本內容由貴州省生物醫學與幹細胞治療工程研究中心審定公布
目錄
簡介
胚胎乾細胞(Embrtibuc stem cell)的發育等級較高，是全能幹細胞（Pluripotent stem cell），而成體幹細胞的發育等級較低，是多能幹細胞或單能幹細胞。幹細胞是一類具有自我更新和分化潛能的細胞。它包括胚胎幹細胞和成體幹細胞。幹細胞的發育受多種內在機制和微環境因素的影響。目前人類胚胎幹細胞已可成功地在體外培養。最新研究發現，成體幹細胞可以橫向分化為其他類型的細胞和組織，為幹細胞的廣泛套用提供了基礎。
在胚胎的發生髮育中，單個受精卵可以分裂發育為多細胞的組織或器官。在成年動物中，正常的生理代謝或病理損傷也會引起組織或器官的修復再生。胚胎的分化形成和成年組織的再生是幹細胞進一步分化的結果。胚胎幹細胞是全能的，具有分化為幾乎全部組織和器官的能力。而成年組織或器官內的幹細胞一般認為具有組織特異性，只能分化成特定的細胞或組織。
然而，這個觀點目前受到了挑戰。
最新的研究表明，組織特異性幹細胞同樣具有分化成其他細胞或組織的潛能，這為幹細胞的套用開創了更廣泛的空間。
幹細胞具有自我更新能力（Self-renewing），能夠產生高度分化的功能細胞。幹細胞按照生存階段分為胚胎幹細胞和成體幹細胞 。
胚胎幹細胞
胚胎幹細胞（Embryonic Stem cell， ES細胞）。
胚胎幹細胞當受精卵分裂發育成囊胚時，內層細胞團（Inner Cell Mass）的細胞即為胚胎幹細胞。胚胎幹細胞具有全能性，可以自我更新並具有分化為體內所有組織的能力。早在1970年Martin Evans已從小鼠中分離出胚胎幹細胞並在體外進行培養。而人的胚胎幹細胞的體外培養直到最近才獲得成功。
進一步說，胚胎幹細胞（ES細胞）是一種高度未分化細胞。它具有發育的全能性，能分化出成體動物的所有組織和器官，包括生殖細胞。研究和利用ES細胞是當前生物工程領域的核心問題之一。ES細胞的研究可追溯到上世紀五十年代，由於畸胎瘤幹細胞（EC細胞）的發現開始了ES細胞的生物學研究歷程。
目前許多研究工作都是以小鼠ES細胞為研究對象展開的，如：德美醫學小組在去年成功的向試驗鼠體內移植了由ES細胞培養出的神經膠質細胞。此後，密蘇里的研究人員通過鼠胚細胞移植技術，使癱瘓的貓恢復了部分肢體活動能力。隨著ES細胞的研究日益深入，生命科學家對人類ES細胞的了解邁入了一個新的階段。在98年末，兩個研究小組成功的培養出人類ES細胞，保持了ES細胞分化為各種體細胞的全能性。這樣就使科學家利用人類ES細胞治療各種疾病成為可能。然而，人類ES 細胞的研究工作引起了全世界範圍內的很大爭議，出於社會倫理學方面的原因，有些國家甚至明令禁止進行人類ES細胞研究。無論從基礎研究角度來講還是從臨床套用方面來看，人類ES細胞帶給人類的益處遠遠大於在倫理方面可能造成的負面影響，因此要求展開人類ES細胞研究的呼聲也一浪高似一浪。
成體幹細胞
成年動物的許多組織和器官，比如表皮和造血系統，具有修復和再生的能力。成體幹細胞在其中起著關鍵的作用。在特定條件下，成體幹細胞或者產生新的幹細胞，或者按一定的程式分化，形成新的功能細胞，從而使組織和器官保持生長和衰退的動態平衡。過去認為成體幹細胞主要包括上皮幹細胞和造血幹細胞。最近研究表明，以往認為不能再生的神經組織仍然包含神經幹細胞,說明成體幹細胞普遍存在，問題是如何尋找和分離各種組織特異性幹細胞。成體幹細胞經常位於特定的微環境中。微環境中的間質細胞能夠產生一系列生長因子或配體，與幹細胞相互作用，控制幹細胞的更新和分化。
造血幹細胞
造血幹細胞是體內各種血細胞的唯一來源，它主要存在於骨髓、外周血、臍帶血中。今年年初，協和醫大血液學研究所的龐文新又在肌肉組織中發現了具有造血潛能的幹細胞。造血幹細胞的移植是治療血液系統疾病、先天性遺傳疾病以及多發性和轉移性惡性腫瘤疾病的最有效方法。
