘤的细胞”,并将“在免疫缺陷型小鼠体内形成与原发肿瘤类型相同的肿瘤”作为鉴定肿瘤干细胞的金标准。这个定义的提出为肿瘤干细胞的研究打开了一道门。由于这个概念为临床药物研发提供了新的思路,所以引起了研究人员的广泛兴趣,随后脑瘤干细胞、慢性髓系白血病干细胞、结肠癌干细胞、胰腺癌干细胞、肺癌干细胞、前列腺癌千细胞、肝癌干细胞等相继被鉴定,但是同时也有很多相反的研究结果频频出现,甚至有研究表明肿瘤干细胞实际上是不存在的。2012年来自美国、荷兰和比利时的研究组分别在《自然》和《科学》杂志报道,首次利用谱系示踪的方法在肿瘤的自然栖息地(native habitat)中证明了癌干细胞的存在。
随着研究的深入,人们对肿瘤干细胞的认识也更加全面和完整。在肿瘤干细胞学说出现后,对肿瘤的发生问题就有了三种模型,一是随机模型,这是一直以来人们对肿瘤的认识,认为所有的肿瘤细胞都有相同的形成肿瘤的能力,但是哪个细胞能形成肿瘤是随机事件;二是等级模型,即只有肿瘤干细胞能够形成肿瘤,所以治疗肿瘤的关键是杀死肿瘤干细胞;第三种模型是演化模型,这个模型引入了肿瘤微环境的概念,结合了上述两种模型的观点,但是认为肿瘤微环境的改变创造了普通肿瘤细胞演化为肿瘤干细胞的条件,所以近年来人们在关注肿瘤干细胞的同时,特别关注肿瘤微环境的检测和控制,也有很多研究证实了微环境的改变能够引起肿瘤细胞“去分化” ,这也符合某些组织干细胞的性质。也有实验证实放疗和某些化疗药物能够“激活”静息的肿瘤干细胞从而促进了肿瘤的发生。因此在利用肿瘤干细胞理论研究肿瘤发生、复发、转移时要将肿瘤细胞和其存在的微环境看成一个完整的“肿瘤生态环境”,肿瘤干细胞、肿瘤细胞可以在这个生态系统中相互转化,它们与肿瘤微环境之间更是相互依存和相互作用的,并在这个微环境中“ 物竞天择,适者生存”,从这样的角度去考虑,才能辩证地找出对付肿瘤的有效方法。
至于肿瘤干细胞的来源,目前尚无定论。从理论上来讲,组织特异性干细胞、过渡细胞和成熟细胞都有可能是肿瘤干细胞的源头细胞,但组织中的干细胞发生突变的可能性为最大。因为在那些细胞更新旺盛的组织器官内,总是持续地需要有分化成熟的细胞的补充,而这些分化成熟细胞是从所存在的其相应组织器官中的组织特异性干细胞分化而来的,这些细胞更新旺盛的组织器官中的干细胞发生突变和积累突变的可能性会很高,出现增殖和分化特性失控的异常干细胞系(即肿瘤干细胞系或癌干细胞系)的可能性也就相应地增大。就现有的知识和活体内的实际情况的复杂性来看,肿瘤的发生是由其组织中的过渡细胞和成熟细胞的转化而来,或由其他因素所致的可能性还是不能排除的。

干细胞与组织再生编辑

当组织器官受到某些外来因素的损伤或破坏时,机体可以启动一种修复机制,以使其受损的组织器官的结构和功能得以恢复。在此过程中,在其损伤组织的局部可有大量的细胞增殖,并可伴随有细胞的分化和组织的形成,从而使得损伤部位在空间结构上得到修复,以及其功能的恢复。机体修复组织器官损伤的这种现象就叫做组织再生。在成年个体中,组织再生的细胞生物学基础可有多种情况。其损伤较轻且其邻近的正常组织还有一定的增殖能力时,邻近组织的正常细胞就可以分裂而产生新生的细胞,以修复其损伤。但如果其损伤的程度很重,而且涉及多种组织的损伤,此时就可能启动分化等级更低的细胞(如过渡细胞、前体细胞,甚至组织特异性干细胞)群体的增殖与分化。例如,若采用外科手术的方法,将肝的2/3切除,剩余肝的细胞可以快速分裂增殖,并在一周左右便可使其肝体积恢复到本来的大小。这一情况,说明了成熟的肝细胞也有强大的增殖能力,以使之能够适应各种有害因素所致肝急性损伤修复。在此基础上,也有研究发现这种再生修复是通过成熟肝细胞的直接分裂来实现的,而并未直接涉及干细胞。因为有证据表明,若用倒千里光碱(retrorsine , 为一种生物碱)处理小鼠一个月后(以抑制其成熟肝细胞分裂增殖),再采用手术的方法将其小鼠的2/3肝切除,随后便可在肝组织中Hering管的附近发现有胆管反应的发生,而且可以直接观察到卵圆细胞(oval cell, 为目前公认的一种肝干细胞)的出现。进而,还可观察到肝再生现象的发生。这一现象暗示,尽管这种再生修复现象可能是通过成熟肝细胞的直接分裂来实现的,但成熟肝细胞更替的来源则还是干细胞。目前已有许多证据表明,在一般的组织中,都有处于不同分化状态的细胞群体的存在。如果从分化程度的角度来看,它们之间有一个潜在的从低到高的等级关系。其中,组织特异性干细胞处于最为基础的位置,随后是过渡细胞,最后是成熟细胞。如果从时间顺序和空间结果的角度考虑,则可将它们比喻为一个“树枝”样的结构,位于基部的相当于组织特异性干细胞,处于树叶位置的则相当于成熟细胞。而且已经知道,从组织特异性干细胞到成熟细胞的发育过程中,其增殖能力和分化特性呈逐步降低趋势,到成熟细胞时,其增殖和分化的能力已经十分有限(成熟的肝细胞可以分裂2~3次),甚至已经完全丧失(人体内耳的毛细胞就不能增殖)。其他组织器官也可能会有类似的修复机制,即:根据损伤程度的高低,以启动其组织中不同分化等级的细胞的增殖与分化的程序,来实现其修复的需求。然而,不同的损伤程度和不同组织类型的修复结果是不一样的。如果损伤程度较轻,而且邻近的正常成熟细胞还有一定的分裂增殖能力,其修复后的组织在结构上和功能上可与原先的组织完全一样,这种修复在医学上称为“完全修复”。但如果损伤的程度很重,或者涉及多种组织的损伤,或者其邻近正常成熟细胞己没有增殖能力,其修复后的组织在结构上和功能上都有可能与原先的组织不同(如形成肉芽组织或瘢痕组织),这种修复在医学上称为“ 不完全修复"。由此可见,组织再生的能力和类型与其组织中干细胞的功能行为是直接相关的。

