幹細胞

幹細胞（stem cell，SC）的“幹”，譯自英文“stem”，意為“莖幹”、“幹”和“起源”。幹細胞羣的功能即為控制和維持細胞的再生。一般來説，在幹細胞和其終末分化的子代細胞之間存在着被稱為“定向祖細胞”的中間祖細胞羣，它們具有有限的擴增能力和限制性分化潛能。這些細胞羣的功能是增加幹細胞每次分裂後產生的分化細胞的數量。幹細胞具有自我更新的能力，但是幹細胞的分裂實際上是相對不對稱的 ^[1]  。

雖然在形態學和分子生物學水平上幹細胞的結構意義能幫助定義幹細胞，但是幹細胞的定義仍必須是建立在功能性的基礎上的。從功能上講，幹細胞是具有多向分化潛能、自我更新能力的細胞，是處於細胞系起源頂端的最原始細胞，在體內能夠分化產生某種特定組織類型的細胞。對於單細胞來講，對這個定義進行嚴格限制是很重要的。尤其是在複雜的器官中，為了區別幹細胞和其他各種類型的祖細胞，對其進行功能上的區分可能更精確和必要。因為幹細胞和祖細胞的定義是由其是否具有自我更新能力所決定的。幹細胞一旦分化為祖細胞後就失去了自我更新的能力，出現對稱性的有絲分裂，祖細胞的數量只有通過幹細胞的增殖分化來補充，但是祖細胞仍然保持高度的增殖能力，就造血幹祖細胞而言，各系造血過程中細胞的大量擴增主要依靠造血祖細胞的增殖 ^[1]  。

在成體的器官中，幹細胞可以通過不斷分裂來修復組織，或者是像在哺乳動物腦組織中那樣處於靜止的狀態。幹細胞在其發育期間能夠通過對稱性地分裂以擴增它們的數量，或者通過非對稱性分裂進行自我更新和產生更多不同分化類型的祖細胞 ^[1]  。

科學地對幹細胞進行分類有助於對幹細胞概念及其生物學特性的準確把握和理解，可以採用以下幾種方法對幹細胞進行分類 ^[1]  。

按照此種分類方式，幹細胞可以分為胚胎幹細胞和成體幹細胞 ^[1]  。

胚胎幹細胞：在各種幹細胞的研究與應用中，胚胎幹細胞最引人注目。胚胎幹細胞是指由胚胎內細胞團或原始生殖細胞經體外抑制培養而篩選出的細胞。此外，胚胎幹細胞還可以利用體細胞核轉移技術來獲得。胚胎幹細胞具有發育全能性，在理論上可以誘導分化為機體中所有種類的細胞；胚胎幹細胞在體外可以大量擴增、篩選、凍存和復甦而不會喪失其原有的特性 ^[1]  。

成體幹細胞：成體幹細胞是指存在於一種已經分化組織中的未分化細胞，這種細胞能夠自我更新並且能夠特化形成組成該類型組織的細胞。成體幹細胞存在於機體的各種組織器官中。發現的成體幹細胞主要有：造血幹細胞、骨髓間充質幹細胞、神經幹細胞、肝幹細胞、肌肉衞星細胞、皮膚表皮幹細胞、腸上皮幹細胞、視網膜幹細胞、胰腺幹細胞等 ^[1]  。

按照此種分類方式，幹細胞可分為全能幹細胞、多能幹細胞、單能幹細胞 ^[1]  。

全能幹細胞：具有自我更新和分化形成任何類型細胞的能力，有形成完整個體的分化潛能，如胚胎幹細胞，具有與早期胚胎細胞相似的形態特徵和很強的分化能力，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 ^[1]  。

多能幹細胞：顧名思義，多能幹細胞具有產生多種類型細胞的能力，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。例如，造血幹細胞可分化出至少12種血細胞，骨髓間充質幹細胞可以分化為多種中胚層組織的細胞（如骨、軟骨、肌肉、脂肪等）及其他胚層的細胞（如神經元）。科學家們趨向於將分化潛能更廣的幹細胞稱為多潛能幹細胞，如骨髓間充質幹細胞，而將向某一類型組織的不同細胞分化的幹細胞稱為多能幹細胞，如造血幹細胞、神經細胞等 ^[1]  。

單能幹細胞（也稱專能、偏能幹細胞）：常被用來描述在成體組織、器官中的一類細胞，意思是此類細胞只能向單一方向分化，產生一種類型的細胞。在許多已分化組織中的成體幹細胞是典型的單能幹細胞，在正常的情況下只能產生一種類型的細胞。如上皮組織基底層的幹細胞、肌肉中的成肌細胞又叫衞星細胞。這種組織是處於一種穩定的自我更新的狀態。然而，如果這種組織受到傷害並且需要多種類型的細胞來修復時，則需要激活多潛能幹細胞來修復受傷的組織 ^[1]  。

