1531
・综 述・
成体干细胞研究进展
3
陈 强1,杨在亮2,孙士锦3综述,张 波2△,王正国2审校
(第三军医大学第三附属医院野战外科研究所/创伤、烧伤与复合伤国家重点实验室:
1.麻醉科;2.第四研究室;3.创伤科,重庆400042)
关键词:成体干细胞;可塑性分化;组织修复
中图分类号:Q254
文献标识码:A
文章编号:167128348(2009)1221531202
细胞分化原则;(2)由于认识及技术上的限制,不能够获得单一种系成体干细胞,因而不能证实单一种系干细胞可以分化为多
胚层来源的有功能特征的细胞;(3)明显的种系转换现象以极低频率出现,实验可重复性差,甚至可能是实验误差所致。由于干细胞表面缺乏特异性表面标志物,实验中不能获得单一克隆的成体干细胞,所以双方实验结果均缺乏有力证据去说服对方,只能作为支持自己观点的佐证。
在质疑成体干细胞“可塑性”的观点中较为有代表性的是
Jiang等[5]在2002年发表的研究报告BMSCs分离出
干细胞自发现以来一直是研究的焦点。自我复制和多向分化特点是干细胞的重要特性,这些特性使得干细胞在再生医学研究中具有极大潜质和广阔应用前景。目前临床上需要干细胞治疗的伤病种类繁多,患者数量惊人,尤其是我国独生子女多,能提供具有相同或相近遗传背景的组织器官的可能性较低,因此对干细胞及其衍生组织需求量巨大,也更为迫切。
骨髓是人体重要器官之一,含大量成体干细胞,而且取材方便,渐渐成为成体干细胞研究焦点。目前对于骨髓内成体干
细胞群研究较多的是造血干细胞(HSCs)及间充质干细胞
(MSCs)。HSCs可以存在于骨髓中,还可以出现在外周血液
一类细胞,,还可以、神经细胞等,从,BMSC及HSCs更,及HSCs表现出广泛的分化潜,(multipotenta2
cells,MAPCS)[6]。
2006年11月Verfaillie课题组研究后报道在猪BMSCs分
循环中,具有广泛的迁移性。干细胞的迁移性被称为“干细胞
[1]
(greatcirculationofstemcell)。Douglas等[2]在对大循环”
HSCs的体外诱导分化实验中观察到CD34+的HSCs可向血
液、神经、肝、肾等功能细胞分化,型体内可发挥相应功能[3]。
(虽然100多年前MSCs,但是直到
1999年MSCs。目前研
离提取出一种细胞,该细胞表型呈现CD44-、CD45-、MHC2I-和MHC2II-,表达Oct3amRNA及Oct3a蛋白,其蛋白水平接近于人hESCs,在细胞培养50代时开始表现出高度的同质性,并可稳定传代100代以上,其细胞端粒酶在传代100代以后仍保持高度活性[7]。细胞诱导分化显示其可以分化为软骨细胞、成骨细胞、脂肪细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞、肝细胞样细
胞、神经细胞样细胞等。在较高细胞培养密度条件下(2000～
8000/cm2),细胞出现MSCs表型(CD44+、MHC2I+),并且可
究发现MSCs、成肌细胞、脂肪细胞、基质细胞成软骨细胞、肌腱细胞等,因此具有重要的研究和应用价值。影响MSCs定向分化的因素很多,不同因素可以诱导其向不同组织细胞分化[4]。2001年Krause等将
BMSCs植入早期胚胎内,发现植入的BMSCs可分化为几乎所
