干细胞生物学
干细胞（stem cell）是指一类具自我更新能力和多向分化潜能的细胞。自我更新（产生与自身相同的子代细胞）和多向分化潜能（分化形成不同细胞）是干细胞的两大基本生物学特征。干细胞是个体生长发育、组织器官保持结构和功能动态平衡以及损伤后再生修复等生命现象的细胞学基础。
目前，干细胞的分类一般有两种方法。一种是根据干细胞所处的发育阶段即干细胞来源，将其分为胚胎干细胞和成体干细胞（adult stem cell，ASC）；另一种是根据干细胞的分化潜能，将其分为全能干细胞、多能干细胞、专能干细胞和单能干细胞。
胚胎发育始于受精卵，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。在胚胎发育过程中，受精卵细胞最初不断地分裂，处于8细胞期之前的每一个胚胎细胞（包括受精卵）都具有全能性，将处于这一阶段的任何一个细胞植入子宫都可以发育为一个完整的个体，这种具有发育全能性的早期胚胎细胞称为全能干细胞（totipotent stem cell）。随着胚胎发育的进行，胚胎形成一个中空的球形结构，称为胚泡（blastocyst）。胚泡的外层细胞为滋养层，会继续发育形成胎盘和其他对发育过程至关重要的组织。胚泡一端有一小团细胞，称为内细胞团。内细胞团细胞都具有分化为成熟个体中各种细胞类型的潜能，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，所以没有形成一个完整个体的能力，这种早期胚胎细胞被称为多能干细胞（pluripotent stem cell）。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3个胚层以及相应的组织器官（图11-5）。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。例如，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。以上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），简称组织干细胞或成体干细胞。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），它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。随着机体的发育，干细胞逐渐分化为特定型并行使特定功能，当机体组织受到外伤、老化、疾病等的损伤时，相应干细胞就会增殖分化，产生新的组织来代替它们，以保持机体的稳定平衡。
图11-5 胚胎干细胞的来源与早期分化示意图
在个体发育的囊胚阶段，囊胚腔中的内细胞团细胞具有多向分化潜能，可以分化为胎儿或成体组织中的各种细胞类型。若通过实验将内细胞团细胞从囊胚腔中分离出来，并将其在体外稳定培养，所得到的细胞就是常说的胚胎干细胞（又称ES细胞）（图11-5）。胚胎干细胞的另一个来源是从原肠胚之后的原始性腺中分离获得的，也被称为EG细胞（embryonic germ cell），EG细胞与ES细胞具有相似的性质。(https://www.daowen.com)
ES细胞具有稳定的二倍体核型，其形态结构与早期胚胎细胞相似，细胞相对较小，细胞核较大，有1个或多个核仁，核中多为常染色质，胞质结构简单，散布着大量核糖体和线粒体。ES细胞在体外分化抑制培养基中呈克隆状生长，细胞紧密地聚集在一起，形似鸟巢状，细胞间界限不清。胚胎干细胞可以在体外无限扩增，且增殖迅速，并可以进行传代、遗传操作和冻存，表现并保持稳定、正常的二倍体核型。已有研究证明，各种哺乳动物的胚胎干细胞在体外培养条件下都具有相似的形态特征。
ES细胞为未分化多能性细胞，可表达早期胚胎细胞的表面抗原，但小鼠和人的ES细胞表达的表面抗原具有种属差异性。例如，小鼠ES细胞表达阶段特异性胚胎抗原-1（stage-specific embryonic antigen-1，SSEA-1），不表达SSEA-3和SSEA-4；来源于内细胞团的人ES细胞表达SSEA-3和SSEA-4，不表达SSEA-1；来源于原始生殖细胞的ES细胞SSEA-1、SSEA-3和SSEA-4均为阳性。ES细胞含有丰富的碱性磷酸酶，还具有很强的端粒酶活性。此外，ES细胞还可表达干细胞因子（stem cell factor，SCF）、CD30、TRA 160和TRA-1-81等。
ES细胞的未分化状态依赖于饲养层细胞，通常将其种植在铺有一层经γ射线照射或丝裂霉素C处理的成纤维细胞上，或者在培养液中加人白血病抑制因子（LIF），以防止ES细胞的分化。不添加LIF或悬滴培养时，无饲养层细胞会自发分化。
ES细胞具有多向分化潜能，主要体现在以下4方面：①形成拟胚体（embryoid body，EB），ES细胞在体外悬浮培养时将形成拟胚体，它是与早期胚胎形态相似的多种组织结构的混杂体；②形成畸胎瘤，将ES细胞注入免疫缺陷小鼠体内可形成畸胎瘤，包括三个胚层的分化细胞，如口腔上皮、平滑肌和横纹肌、神经上皮和复层鳞状上皮等；③形成嵌合体，把ES细胞注射到胚泡腔后可形成嵌合体，ES细胞能参与各种胚胎组织的发育和分化，包括生殖系在内，这是检验一个细胞系是否是ES细胞的金标准；④直系分化，通过控制ES细胞生长环境或遗传操纵特定基因表达，ES细胞可直接分化成某特定种系细胞，例如，将神经决定基因NeuroD2和NeuroD3转入ES细胞，可使之分化成神经细胞。
2006年，日本科学家山中伸弥团队首先在《细胞》杂志上报道，他们成功地利用病毒载体转染将4个转录因子KIf4、Sox2、Oct4及c-Myc导入小鼠成纤维细胞获得了多潜能细胞。仅仅1年后，人的多潜能细胞也通过相同的转录因子体系或不含有c-Myc的转录因子体系而成功建立，这些重编程的多潜能细胞现在被称为诱导性多潜能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）。虽然这些人iPS细胞的多潜能性质与人ES细胞并不完全一致，但是它们的确在形态和分化能力上与人ES细胞极其相似，比如能分化成三胚层来源的组织细胞类型，还能在免疫缺陷小鼠体内形成畸胎瘤。
iPSCs呈克隆样生长，具有碱性磷酸酶染色强阳性，并表达与ES细胞相同的表面标记物。iPSCs在体外培养时，撤除维持自我更新的细胞因子也可形成拟胚体，贴壁后可分化为三胚层的细胞类型。将iPSCs注入裸鼠（免疫缺陷鼠）皮下可形成畸胎瘤，同样具有三胚层分化的能力。iPSCs注射入小鼠囊胚可以形成嵌合体小鼠胚胎，并参与嵌合体小鼠的生殖系遗传。