在成體動物中許多組織如皮膚、血液和小腸上皮的細胞壽命很短，需要不斷地被相應的新細胞替換。成熟個體產生新的分化細胞的途徑之一是通過已存在的分化細胞的簡單倍增形成新的分化細胞，即分化細胞經分裂形成相同類型的兩個子代細胞，如血管中新的內皮細胞就是通過這種方式產生的。但是，在分化的過程中，細胞往往因為高度分化而失去了再分裂的能力，最終走向衰老死亡。為了彌補這一不足，機體在發育過程中還保留了一部分未分化的原始細胞，也就是幹細胞。一旦生理需要，這些幹細胞可以按照發育途徑通過分裂產生分化細胞 ^[1]  。

多向分化潛能和自我更新是幹細胞的基本特點。具體來講，幹細胞具有以下一些生物學特點：

①屬非終末分化細胞，終生保持未分化或低分化特徵，缺乏分化標記 ^[1]  。

②在機體的數目位置相對恆定 ^[1]  。

③具有自我更新能力 ^[1]  。

④能無限地分裂、增殖，可在較長時間內處於靜止狀態，幹細胞可連續分裂幾代 ^[1]  。

⑤具有多向分化潛能，能分化為各種不同類型的組織細胞；也具有分化發育的可塑性，在特定環境下，能被誘導分化成在發育上無關的細胞類型，其分化受所處周圍微環境的[幹細胞壁龕]影響 ^[1]  。

⑥分裂的慢週期性 ^[1]  。

⑦幹細胞通過兩種方式生長，一種是對稱分裂，形成兩個相同的幹細胞，另一種是非對稱分裂方式，非對稱分裂中一個保持親代的特徵，仍作為幹細胞保留下來，另外一個子細胞不可逆的走向分化的終端成為功能專一的分化細胞 ^[1]  。

儘管許多組織中都存在幹細胞，但其數量很少，而且在顯微鏡下時，無法將它們與這些組織中的其他細胞清楚區分。因此，如何找到一種簡單有效的方法，科學、準確地區分這類稀少的細胞，一直是科學家們不斷探索的課題 ^[1]  。

過去人們普遍採用的幹細胞鑑別方法主要有以下兩種：①利用幹細胞的慢週期性，採用標記滯留細胞的分析方法來識別在體的靜息幹細胞。②利用幹細胞的自我更新能力，觀察其在體外培養時表現出的無限的增殖能力來識別離體的幹細胞。但這兩種方法應用時具有一定的限制性 ^[1]  。

研究人員普遍採用的方法是依靠幹細胞的表面標誌來區分和鑑定各種幹細胞。幹細胞的表面標誌是指覆蓋在細胞表面的特殊的蛋白質——受體，它能選擇性地結合或黏附其他信號分子。已發現了幹細胞表面的許多不同類型的受體，利用單克隆抗體的特異性和多樣性，應用不同抗體的合理組合可以區分幹細胞和其他細胞，根據幹細胞表面標誌還可以分離不同類型的幹細胞及其亞羣。抗體介導的細胞分離技術主要有：抗體/補體介導細胞學溶解法、流式細胞儀細胞分選法、平面黏附分離法和免疫磁珠分離法等 ^[1]  。

幹細胞研究受到科學家和世人的廣泛關注有其必然性，幹細胞在生命科學的細胞修復、發育生物學、藥物學等領域有着極為廣闊的應用前景 ^[1]  。

組織器官的損傷和功能衰竭一直以來是人類健康所面臨的一大難題，完美地修復或替代因疾病、戰傷、意外事故或遺傳因素所造成的組織、器官或肢體的傷殘一直是人類的夢想，也是難以攻克的醫學高峯。治療方案均難以完全修復受損的組織、器官或使其功能得以長期恢復 ^[1]  。

科學家們在經過長期的探索和努力之後，最終把目光落在幹細胞上，生命體是通過幹細胞的分裂來實現細胞更新及保證持續增長，幹細胞的研究與應用將有可能使人類實現完美修復損傷組織和器官的夢想。多年來科學家們一直致力於尋找利用幹細胞的複製和分化來取代受損細胞或組織的方法。這一點隨着組織工程、胚胎工程、細胞工程、基因工程等各種生物技術的發展和幹細胞生物學研究領域的突破而展現出無比廣闊的前景。按照一定的目的在體外人工培養、分離幹細胞已成為可能，利用幹細胞構建各種細胞、組織、器官作為移植的來源將成為幹細胞應用的主要方向 ^[1]  。