有的机体组织细胞,随后其他几个课题组也分别单独证实通过体外培养方法,BMSCs在不同成分培养液中可以向神经、皮肤、角膜、肌肉、肝、心、骨、软骨、脂肪、肌腱、肺等18种成熟细胞分化。在这些从BMSCs培养出来的分化细胞中包括了内、中、外3个胚层来源的细胞,也就是说其不仅能分化为所驻留的特异组织成熟细胞,而且可以跨系统分化为其他胚层组织细胞,Krause等称这种现象为干细胞的“可塑性”。干细胞的“可塑性”一经报道就立即引起了科学界极大兴趣。假定确实存在上述事实,再生医学将有质的飞跃,不仅具有高层次的理论价值,同时带动相关产业极大发展,具有不可估量的社会效益和经济效益。
随着研究的深入对成体干细胞“可塑性”的观点也提出了不同的认识。Weissman课题组研究后认为成体干细胞“可塑性”在实验中很难进行重复,该观点的提出并不严谨,需要大量实验结果进行验证。目前对成体干细胞“可塑性”的质疑主要集中于以下几点:(1)种系转换违背了已建立的生物进化和干
以典型诱导分化出间充质系细胞(脂肪细胞、成骨细胞、成软骨细胞),但不能诱导分化出内皮细胞、肝细胞样细胞、神经细胞样细胞;即使再次将该细胞置于低细胞密度下培养(100～500/cm2)20代以上,细胞也不再表达Oct3a,细胞也不能再分化为间充质系以外的其他细胞。该实验证实MAPCS在骨髓中确实存在。但也有有学者对Verfaillie研究结果提出了质疑,质疑焦点集中于Verfaillie所采用的实验步骤可能存在一定缺陷,从而影响结果准确性。
关于成体干细胞体外培养的稳定性多数研究结果显示其在体外培养60代以后即出现明显成瘤趋势[829]。这些与Ver2
faillie上述研究结果明显不同,产生这一结果的原因可能在于Verfaillie采用不同的成体干细胞提取方法所致。
目前越来越多学者认可骨髓中含有MAPCS,但由于该细胞缺乏有效的特异性细胞标记物,导致该细胞分离及纯化尚存在非常大的技术困难,当前对其认识主要停留于功能定义方
3基金项目:国家“973”基金资助项目(2005CB522603)。 △ 通讯作者,E2mail:[email protected]。
1532NewTherapeuticConcept[J].NEnglJMed,2003,349(6):570.[4]
PerryTE,RothSJ.Cardiovasculartissueengineering:constructinglivingtissuecardiacvalvesandbloodvesselsusingbonemarrow,umbilicalcordblood,andperipheralbloodcells[J].JCardiovascNurs,2003,18(1):30.[5]JiangY,VaessenB,LenvikT,etal.Multipotentprogeni2
torcellscanbeisolatedfrompostnatalmurinebonemar2row,muscle,andbrain[J].ExpHematol,2002,30(8):896.[6]
KeeneCD,Ortiz2GonzalezXR,JiangY,etal.Neuraldif2ferentiationandincorporationofbonemarrow2derivedmultipotentadultprogenitorcellsaftersinglecelltrans2plantationintoblastocyststagemouseembryos[J].CellTransplant,2003,12(3):201.
[7]ZengL,RahrmannE,HuQ,etal.MultipotentAdultPro2
genitorCellsfromSwineBoneMarrow[J].StemCells,2006,24(11):2355.
