干细胞

一、干细胞的概念和分类

干细胞存在于人体或动物个体整个发育过程中的各种组织中，具有自我更新(self-renewal)和多向分化潜能(pluripotency)的基本生物学特性，是个体的生长发育、组织器官的结构和功能动态平衡的维持，以及其损伤后的再生修复等生命现象发生的重要基础。

人和动物的个体都来自于一个单细胞，即受精卵。受精卵经过卵裂、囊胚、原肠胚及器官发生等胚胎发育阶段，以及胚后发育过程，最终发育成为一个成熟的个体，直至衰老死亡。

受精卵细胞的分裂即卵裂，在其分裂3次（即8细胞期）之前，所产生的每一个细胞（包括受精卵）都具有全能性，也就是说，如果将处于这种状态的任何一个细胞植入子宫后，它们都具有发育为一个完整个体的可能性。这种具有发育全能性的早期胚胎细胞，谓之全能干细胞(totipotent stem cell)。

随着发育的进行，早期胚胎形成一个中空的球性结构，称为胚泡。在胚泡内的一侧出现一个小的细胞团，即内细胞团(inner cell mass,ICM)。内细胞团细胞具有分化为成熟个体中所有类型细胞的潜能，是一种多能干细胞(pluripotent stem cell)。然而，单就内细胞团细胞来说，则没有形成一个完整个体的能力，因为它们不能分化为胎盘和其他一些发育时所必需的胚外组织。若将内细胞团细胞在体外培养，这就是习惯上所说的胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES细胞)（图17-1）。 #组胚

随着胚胎的继续发育，内细胞团细胞（即多能性细胞）将快速增殖和进一步地分化，逐步地形成三个胚层，以及相应的组织器官。这时，存在于各种胚胎组织器官发育的或在成体器官和组织中存在的干细胞，通常只分化成相应组织器官组成的细胞。如造血干细胞具有分化成血液系统所有细胞类型的潜能，参与肝脏发育的肝干细胞具有分化为成熟肝细胞和胆管上皮细胞的潜能，参与神经系统发育的神经干细胞具有分化为神经元、神经胶质细胞的潜能。这类在组织器官发育过程和成体组织修复和再生中起着重要作用的干细胞被称为组织特异性干细胞(tissue-specific stem cell,简称组织干细胞)，或者成体干细胞(adult stem cell)，它是一种专能性干细胞(multipotent stem cell)。

组织干细胞参与组织器官的生长发育，并持续存在于其个体的整个生命过程。成体组织中的组织干细胞(也称成体干细胞,adult stem cell)存在于相应的干细胞巢(stem cell niche)内，其基本生物学功能是通过有序的增殖与分化，以实现其所在组织中细胞的新旧更替，并维持组织器官结构和功能的稳态(homeostasis)。一般认为，在哺乳动物的所有组织中都有组织干细胞的存在。

另外成体组织中还有一种干细胞被称为单能干细胞(unipotent stem cell)，但只能向一种密切相关的细胞类型分化，与分化细胞不同的是它具有自我更新能力，如上皮组织基底层干细胞，肌肉中的成肌细胞等。

从以上叙述可以看出，个体发育的各个阶段都有干细胞的存在。从全能性的受精卵到多能性的内细胞团再到专能性的成体干细胞直至成体内的单能干细胞，随着个体发育的进行，干细胞的分化潜能是一个逐渐变窄的过程。可以说，受精卵、内细胞团细胞的增殖和分化是机体发育的基础，成体干细胞的增殖和分化是成年动物组织和器官稳态的维持、损伤修复以及再生的基础。

二、干细胞的基本特征

已有的证据表明，所有干细胞在形态学上都具有原始细胞的一些基本特征，其主要表现为细胞的体积较小（相对于所在组织中的细胞而言）、核/质比例相对较大，以及细胞质中各种细胞器（如内质网、高尔基复合体及线粒体等）不够发达等。

胚胎干细胞和组织干细胞的生化特性具有明显差异，而不同组织的干细胞更是具有各自特有的生化特性，而且与其所处的分化等级有关，常被用作鉴定干细胞在组织中存在和评价其分化程度的标志：

胚胎干细胞表达OCT4(octamer-binding transcription factor4)、SOX2[(sex determining region Y)-box 2]、Nanog、STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3)、SSEA-1(stage-specific embryonic antigens 1)、碱性磷酸酶等分子；
神经干细胞表达中间纤维nestin、EGF(epidermal growth factor)受体和 FGF2(fibroblast growth factor 2)受体等分子。
细胞角蛋白是特异性存在于上皮细胞中的细胞骨架成分，也常被用作上皮组织干细胞的标志分子；
造血干细胞的端粒酶(telomerase)活性很高，但当它分化后，其端粒酶活性便随之降低。