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浅谈胚胎干细胞

  近年来,世界各国都十分重视胚胎干细胞(ES)研究工作,取得了许多重大的突破。胚胎干细胞拥有类似胚胎的全能分化性,既是科学研究的工具,也可以用在临床治疗方面。

  1.什么是胚胎干细胞

  胚胎干细胞是在人胚胎发育早期———囊胚(受精后5~7天(中未分化的细胞,即囊胚腔内侧的细胞群,称内细胞群。属于全能性干细胞,可以无限增殖并分化成为全身,200多种细胞类型,进一步形成机体的所有组织。当内细胞群在培养皿中培养时,称之为胚胎干细胞。

  2.胚胎干细胞的研究意义

  胚胎干细胞的研究具有重要的意义。它们拥有类似胚胎的全能分化性,可以从单个的受精卵发育成完整的个体,能够解释完整的发育体系。胚胎干细胞也是惟一不死的细胞,能够非限定地分化,是细胞的源头,是遗传操作的最早期细胞。ES细胞既可用在治疗方面,也可作为科学研究的工具。

  早在1970年,首次从小鼠胚囊中分离出可以成功地在体外进行培养的小鼠胚胎干细胞。研究证实:分离的小鼠胚胎干细胞在体外可以分化成各种细胞,包括神经细胞、造血干细胞和心肌细胞。将小鼠胚胎干细胞移植到重度复合免疫缺损小鼠(SCID)体内时,胚胎干细胞则能够发育成肌肉、软骨、骨骼、牙齿和毛发。如果直接将分离的小鼠胚胎干细胞植入子宫内,它们不会发育成个体小鼠,因为没有着床必需的滋养层细胞。如果将其植入不能发育成个体的四倍体胚胎中,再将胚胎植入小鼠子宫中,可以获得完全是由培养的胚胎干细胞产生的正常个体小鼠。

  1998年由美国科学家成功地进行了人的胚胎干细胞的体外培养。人胚胎干细胞的分离及体外培养的成功,将给人类带来医学革命。这一技术将对基础研究和临床应用产生巨大的影响,有可能在体外研究人胚胎的发生发育,非正常发育(通过改变细胞系的靶基因),新人类基因的发现,药物筛选和致畸实验,以及作为组织移植、细胞治疗和基因治疗的细胞源等领域发挥作用。

浅谈胚胎干细胞

  3.胚胎干细胞的研究进展

  国家自然科学基金项目——药物介导胚胎干细胞体外定向分化的干预效应研究;近日取得重大突破。通过生物因子的作用和药物的诱导,已成功地将胚胎干细胞体外定向分化成搏动的心肌细胞,并在此基础上首次利用胚胎干细胞成功地构建了新药筛选模型。到目前为止,他们已在实验室中先后,次成功地培养出了总共30个自主跳动的单一心肌细胞团,分化成功率已高达80%。实验室观察表明,这些细胞团均具有正常心肌细胞的自律性、应激性和兴奋性。据介绍,在成功分化出心肌细胞的基础上,课题组将于近期开始定向分化单一的神经细胞和胰岛细胞的工作。

  美国麻省理工学院的科学家2002年3月26日宣布,他们首次利用人体胚胎干细胞培育出毛细血管,进一步证明了胚胎干细胞技术在治疗心血管疾病等领域的应用潜力。在研究中,兰格等首先使这些干细胞发育至能分化成不同细胞类型的阶段,然后从中提取出有可能分化成内皮细胞的干细胞,进一步对其进行培养。当这些细胞形成原始的血管结构时,研究人员将其移植入经过处理后不会产生排异反应的实验鼠体内,并发现它们在14天后形成了毛细血管网。他们的研究还显示,其中一些毛细血管中含有鼠的血细胞,显示这些血管已经自发地与鼠循环系统相结合。

  胚胎干细胞还用来修复甚至替换丧失功能的组织和器官,如用神经细胞治疗神经变性疾病%帕金森氏综合征、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默氏病等(。美国威斯康星大学的研究人员于2001年9月首次将人类胚胎干细胞转化为血细胞。还可用胰岛细胞治疗糖尿病,用心肌细胞修复坏死的心肌等。

  干细胞是基因治疗的较理想的靶细胞,因为它可以自我复制更新,治疗基因通过它带入人体中,能够持久地发挥作用,不会像分化的细胞那样,在细胞更新中丢失治疗基因的结果。通过胚胎干细胞和基因治疗技术,可以矫正缺陷基因。例如,如果发现早期胚胎有某种基因缺陷而会患基因缺陷病如囊性纤维化可以收集部分或全部胚胎干细胞,通过基因工程技术将正常的基因替代干细胞中的缺陷基因,再将修复后的胚胎干细胞嵌入胚胎中,使其发育成一个健康的婴儿。由于伦理和某些技术问题,现在还未开展此类实验。还可通过破坏细胞中表达组织相容性复合物的基因,防止免疫排斥效应而创建“万能供者细胞”。但这种方法需要破坏和改变细胞中许多基因,而且这种细胞发育成的组织和器官是否有生理缺陷如免疫能力降低还不得而知。

  有关专家表示,现在的种种尝试仅是开始。用干细胞技术治疗疾病至少还要经历3个阶段。

  第一阶段:把一种组织的成体干细胞直接移植给相应组织坏损的病人以治疗疾病。

  第二阶段:在体外对干细胞进行诱导使之“定向”分化成所需的细胞。对于某些遗传性疾病,还可对干细胞进行基因修饰。对经过“定向分化”或“基因修饰”后的干细胞进行筛选后,把“合格”的细胞移植给病人。

  第三阶段:在体外进行“器官克隆”以供病人移植。

  4.胚胎干细胞研究的技术难题

  ⑴胚胎干细胞极易分化为其他细胞,如何维持体外扩增时不分化?虽然在防止体外培养时干细胞分化方面已取得了很大成绩,如在培养基中加入白血病抑制因子等可抑制干细胞分化,但仍需进一步研究干细胞的培养条件。

  ⑵如何定向诱导干细胞分化?细胞分化是多种细胞因子相互作用引起细胞一系列复杂的生理生化反应的过程,因而要诱导产生某种特异类型的组织,需要了解各种因子的作用条件。

  ⑶由胚胎干细胞在体外发育成为完整的器官尤其是像心、肝、肾、肺等大型精细复杂的器官这一目标还需要技术上的突破。另外,器官的体外保存和维持仍是器官移植中的难题。目前,可能的方法是将干细胞注射到重度免疫缺陷动物的脏器中,让移植的人干细胞逐步替代动物细胞,使其脏器人源化,成为可供移植的器官。

  ⑷如何克服移植排斥反应?改变基因创建“万能供者细胞”的方法是否可行;核移植后的卵细胞能否激活沉默基因;启动DNA的合成,会不会改变染色体的结构;而且,胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向,胚胎干细胞及其衍生细胞的移植的安全性等问题,还有待进一步研究。

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