[8]RubioD,Garcia2CastroJ,Martin,etal.Spontaneous
humanadultstemcell[J].CancerRes,,65)[9],.面,随着认识的逐步深入,这种细胞可能在对遗传病、重症肌无力、脑中风、心肌梗死、肾功能不全、急慢性肝损伤、股骨头坏死、脊髓损伤、运动神经元病等多种疾病的治疗中发挥积极作用[10211]。
MSCs除了大量存在于骨髓外还存在于成体其他组织中(如肺、脂肪、皮肤等)[12]。有研究发现这种骨髓以外来源MSCs在组织修复中与骨髓来源的MSCs发挥相似作用,二者
均有促进组织修复作用[13]。骨髓来源的MSCs和其他组织来源的MSCs具有不同细胞表型,可以确定骨髓中MSCs和其他组织中MSCs不是同一种细胞。
为了对不同来源的MSCs生物学性质进行探讨,Kim等
[14]
将骨髓来源的MSCs和外周血来源的MSCs分别进行分
化潜能研究,发现尽管MSCs组织来源不同,但它们在多样分化潜能上是一致的,两种来源的MSCs均至少可以分化为神经细胞。对于不同组织来源的MSCs之间是否可以通过外周血中MSCs而联系起来,目前尚未有这方面的研究报道,而且对于是否存在这一联系途径学术界存在一定争议[15]。
为了揭示骨髓以外其他来源的多能成体干细胞的生物学特性,史春梦等[16]对真皮来源MSCs性状进行了深入研究,发现其与骨髓来源的MSCs一样除具有多向分化潜能外,局部应用还对皮肤创伤愈合有促进作用;同时还发现静脉输入体外培养的真皮来源MSCs可以归巢到骨髓内,对放射性损伤骨髓造血机能的恢复有明显促进作用。通过此研究进一步证实真皮多能MSCs与骨髓多能MSCs虽然具有不同生物学性状,同多功能干细胞,。
骨髓内HSCs和MSCs,还是在目原始干细胞种群()从而使所分离的干细胞表现出多向分化能力,这个问题目前还不能够得出准确结论。在目前研究中MSCs较HSCs更容易观察到多向分化特性,在Ver2
faillie研究中认为产生这一现象的原因是MAPCS细胞表型更
成,36(4):365.
[10],BradleyJM.Mesenchymalstemcellsandtheir
ascardiactherapeutics[J].JCircRes,2004,95(1):9.
[11]Granero2MoltoF,WeiJA,LongobardiL,etal.Roleof
mesenchymalstemcellsinregenerativemedicine:applica2tiontoboneandcartilagerepair.ExpertOpinBiolTher,2008,8(3):255.
[12]周剑锋,光丽霞,李娜,等.大鼠胚胎后肾间充质干细胞体
外诱导分化的实验研究[J].重庆医学,2007,36(5):394.
[13]MerceronC,VinatierC,ClouetJ,etal.Adipose2derived
mesenchymalstemcellsandbiomaterialsforcartilagetis2sueengineering[J].JointBoneSpine,2008,75(6):672.[14]KimS,HonmouO,KatoK.Neuraldifferentiationpoten2
tialofperipheralbloodandbone2marrow2derivedprecur2sorcells[J].BrainRes,2006,1123(1):27.
[15]HeQ,WanC,LiG.Concisereview:multipotentmesen2
chymalstromalcellsinblood[J].StemCells,2007,25(1):69.
[16]史春梦,程天民.真皮多能干细胞促进大鼠急性放射损伤
接近于MSCs。
骨髓是全身主要干细胞聚集场所,而且有零星的报道提示移植后骨髓干细胞在某些病理条件下可以转化为肝脏卵圆细胞[17]。因此有学者推测骨髓中MAPCS是全身其他组织成体干细胞的来源之一。从骨髓来源的这类成体干细胞通过外周循环到达不同组织后在相应组织环境下产生表型变化,进而表现出不同生物学特性。由于目前对于MAPCS的分离纯化及鉴定有相当大的技术难点,因而对MAPCS的认识仍处于起步阶段。相信通过成体干细胞研究工作的深入可以对创伤后的组织修复探索一条新的途径。参考文献:
[1]
Summary.Greatcirculationofstemcell[J].Science,2001,294(5548):1785.
[2]DouglasRM,NancyRC,TerriLH,etal.Isolationand
characterizationofmultipotentialmesenchymalstemcellsfromfelinebonemarrow[J].ExpHematol,2002,30(8):879.
[3]MartinK,ZeevE.AdultStemCellsforTissueRepair22A
造血恢复的研究[J].中华放射医学与防护杂志,2003,23(6):435.
[17]OhSH,WitekRP,BaeSH.Bonemarrow2derivedhepatic
ovalcellsdifferentiateintohepatocytesin22acetylamin2ofluorene/partialhepatectomy2inducedliverregeneration[J].Gastroenterology,2007,132(3):1077.