干细胞与细胞治疗编辑

许多疾病都是细胞功能缺陷或身体器官损伤造成的。作为细胞治疗的选择之一,可以将正常的于细胞或由其分化产生的功能细胞植入病变部位并代偿病变细胞丧失的功能。理论上,干细胞治疗最吸引人的地方在千它可以治疗一些常规治疗方法目前无法治愈的疾病,这些疾病几乎涉及各种器官系统,包括阿尔茨海默病、脑卒中、癫病、泰-萨克斯(Tay-Sachs)病、心脏病、股骨头坏死、关节炎、糖尿病、系统性红斑狼疮等。
目前可用于干细胞治疗的干细胞有两大类,一是多潜能干细胞,主要包括胚胎干细胞(ESCs)和诱导型胚胎干细胞(iPSCs), 二是组织干细胞。虽然在基础研究领域,针对这些干细胞的形态、生化特性、自我更新和分化潜能等诸多方面进行了深入而广泛的研究,利用动物疾病模型进行干细胞治疗效果评价也有很多成功的例子,但针对于临床应用的研究还是近几年的工作。
ES细胞和iPS细胞具有多向分化潜能,是进行干细胞治疗的理想细胞,但是其成瘤性又成为一个致命的缺点。而对那些难以获得功能性组织千细胞或者相应的组织干细胞难以在体外获得足够数量的疾病,ES细胞和iPS细胞就显示出应用上的优势。据美国国立卫生研究院(NIH)的临床试验数据库(clinical trial)的数据,现注册的利用人的ES细胞来源的视网膜色素上皮细胞治疗黄斑变性,利用ES细胞来源的胰腺内皮细胞治疗I型糖尿病,利用前体细胞治疗心脏衰竭,利用ES细胞来源的少突细胞治疗脊椎损伤,都进入了临床1期或2期研究,而利用iPS细胞诱导分化的实验研究目前还没有进入临床试验阶段。
组织干细胞的种类繁多,目前开展临床研究的涉猎范圃很广,就细胞而言包括间充质干细胞,内皮细胞和前体细胞,神经干细胞,角膜缘干细胞,胎盘来源干细胞等等;从治疗的疾病而言,单就神经干细胞,治疗疾病就包括肌萎缩侧索硬化症和慢性脊髓损伤、下肢缺血和休克、神经元蜡样脂褐质沉积症、颈髓损伤、黄斑退化、脊髓损伤、佩利措伊斯-梅茨巴赫病,等等。
造血干细胞移植己应用于临床,它是目前治疗血液系统恶性疾病、先天性遗传病,以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的最有效的方法之一。早在20世纪50年代,临床上已开始应用骨髓移植方法来治疗血液系统肿瘤。至80年代末,外周血干细胞移植发展成熟,在提高治疗有效率和缩短疗程方面优于常规疗法,且有令入满意的效果。近年来,随着跻血干细胞移植技术的不断改善,可以部分代替目前自体外周血干细胞移植,为血液病及恶性肿瘤患者带来福音。到2017年,在美国FDA网站上公布的已经批准上市的涉及干细胞的产品共有7个,其中5个是利用肪带血造血前体细胞进行造血和免疫系统重建的,可以进行异体移植。
近年来,非造血系统干细胞应用于临床治疗上最为成功的是角膜缘干细胞。2015年,欧盟委员会批准可有条件用于治疗角膜缘干细胞缺乏症。研究人员将患者未受伤眼的少量角膜缘干细胞取出、扩增并制成干细胞蒲膜,然后植入到经手术去除灼烧伤的角膜瘢痕组织的部位,结果薄膜能成长为新的角膜组织,取代旧有受损组织。该项实验在十年间共治疗106名患者,其中完全恢复视力者81人、部分恢复者14人。
间充质干细胞(MSC)的临床应用研究也正在大范围的展开。临床上应用的MSC, 一般是借助于细胞的贴壁性质进行分离和大量培养,这些间质细胞都表达成纤维细胞的标志物。因获取方法简单,安全性受到肯定。2011年以来,在美国NIH临床试验数据库中注册的MSC相关项目不断增加,但大部分都处于临床一期研究阶段,个别项目(跻带血MSC治疗再生障碍性贫血)进入临床四期研究。
目前干细胞治疗的临床试验出现了较多的失败案例,其根本原因是对干细胞的生物学行为规律认识不够。此外,干细胞治疗的伦理和法规问题,也应受到关注。