在臨床治療中，造血幹細胞套用較早，在20世紀五十年代，臨床上就開始套用骨髓移植（BMT）方法來治療血液系統疾病。到八十年代末，外周血幹細胞移植（PBSCT）技術逐漸推廣開來，絕大多數為自體外周血幹細胞移植（APBSCT），在提高治療有效率和縮短療程方面優於常規治療，且效果令人滿意。與兩者相比，臍血幹細胞移植的長處在於無來源的限制，對HLA配型要求不高，不易受病毒或腫瘤的污染。
在今年初，東北地區首例臍血幹細胞移植成功，又為中國造血幹細胞移植技術注入新的活力。隨著臍血幹細胞移植技術的不斷完善，它可能會代替目前APBSCT的地位，為全世界更多的血液病及惡性腫瘤的患者帶來福音。
神經幹細胞
神經幹細胞關於神經乾細胞研究起步較晚，由於分離神經幹細胞所需的胎兒腦組織較難取材，加之胚胎細胞研究的爭議尚未平息，神經幹細胞的研究仍處於初級階段。理論上講，任何一種中樞神經系統疾病都可歸結為神經幹細胞功能的紊亂。腦和脊髓由於血腦屏障的存在使之在幹細胞移植到中樞神經系統後不會產生免疫排斥反應，如：給帕金森氏綜合症患者的腦內移植含有多巴胺生成細胞的神經幹細胞，可治癒部分患者症狀。除此之外，神經幹細胞的功能還可延伸到藥物檢測方面，對判斷藥物有效性、毒性有一定的作用。 實際上，到目前為止，人們對幹細胞的了解仍存在許多盲區。2000年年初美國研究人員無意中發現在胰腺中存有幹細胞；加拿大研究人員在人、鼠、牛的視網膜中發現了始終處於“休眠狀態的幹細胞” ；有些科學家證實骨髓幹細胞可發育成肝細胞，腦幹細胞可發育成血細胞。
隨著幹細胞研究領域向深度和廣度不斷擴展，人們對幹細胞的了解也將更加全面。21世紀是生命科學的時代，也是為人類的健康長壽創造世界奇蹟的時代，幹細胞的套用將有廣闊前景。
肌肉干細胞(muscle stem cell)
可發育分化為成肌細胞(myoblasts)，後者可互相融合成為多核的肌纖維，形成骨骼肌最基本的結構。
幹細胞種類劃分
幹細胞按能力可以分為以下四類：
全能幹細胞由卵和精細胞的融合產生受精卵。而受精卵在形成胚胎過程中四細胞期之前任一細胞皆是全能幹細胞。具有發展成獨立個體的能力。也就是說能發展成一個個體的細胞就稱為全能幹細胞。
萬能幹細胞是全能幹細胞的後裔，無法發育成一個個體，但具有可以發育成多種組織的能力的細胞。
多能幹細胞只能分化成特定組織或器官等特定族群的細胞（例如血細胞，包括紅血細胞、白血細胞和血小板）。
專一性幹細胞只能產生一種細胞類型；但是，具有自更新屬性，將其與非幹細胞區分開。
幹細胞研究的歷史情況
幹細胞的研究被認為開始於1960年代，在加拿大科學家恩尼斯特·莫科洛克和詹姆士·堤爾的研究之後。
1959年，美國首次報導了通過體外受精（IVF）動物。
60年代，幾個近親種系的小鼠睪丸畸胎瘤的研究表明其來源於胚胎生殖細胞（embryonic germ cells, EG細胞）,此工作確立了胚胎癌細胞（embryonic carcinoma cells, EC細胞）是一種幹細胞。
1968年，Edwards 和Bavister 在體外獲得了第一個人卵子。
70年代，EC細胞注入小鼠胚泡產生雜合小鼠。培養的SC細胞作為胚胎髮育的模型，雖然其染色體的數目屬於異常。
1978年，第一個試管嬰兒，Louise Brown 在英國誕生。
1981年，Evan, Kaufman 和Martin從小鼠胚泡內細胞群分離出小鼠ES細胞。他們建立了小鼠ES細胞體外培養條件。由這些細胞產生的細胞系有正常的二倍型，像原生殖細胞一樣產生三個胚層的衍生物。將ES細胞注入上鼠，能誘導形成畸胎瘤。