(收稿日期:2008212216 修回日期:2009201221)
1531
・综 述・
成体干细胞研究进展
3
陈 强1,杨在亮2,孙士锦3综述,张 波2△,王正国2审校
(第三军医大学第三附属医院野战外科研究所/创伤、烧伤与复合伤国家重点实验室:
1.麻醉科;2.第四研究室;3.创伤科,重庆400042)
关键词:成体干细胞;可塑性分化;组织修复
中图分类号:Q254
文献标识码:A
文章编号:167128348(2009)1221531202
细胞分化原则;(2)由于认识及技术上的限制,不能够获得单一种系成体干细胞,因而不能证实单一种系干细胞可以分化为多
胚层来源的有功能特征的细胞;(3)明显的种系转换现象以极低频率出现,实验可重复性差,甚至可能是实验误差所致。由于干细胞表面缺乏特异性表面标志物,实验中不能获得单一克隆的成体干细胞,所以双方实验结果均缺乏有力证据去说服对方,只能作为支持自己观点的佐证。
在质疑成体干细胞“可塑性”的观点中较为有代表性的是
Jiang等[5]在2002年发表的研究报告BMSCs分离出
干细胞自发现以来一直是研究的焦点。自我复制和多向分化特点是干细胞的重要特性,这些特性使得干细胞在再生医学研究中具有极大潜质和广阔应用前景。目前临床上需要干细胞治疗的伤病种类繁多,患者数量惊人,尤其是我国独生子女多,能提供具有相同或相近遗传背景的组织器官的可能性较低,因此对干细胞及其衍生组织需求量巨大,也更为迫切。
骨髓是人体重要器官之一,含大量成体干细胞,而且取材方便,渐渐成为成体干细胞研究焦点。目前对于骨髓内成体干
细胞群研究较多的是造血干细胞(HSCs)及间充质干细胞
(MSCs)。HSCs可以存在于骨髓中,还可以出现在外周血液
一类细胞,,还可以、神经细胞等,从,BMSC及HSCs更,及HSCs表现出广泛的分化潜,(multipotenta2
cells,MAPCS)[6]。
2006年11月Verfaillie课题组研究后报道在猪BMSCs分
循环中,具有广泛的迁移性。干细胞的迁移性被称为“干细胞
[1]
(greatcirculationofstemcell)。Douglas等[2]在对大循环”
HSCs的体外诱导分化实验中观察到CD34+的HSCs可向血
液、神经、肝、肾等功能细胞分化,型体内可发挥相应功能[3]。
(虽然100多年前MSCs,但是直到
1999年MSCs。目前研
离提取出一种细胞,该细胞表型呈现CD44-、CD45-、MHC2I-和MHC2II-,表达Oct3amRNA及Oct3a蛋白,其蛋白水平接近于人hESCs,在细胞培养50代时开始表现出高度的同质性,并可稳定传代100代以上,其细胞端粒酶在传代100代以后仍保持高度活性[7]。细胞诱导分化显示其可以分化为软骨细胞、成骨细胞、脂肪细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞、肝细胞样细
胞、神经细胞样细胞等。在较高细胞培养密度条件下(2000～
8000/cm2),细胞出现MSCs表型(CD44+、MHC2I+),并且可
究发现MSCs、成肌细胞、脂肪细胞、基质细胞成软骨细胞、肌腱细胞等,因此具有重要的研究和应用价值。影响MSCs定向分化的因素很多,不同因素可以诱导其向不同组织细胞分化[4]。2001年Krause等将
BMSCs植入早期胚胎内,发现植入的BMSCs可分化为几乎所
