四、干细胞
干细胞（stem cell）是指一类处于未分化或低分化状态，具有自我更新能力（self renew）和多向分化潜能的细胞。干细胞存在于人体或动物个体发育各个阶段的组织器官中，是各种分化细胞或特化细胞的初始来源。在胚胎发育过程中，由一个受精卵经过增殖、分化形成一个完整的个体。在成体的生长发育过程中，一部分细胞由于高度分化而完全失去了分裂增殖的能力，最终走向衰老死亡；与此同时另一部分干细胞仍然保持着增殖、分化的能力，处于未分化或低分化状态，这些细胞通过增殖和分化补充体内受损伤或衰老死亡的细胞。干细胞是维持个体生长发育、组织器官的结构和功能动态平衡，以及组织器官损伤后再生修复的细胞学基础。
（一）干细胞的分类
通常，干细胞会有两种分类方法。
1.根据干细胞所处的发育阶段分类
（1）胚胎干细胞（embryonic stem cell）：是指从胚胎发育早期阶段得到的干细胞，它们具有多向分化的能力。在胚胎发育的特定阶段，早期胚胎形成一个被称为胚泡的中空球形结构，在其内的一侧出现一个小的细胞团，胚胎学称其为内细胞群（inner cell mess），内细胞群细胞具有分化为成熟个体中所有类型细胞的潜能，可以发育成为人体内200多种细胞类型中的任何一种，但不具备形成一个完整个体的能力。胚胎干细胞现在的研究阶段仍是刚起步，许多研究是以人类以外的动物为模型，如老鼠、牛或是羊等。
（2）成体干细胞（adult stem cell）：是指存在成体组织中的特定位置上，具有修复和再生能力的细胞。如骨髓中的造血干细胞、神经组织中的神经干细胞、表皮的基底层细胞、肌组织中的肌卫星细胞等。成体干细胞在正常情况下大多处于休眠状态，在病理状态或外因诱导下可以表现出不同程度的再生和更新能力。
2.根据干细胞分化潜能分类
（1）全能干细胞（totipotent stem cell）：是指具有形成完整个体分化潜能的早期胚胎细胞，如人类的受精卵及早期卵裂形成的卵裂球（8细胞期之前）都属于全能干细胞，而受精卵是最初全能干细胞。如果将处于这个阶段的任何一个细胞植入子宫后，这些细胞都具有发育为一个完整个体的可能性。随着胚胎的继续发育，全能性细胞将进一步发生分化，其后代细胞的分化潜能也将进一步趋于“变窄”。
（2）多能干细胞（pluripotent stem cell）：是指具有分化出多种组织细胞的潜能，但失去了发育成完整个体能力的细胞。骨髓多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少12种血细胞。
（3）单能干细胞（unipotent stem cell）：也称专能、偏能干细胞。这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的肌卫星细胞等。
（二）胚胎干细胞
胚胎干细胞通常是指存在于囊胚期胚胎中的内细胞群细胞。从人体发育的角度来看，这种细胞具有分化为胎儿或成体组织中的各种细胞类型的潜能。目前已经知道，胚胎干细胞可以在体外无限扩增，并可以进行传代、遗传操作和冻存，也可以在体外条件下将其诱导分化为多种细胞或组织，而且，还可将其与受体胚胎嵌合，形成嵌合体（可嵌合进入包括牛生殖腺在内的各种组织）。但在自然情况下获得胚胎干细胞数量较少，存在时间短，故目前对其生物学特性的认识都是基于体外培养的胚胎干细胞的间接分析。胚胎干细胞是个体发育的起始细胞，最基本的生物学特性是能够有序地分化成为三个胚层组织的前体细胞。胚胎干细胞具有原始细胞的形态和生化特征：胚胎干细胞的体积较小，核质比例较大，细胞内各种细胞器不发达。在囊胚中，它们以致密的集落样的形式（即内细胞群）生长，并附着于囊胚的内侧壁。在体外培养的条件下，胚胎干细胞的体积仍然很小，核质比例很大，核中可有多个核仁，它们也是以致密的集落样的形式生长，形似鸟巢，而且各种哺乳类动物的胚胎干细胞在体外培养条件下都具有类似的形态特征。胚胎干细胞可表达早期胚胎细胞的分子标记，但在不同的物种之间，其表面抗原的表达情况可有很大的差异性。