1984—1988年，Anderews 等人從人睪丸畸胎瘤細胞系Tera-2中產生出多能的、可鑑定的（克隆化的）細胞，稱之為胚胎癌細胞（embryonic carcinoma cells, EC細胞）。克隆的人EC細胞在視黃酸的作用下分化形成神經元樣細胞和其他類型的細胞。
1989年，Pera 等分離了一個人EC細胞系，此細胞系能產生出三個胚層的組織。這些細胞是非整倍體的（比正常細胞染色體多或少），他們在體外的分化潛能是有限的。
1994年，通過體外授精和病人捐獻的人胚泡處於2-原核期。胚泡內細胞群在培養中得以保存其周邊有滋養層細胞聚集 ，ES樣細胞位於中央。
1998年美國有兩個小組分別培養出了人的多能( pluripotent )幹細胞： James A. Thomson在 Wisconsin 大學領導的研究小組從人胚胎組織中培養出了幹細胞株。他們使用的方法是：人卵體外受精後，將胚胎培育到囊胚階段，提取 inner cell mass細胞，建立細胞株。經測試這些細胞株的細胞表面 marker 和酶活性，證實他們就是全能幹細胞。用這種方法，每個胚胎可取得15－20幹細胞用於培養。 John D. Gearhart在 Johns Hopkins大學領導的另一個研究小組也從人胚胎組織中建立了幹細胞株。他們的方法是：從受精後5－9周人工流產的胚胎中提取生殖母細胞( primordial germ cell )。由此培養的細胞株，證實具有全能幹細胞的特徵。
2000年，由Pera、 Trounson 和 Bongso 領導的新加坡和澳大利亞科學家從治療不育症的夫婦捐贈的胚泡內細胞群中分離得到人ES細胞，這些細胞體外增殖，保持正常的核型，自發分化形成來源於三個胚層的體細胞系。將其注入免疫缺陷小鼠錯開內產生畸胎瘤。
2003，建立了人類皮膚細胞與兔子卵細胞種間融合的方法，為人胚胎幹細胞研究提供了新的途徑。
2004年，Massachusetts Advanced Cell Technology 報導克隆小鼠的幹細胞可以通過形成細小血管的心肌細胞修復心衰小鼠的心肌損傷。這種克隆細胞比來源於骨髓的成體幹細胞修復作用更快、更有效，可以取代40%的瘢痕組織和恢復心肌功能。這是首次顯示克隆幹細胞在活體動物體內修復受損組織。
國內外幹細胞研究現狀
當前，幹細胞和再生醫學的研究已成為自然科學中最為引人注目的領域，其理論的日臻完善和技術的迅猛發展必將在疾病治療和生物醫藥等領域產生劃時代的成果，是對傳統醫療手段和醫療觀念的一場重大革命。 採用幹細胞治療有著多種優勢：低毒性（或無毒性），即使不完全了解疾病發病的確切機理治療也可達到較好的治療效果，自身幹細胞移植可避免產生免疫排斥反應，對傳統治療方法療效較差的疾病多有驚人的效果。
幹細胞研究的意義
分化後的細胞，往往由於高度分化而完全喪失了再分化的能力，這樣的細胞最終將衰老和死亡。然而動物體在發育的過程中，體內卻始終保留了一部分未分化的細胞，這就是幹細胞。幹細胞又叫做起源細胞、萬用細胞，是一類具有自我更新和分化潛能的細胞。可以這樣說，動物體就是通過幹細胞的分裂來實現細胞的更新，從而保證動物體持續生長發育的。
幹細胞根據其分化潛能的大小，可以分為兩類：全能幹細胞和組織幹細胞。前者可以分化、發育成完整的動物個體，後者則是一種或多種組織器官的起源細胞。人的胚胎幹細胞可以發育成完整的人，所以屬於全能幹細胞。
早在19世紀，發育生物學家就知道，卵細胞受精後很快就開始分裂，先是1個受精卵分裂成2個細胞，然後繼續分裂，直至分裂成有16至32個細胞的細胞團，叫做桑椹胚。這時如果將組成桑椹胚的細胞一一分開，並分別植入到母體的子宮內，則每個細胞都可以發育成一個完整的胚胎。這種細胞就是胚胎幹細胞，屬於全能幹細胞。骨髓、臍帶、胎盤和脂肪中則可以獲取組織幹細胞。每個人的體內都有一些終生與自己相伴的幹細胞。但是，人的年齡越大，幹細胞就越少。為了彌補幹細胞的不足，一些科學家建議從胚胎或胎兒以及其他動物身上獲取幹細胞。進行培養和研究。