有的机体组织细胞,随后其他几个课题组也分别单独证实通过体外培养方法,BMSCs在不同成分培养液中可以向神经、皮肤、角膜、肌肉、肝、心、骨、软骨、脂肪、肌腱、肺等18种成熟细胞分化。在这些从BMSCs培养出来的分化细胞中包括了内、中、外3个胚层来源的细胞,也就是说其不仅能分化为所驻留的特异组织成熟细胞,而且可以跨系统分化为其他胚层组织细胞,Krause等称这种现象为干细胞的“可塑性”。干细胞的“可塑性”一经报道就立即引起了科学界极大兴趣。假定确实存在上述事实,再生医学将有质的飞跃,不仅具有高层次的理论价值,同时带动相关产业极大发展,具有不可估量的社会效益和经济效益。
随着研究的深入对成体干细胞“可塑性”的观点也提出了不同的认识。Weissman课题组研究后认为成体干细胞“可塑性”在实验中很难进行重复,该观点的提出并不严谨,需要大量实验结果进行验证。目前对成体干细胞“可塑性”的质疑主要集中于以下几点:(1)种系转换违背了已建立的生物进化和干
以典型诱导分化出间充质系细胞(脂肪细胞、成骨细胞、成软骨细胞),但不能诱导分化出内皮细胞、肝细胞样细胞、神经细胞样细胞;即使再次将该细胞置于低细胞密度下培养(100～500/cm2)20代以上,细胞也不再表达Oct3a,细胞也不能再分化为间充质系以外的其他细胞。该实验证实MAPCS在骨髓中确实存在。但也有有学者对Verfaillie研究结果提出了质疑,质疑焦点集中于Verfaillie所采用的实验步骤可能存在一定缺陷,从而影响结果准确性。
关于成体干细胞体外培养的稳定性多数研究结果显示其在体外培养60代以后即出现明显成瘤趋势[829]。这些与Ver2
faillie上述研究结果明显不同,产生这一结果的原因可能在于Verfaillie采用不同的成体干细胞提取方法所致。
目前越来越多学者认可骨髓中含有MAPCS,但由于该细胞缺乏有效的特异性细胞标记物,导致该细胞分离及纯化尚存在非常大的技术困难,当前对其认识主要停留于功能定义方
3基金项目:国家“973”基金资助项目(2005CB522603)。 △ 通讯作者,E2mail:[email protected]。
1532NewTherapeuticConcept[J].NEnglJMed,2003,349(6):570.[4]
PerryTE,RothSJ.Cardiovasculartissueengineering:constructinglivingtissuecardiacvalvesandbloodvesselsusingbonemarrow,umbilicalcordblood,andperipheralbloodcells[J].JCardiovascNurs,2003,18(1):30.[5]JiangY,VaessenB,LenvikT,etal.Multipotentprogeni2
torcellscanbeisolatedfrompostnatalmurinebonemar2row,muscle,andbrain[J].ExpHematol,2002,30(8):896.[6]
KeeneCD,Ortiz2GonzalezXR,JiangY,etal.Neuraldif2ferentiationandincorporationofbonemarrow2derivedmultipotentadultprogenitorcellsaftersinglecelltrans2plantationintoblastocyststagemouseembryos[J].CellTransplant,2003,12(3):201.
[7]ZengL,RahrmannE,HuQ,etal.MultipotentAdultPro2
genitorCellsfromSwineBoneMarrow[J].StemCells,2006,24(11):2355.