（三）成体干细胞(https://www.daowen.com)
成体干细胞是在成体组织内具有自我更新能力及能分化产生一种或一种以上子代组织细胞的未成熟细胞，研究已证实成体干细胞在多种成体组织中存在，如造血组织中的造血干细胞、结缔组织中的间充质干细胞、神经组织中神经干细胞、表皮干细胞、肠干细胞及肝干细胞等。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。
1.造血干细胞（hematopoietic stem cell）是最先被认识的成体干细胞，并于1961年首次由小鼠脾集落形成实验证实了造血干细胞也在成体非造血组织内的存在。在哺乳动物发育过程中，造血干细胞首先出现在卵黄囊，随着胚胎发育，经迁大动脉、性腺脊和中期肾等区迁移进入胎肝，在出生前，造血干细胞又移位至骨髓并在那里保留至整个生命过程。造血干细胞是存在于造血组织中的一群原始造血细胞，属于多能干细胞，能增殖分化为多能淋巴样祖细胞和多能髓性祖细胞，前者进一步分化为各种淋巴细胞，后者分化为粒细胞巨噬细胞系、红细胞系及巨核细胞系造血祖细胞，再进一步分化为各种白细胞、红细胞和血小板（图1-11-12）。目前对造血干细胞的形态仍无定论，一般认为类似于小淋巴细胞，且主要通过表面标志来分离纯化造血干细胞。造血干细胞可存在于骨髓、外周血及脐带血中，在骨髓移植和疾病治疗方面有重要作用。1957年，美国华盛顿大学的多纳尔托马斯发现正常人的骨髓移植到病人体内，可以治疗造血功能障碍，并因此荣获了诺贝尔奖。这一技术很快得到全世界的认可，并已成为根治白血病的主要手段。目前，造血干细胞移植可用于恶性血液病，部分恶性肿瘤，部分遗传性疾病等75种致死性疾病的治疗。
图1-11-12 造血干细胞与基质干细胞及其分化
2.间充质干细胞（mesenchymal stem cells）是来源于中胚层的一类多能干细胞，主要存在于结缔组织和器官间质中，在体内或体外特定的诱导条件下，可分化为脂肪、骨、软骨、肌肉、肌腱、韧带、神经、肝、心肌、内皮等多种组织细胞。间充质干细胞最初在骨髓中发现，以骨髓组织中含量最为丰富。间充质干细胞连续传代培养和冷冻保存后仍具有多向分化潜能，可作为理想的种子细胞用于衰老和病变引起的组织器官损伤的修复。
3.神经干细胞（neural stem cell）是存在于成体脑组织中的一类多能干细胞。可分化为神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞等神经组织的细胞。传统观点认为，哺乳动物和人中枢神经系统的神经元在出生后不久就丧失其再生能力，成人脑细胞一经损伤就不能再生。但近来的一些研究证明，在中枢神经系统中部分细胞仍具有自我更新及分化产生成熟脑细胞的能力，这些细胞被称为神经干细胞。实验表明，哺乳动物脑中侧脑室的室管膜下区包括室管膜的细胞中，存在着有增殖能力的神经细胞。1992年Rynol和Weiss首先在成体小鼠的脑旁侧室膜下的神经组织中分离和培养了神经干细胞；Svendse等用相同的方法从人的胚胎中分离出神经干细胞。