幹細胞的用途非常廣泛，涉及到醫學的多個領域。目前，科學家已經能夠在體外鑑別、分離、純化、擴增和培養人體胚胎幹細胞，並以這樣的幹細胞為“種子”，培育出一些人的組織器官。幹細胞及其衍生組織器官的廣泛臨床套用，將產生一種全新的醫療技術，也就是再造人體正常的甚至年輕的組織器官，從而使人能夠用上自己的或他人的幹細胞或由幹細胞所衍生出的新的組織器官，來替換自身病變的或衰老的組織器官。假如某位老年人能夠使用上自己或他人嬰幼兒時期或者青年時期保存起來的幹細胞及其衍生組織器官，那么，這位老年人的壽命就可以得到明顯的延長。美國《科學》雜誌於1999年將幹細胞研究列為世界十大科學成就的第一，排在人類基因組測序和克隆技術之前。
新加坡國立大學醫院和中央醫院通過臍帶血幹細胞移植手術，根治了一名因家族遺傳而患上嚴重的地中海貧血症的男童，這是世界上第一例移植非親屬的臍帶血幹細胞而使患者痊癒的手術。醫生們認為，臍帶血幹細胞移植手術並不複雜，就像給患者輸血一樣。由於臍帶血自身固有的特性，使得用臍帶血幹細胞進行移植比用骨髓進行移植更加有效。現在，利用造血幹細胞移植技術已經逐漸成為治療白血病、各種惡性腫瘤放化療後引起的造血系統和免疫系統功能障礙等疾病的一種重要手段。科學家預言，用神經幹細胞替代已被破壞的神經細胞，有望使因脊髓損傷而癱瘓的病人重新站立起來；不久的將來，失明、帕金森氏綜合症、愛滋病、老年性痴呆、心肌梗塞和糖尿病等絕大多數疾病的患者，都可望藉助幹細胞移植手術獲得康復。
同胚胎幹細胞相比，成人身體上的幹細胞只能發育成20多種組織器官，而胚胎幹細胞則能發育成幾乎所有的組織器官。但是，如果從胚胎中提取幹細胞，胚胎就會死亡。因此，倫理道理問題就成為當前胚胎幹細胞研究的最大問題之一。美國政府明確反對破壞新的胚胎以獲取胚胎幹細胞，美國眾議院甚至提出全面禁止胚胎幹細胞克隆研究的法案。美國的一些科學家則對此提出了尖銳的批評，他們認為，將幹細胞用於醫學研究，在減輕患者痛苦方面很有潛力。如果浪費這樣一個絕好的機會，結果將是悲劇性的。
我國的幹細胞研究和套用已經具備了一定的基礎，早在20世紀60年代就開始了骨髓幹細胞移植方面的研究，目前研究和套用得最多的是造血幹細胞。1992年，我國內地第一個骨髓移植非親屬供者登記組在北京成立，“中華骨髓庫”也正式接受捐贈。2002年，北京建立了臍帶血幹細胞庫。關於胚胎幹細胞的研究，我國目前還沒有明確的法律規定。 2009年，國家幹細胞工程技術研究中心醫學轉化基地在上海成立，幹細胞技術進入臨床套用階段。NIH（美國國立衛生研究院）關於胚胎幹細胞研究的指導原則。
1.從人胚中獲得新細胞系
2.使用私人資助、已經獲得的來自人胚的細胞系進行研究
3.從胎組織中獲得新細胞系
1.使用來自胎兒組織的細胞系進行研究
2.用幹細胞創建人胚胎的研究
3.將人胚胎幹細胞與動物胚胎結合的研究
4.使用幹細胞進行生殖克隆
5.來自為研究目的而專門創建的胚胎的幹細胞有關研究
人體幹細胞
人體幹細胞分兩種類型一種是全功能幹細胞，可直接克隆人體；另一種是多功能幹細胞，可直接複製各種臟器和修復組織。人類寄希望於利用幹細胞的分離和體外培養，在體外繁育出組織或器官，並最終通過組織或器官移植，實現對臨床疾病的治療。
“原位培植皮膚幹細胞再生新皮膚技術”不僅實現了利用幹細胞複製皮膚器官，而且做到了人體原位皮膚器官的複製，從而使人類從幹細胞體外培植組織成器官移植治療，直接跨入了人體原位幹細胞複製器官。科學家普遍認為：幹細胞的研究將為臨床醫學提供更為廣闊的套用前景。