發育生物學是生命科學的前沿領域，在最近幾十年裏，對發育生物學的某些基礎領域有了較為深入的認識。但是發育生物學領域依然存在許多未解的問題，例如，一個單細胞——受精卵細胞是如何發育成複雜的組織、器官、系統乃至完整的有機個體 ^[1]  ？

生命最大的奧秘就是探討一個受精卵如何發育成複雜的生物體，但是，由於受精卵植入子宮後的不可接近性，使人們對胚胎髮育機制的探討受到影響。而人胚胎幹細胞系的建立將有助於我們探討發育過程中的影響因素和調控機制。在對胚胎髮育過程中關鍵性調控機制的研究中，胚胎幹細胞無疑已成為一個重要的工具，例如，可以比較胚胎幹細胞和不同時空的分化細胞之間的基因表達差異，研究參與胚胎髮育與分化的分子機制 ^[1]  。

幹細胞是對疾病進行基因治療的理想載體。造血幹細胞具有自我更新、多向分化重建長期造血、採集和體外處理容易等特點。因此是基因治療最理想的載體細胞之一，以此為基礎的基因治療，在重症免疫缺陷、遺傳性疾病、惡性腫瘤、造血幹細胞保護、AIDS等領域具有廣闊的應用前景 ^[1]  。

骨髓間充質幹細胞易於外源基因的導入和表達，這種特點結合骨髓間充質幹細胞的多向分化潛能，便使其可能成為一種理想的基因治療的靶細胞。此外，人胚胎幹細胞可以不斷自我更新，經過遺傳操作後依然能夠穩定地在體外增殖，將其作為基因治療的載體，將有可能解決基因治療中所面臨的用作載體的細胞在體外不能被穩定改造和傳代的問題。胚胎幹細胞的遺傳改造將有可能被用於遺傳性疾病的治療領域。人們普遍關注的幹細胞分離純化技術的進步、基因轉染效率的提高、基因轉移載體（脂質體、逆轉錄病毒、腺病毒、腺相關病毒等）的不斷改進及轉基因細胞的擴增和定向誘導分化、新的目的基因的發現、目的基因轉染後的穩定表達和調控等領域的深入研究將使得與幹細胞相關的基因治療更加有效和廣泛地應用於臨牀 ^[1]  。

胚胎幹細胞與基因定位整合技術相結合，對於研究基因在胚胎髮育中的表達與功能具有十分重要的意義。利用這項技術可以將一些在發育過程中特定的基因敲除，在動物體內進行基因功能缺失的研究，這對於據示以前不能在體內充分證明的分子調控機制也具有重要的作用，此外，還可以在幹細胞水平上利用基因功能獲得性突變使特定基因在體內瞬時或長期表達，來研究基因在胚胎不同發育時期的作用 ^[1]  。

胚胎幹細胞可以分化為多種細胞類型又能不斷自我更新，這在藥物研究領域具有廣泛的用途。用於藥物篩選的細胞都來源於動物或癌細胞這樣非正常的人體細胞，而胚胎幹細胞可以經過體外誘導，為人類提供各種組織類型的細胞，這為藥物篩選、鑑定及其毒理的研究提供堅實的基礎，並有助於人類疾病細胞模型的建立及新藥開發 ^[1]  。

國際標準：ISO24603《人和小鼠多能幹細胞通用要求》 ^[4]  。

中國國家標準：《細胞無菌檢測通則》。

中國團體標準：《人幹細胞研究倫理審查技術規範》。 ^[4-5] 

2022年12月22日，科技日報北京電，美國國家衞生研究院下屬國家眼科研究所（NEI）研究人員使用患者幹細胞和3D生物打印技術，打印出一種支持視網膜感光的光感受器的眼組織——外層血—視網膜屏障的細胞組合。 ^[6] 

2023年3月16日，《自然》雜誌發表的論文報告了日本九州大學的一項幹細胞領域重磅成果：將雄性小鼠幹細胞轉化為雌性細胞併產生功能性卵細胞，這些卵細胞在受精後得到的胚胎中約有1%能產生健康的後代。 ^[8] 

2023年5月10日晚，天舟六號貨運飛船上行了98件科學實驗產品，其中，在空間生命科學與生物技術領域，問天實驗艙生物技術實驗櫃將開展空間微重力環境對幹細胞譜系分化的影響研究、幹細胞3D生長及組織構建研究等4項科學實驗 ^[7]  。