目前人们将神经干细胞表达的一种中间纤维蛋白——巢素蛋白作为神经干细胞的特征性生化标记。该蛋白的表达起始于神经胚形成时；当神经细胞的迁移基本完成后，巢素蛋白的表达量开始下降，并随神经细胞分化的完成而停止表达。
神经干细胞在表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）的作用下不断分裂，但它可能并不是维持神经干细胞的唯一因子；成纤维细胞生长因子2也能刺激神经干细胞的增殖与分化。有人认为表皮生长因子主要作用可能是维持神经干细胞的生存，而成纤维细胞生长因子2可能对神经干细胞的分化起着重要的作用。目前常用表皮生长因子、成纤维细胞生长因子2受体及巢素蛋白等细胞标志从各种中枢神经区域分离成体神经干细胞。在神经干细胞培养过程中，如果以小牛血清代替表皮生长因子，神经干细胞可进一步分化为星形胶质细胞、少突状细胞和神经元，巢素蛋白的表达逐渐减少，而出现神经元特征性的微管结合蛋白-2及胶质细胞特征性神经胶质原纤维酸性蛋白等。
4.表皮干细胞（epidermal stem cells）是存在于皮肤中的干细胞类型。皮肤是再生能力很强的组织，如人的表皮细胞每两周更替一次。研究发现，表皮干细胞包括多种类型：毛囊干细胞、毛囊间表皮干细胞、皮脂腺干细胞以及峡部干细胞等。其中位于毛囊隆突部位的毛囊干细胞目前研究的最为清楚，它对于维持毛囊组织稳态以及皮肤创伤愈合十分重要；毛囊间表皮干细胞位于表皮基底层，对于维持动物无毛部位稳态发挥作用；皮脂腺干细胞在维持皮脂腺组织稳态过程中发挥作用。临床应用将表皮干细胞体外培养形成的融合皮片应用于烧伤、创伤长期不愈合以及溃疡等病人的表皮重建过程中，能够减少在获取移植皮肤的过程中造成的额外损伤。
5.肠上皮干细胞（intestinal epithelial stem cell）是位于肠腺基部或近基部的干细胞。肠腺保持着自体稳定性，增殖慢的肠干细胞可以很快地转变为快增殖过渡放大的细胞，移向肠腺中部并分化为肠上皮吸收细胞、杯状细胞、肠内分泌细胞及潘氏细胞。研究发现，参与肠干细胞和皮肤干细胞调控的机制有许多相似之处。分化细胞的凋亡对肠干细胞似乎有最为重要的调控作用。
6.肝干细胞（hepatic stem cell）近年才确认其存在。目前认为两种细胞与肝干细胞有着密切的关系：一种是肝卵圆细胞，在肝脏中数量极少，可以向肝细胞和胆管细胞双向分化，它因形态小、胞质少、胞核呈卵圆形故而得名，已从人的肝胚细胞瘤、肝细胞瘤中发现卵圆细胞；另一种是从大鼠肝脏中分离到的“小肝细胞”。但它们本身是肝干细胞，还是肝干细胞的子代细胞，尚不能确定。
肝干细胞的增殖和分化机制尚不清楚。一般的看法是在某些特殊情况下，如成熟肝细胞的增殖受到抑制或肝脏受到损伤时，存在于肝组织内的少量干细胞就会大量的增殖和分化而进行肝脏的重建。在部分肝切除术后半小时就发现若干转录因子基因被诱导激活表达，如STAT3、NF-κB、AP1等。一系列促有丝分裂信号或肝细胞生长信号在血液中存在，目前已被鉴定参与肝再生的因子有：肝细胞生长因子、肿瘤坏死因子β、IL-6、表皮生长因子、去甲肾上腺素、胰岛素以及TGFβ等。一般认为肝细胞生长因子在此过程中发挥着最重要的作用，其他的细胞因子可能只起了辅助性的作用。另外在肝细胞克隆培养过程中也观察到几种“胚胎标记”，包括甲胎蛋白、核糖激酶、醛缩酶、丙酮酸激酶同工酶等。
组成肝脏组织的细胞种类较多且功能复杂，推测至少肝脏的两种实质细胞（肝细胞和胆管上皮细胞）和某些非实质细胞（如产生细胞外基质的主要细胞Iho细胞）可由肝干细胞再生。