[8]RubioD,Garcia2CastroJ,Martin,etal.Spontaneous
humanadultstemcell[J].CancerRes,,65)[9],.面,随着认识的逐步深入,这种细胞可能在对遗传病、重症肌无力、脑中风、心肌梗死、肾功能不全、急慢性肝损伤、股骨头坏死、脊髓损伤、运动神经元病等多种疾病的治疗中发挥积极作用[10211]。
MSCs除了大量存在于骨髓外还存在于成体其他组织中(如肺、脂肪、皮肤等)[12]。有研究发现这种骨髓以外来源MSCs在组织修复中与骨髓来源的MSCs发挥相似作用,二者
均有促进组织修复作用[13]。骨髓来源的MSCs和其他组织来源的MSCs具有不同细胞表型,可以确定骨髓中MSCs和其他组织中MSCs不是同一种细胞。
为了对不同来源的MSCs生物学性质进行探讨,Kim等
[14]
将骨髓来源的MSCs和外周血来源的MSCs分别进行分
化潜能研究,发现尽管MSCs组织来源不同,但它们在多样分化潜能上是一致的,两种来源的MSCs均至少可以分化为神经细胞。对于不同组织来源的MSCs之间是否可以通过外周血中MSCs而联系起来,目前尚未有这方面的研究报道,而且对于是否存在这一联系途径学术界存在一定争议[15]。
为了揭示骨髓以外其他来源的多能成体干细胞的生物学特性,史春梦等[16]对真皮来源MSCs性状进行了深入研究,发现其与骨髓来源的MSCs一样除具有多向分化潜能外,局部应用还对皮肤创伤愈合有促进作用;同时还发现静脉输入体外培养的真皮来源MSCs可以归巢到骨髓内,对放射性损伤骨髓造血机能的恢复有明显促进作用。通过此研究进一步证实真皮多能MSCs与骨髓多能MSCs虽然具有不同生物学性状,同多功能干细胞,。
骨髓内HSCs和MSCs,还是在目原始干细胞种群()从而使所分离的干细胞表现出多向分化能力,这个问题目前还不能够得出准确结论。在目前研究中MSCs较HSCs更容易观察到多向分化特性,在Ver2
faillie研究中认为产生这一现象的原因是MAPCS细胞表型更
成,36(4):365.
[10],BradleyJM.Mesenchymalstemcellsandtheir
ascardiactherapeutics[J].JCircRes,2004,95(1):9.
[11]Granero2MoltoF,WeiJA,LongobardiL,etal.Roleof
mesenchymalstemcellsinregenerativemedicine:applica2tiontoboneandcartilagerepair.ExpertOpinBiolTher,2008,8(3):255.
[12]周剑锋,光丽霞,李娜,等.大鼠胚胎后肾间充质干细胞体
外诱导分化的实验研究[J].重庆医学,2007,36(5):394.
[13]MerceronC,VinatierC,ClouetJ,etal.Adipose2derived
mesenchymalstemcellsandbiomaterialsforcartilagetis2sueengineering[J].JointBoneSpine,2008,75(6):672.[14]KimS,HonmouO,KatoK.Neuraldifferentiationpoten2
tialofperipheralbloodandbone2marrow2derivedprecur2sorcells[J].BrainRes,2006,1123(1):27.
[15]HeQ,WanC,LiG.Concisereview:multipotentmesen2
chymalstromalcellsinblood[J].StemCells,2007,25(1):69.
[16]史春梦,程天民.真皮多能干细胞促进大鼠急性放射损伤
接近于MSCs。
骨髓是全身主要干细胞聚集场所,而且有零星的报道提示移植后骨髓干细胞在某些病理条件下可以转化为肝脏卵圆细胞[17]。因此有学者推测骨髓中MAPCS是全身其他组织成体干细胞的来源之一。从骨髓来源的这类成体干细胞通过外周循环到达不同组织后在相应组织环境下产生表型变化,进而表现出不同生物学特性。由于目前对于MAPCS的分离纯化及鉴定有相当大的技术难点,因而对MAPCS的认识仍处于起步阶段。相信通过成体干细胞研究工作的深入可以对创伤后的组织修复探索一条新的途径。参考文献:
[1]
Summary.Greatcirculationofstemcell[J].Science,2001,294(5548):1785.
[2]DouglasRM,NancyRC,TerriLH,etal.Isolationand
characterizationofmultipotentialmesenchymalstemcellsfromfelinebonemarrow[J].ExpHematol,2002,30(8):879.
[3]MartinK,ZeevE.AdultStemCellsforTissueRepair22A
造血恢复的研究[J].中华放射医学与防护杂志,2003,23(6):435.
[17]OhSH,WitekRP,BaeSH.Bonemarrow2derivedhepatic
ovalcellsdifferentiateintohepatocytesin22acetylamin2ofluorene/partialhepatectomy2inducedliverregeneration[J].Gastroenterology,2007,132(3):1077.
(收稿日期:2008212216 修回日期:2009201221)