幹細胞具有經培養不定期地分化並產生特化細胞的能力。在正常的人體發育環境中，它們得到了最好的詮釋。人體發育起始於卵子的受精，產生一個能發育為完整有機體潛能的單細胞，即全能性受精卵。受精後的最初幾個小時內，受精卵分裂為一些完全相同的全能細胞。這意味著如果把這些細胞的任何一個放入女性子宮內，均有可能發育成胎兒。實際上，當兩個全能細胞分別發育為單獨遺傳基因型的人時，即出現了各方面都完全相同的雙胞胎。大約在受精後四天，經過幾個循環的細胞分裂之後，這些全能細胞開始特異化，形成一個中空環形的細胞群結構，稱之為胚囊，胚囊由外層細胞和位於中空球形內的細胞簇(稱為內細胞群)所構成。
外層細胞繼續發展，形成胎盤以及胎兒在子宮內發育所需的其它支持組織。內細胞群細胞亦繼續發育，形成人體所須的全部組織。儘管內細胞群可形成人體內的所有組織，但它們不能發育為一個單獨的生物體，因為它們不能形成胎盤以及子宮內發育所需的支持組織。這些內細胞群細胞是多能性的----它們能產生許多種類型的細胞，但並非胎兒發育所需的全部細胞類型。因為它們不是全能性的，不是胚胎，沒有完全的發育潛能。如果內細胞群被放入女性子宮，它不會發育成胎兒。
多能性幹細胞經歷進一步的特異分化，發展為參與生成特殊功能細胞的幹細胞。如造血幹細胞，它能產生紅細胞、白細胞和血小板。又如皮膚幹細胞，它能產生各種類型的皮膚細胞。這些更專門化的幹細胞被稱為專能幹細胞。
幹細胞臨床效用
幹細胞對早期人體的發育特別重要，在兒童和成年人中也可發現專能幹細胞。舉我們所最熟知的幹細胞之一，造血幹細胞為例，造血幹細胞存在於每個兒童和成年人的骨髓之中，也存在於循環血液中，但數量非常少。在我們的整個生命過程中，造血幹細胞在不斷地向人體補充血細胞——紅細胞、白細胞和血小板的過程中起著很關鍵的作用。如果沒有造血幹細胞，我們就無法存活。
幹細胞是一類具有自我更新和分化潛能的細胞。它包括胚胎幹細胞和成體幹細胞。幹細胞的發育受多種內在機制和微環境因素的影響。目前人類胚胎幹細胞已成功地在體外培養。最新研究發現，成體幹細胞可以橫向分化為其它類型的細胞和組織，為幹細胞的廣泛套用提供了基礎。
在胚胎的發生髮育中，單個受精卵可以分裂發育為多細胞組織或器官。在成年動物中，正常的生理代謝或病理損傷也會引起組織或器官的修復再生。胚胎的分化形成和成年組織的再生是幹細胞進一步分化的結果。胚胎幹細胞是全能的，具有分化為幾乎全部組織和器官的能力。而成年組織或器官內的幹細胞一般認為具有組織特異性，只能分化特定的細胞或組織。
然而，這個觀點目前受到了挑戰。最新的研究表明，組織特異性幹細胞同樣具有分化成其它細胞或組織的潛能，這為幹細胞的套用開創了更廣泛的空間。按分化潛能的大小，幹細胞基本上可分為三種類型：一類是全能性幹細胞，它具有形成完整個體的分化潛能。如胚胎幹細胞，它是從早期胚胎內的細胞團分離出來的一種高度未分化的細胞系，具有與早期胚胎細胞相似的形態特徵和很強的分化能力，它可以無限增殖並分化成為全身200多種細胞類型，進一步形成機體的所有組織、器官。另一類是多能性幹細胞，這種幹細胞具有分化出多種細胞組織的潛能，但卻失去了發育成完整個體的能力，發育潛能受到一定的限制，骨髓多能造血幹細胞是典型的例子，它可分化出至少十一中血細胞，但不分化出造血系統以外的其他細胞。還有一類幹細胞為單能幹細胞（也稱專能、偏能幹細胞），這類幹細胞只能向一種類型或密切相關的兩種類型的細胞分化，如上皮組織基底層的幹細胞、肌肉中的成肌細胞。
總之，凡需要不斷產生新的分化細胞以及分化細胞本身不能再分裂的細胞或組織，都要通過幹細胞所產生的具有分化能力的細胞來維持肌體細胞的數量，可以這樣說，生命是通過幹細胞的分裂來實現細胞的更新及保證持續生長。
幹細胞發展前景
隨著基因工程、胚胎工程、細胞工程等各種生物技術的快速發展，按照一定的可以發展性目的，在體外人工分離、培養幹細胞已成為可能，利用幹細胞構建各種細胞、組織、器官作為移植器官的來源，這將成為幹細胞套用的主要方向。
