干细胞是一种具有自我复制能力的多潜能细胞具有再生各种组织器官Word格式.docx

1、在受精卵发育成囊胚时，内细胞层的细胞即为胚胎干细胞。与成体来源的多能干细胞不同，ES细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化成成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。2.2成体干细胞成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。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。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明，以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞，说明成体干细胞普遍存在，问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体

2、干细胞经常位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体，与干细胞相互作用，控制干细胞的更新和分化。 造血干细胞：造血干细胞主要存在于骨髓、外周血、脐带血中，是体内各种血细胞的唯一来源，具有重要的临床价值。20世纪50年代，临床上就开始应用骨髓移植来治疗血液系统疾病。八十年代末，外周血干细胞移植技术逐渐被推广使用，提高了治疗的效率并缩短了疗程。近年，脐血干细胞移植的成功，为造血干细胞移植技术注入了新的活力。与前两者相比，脐血干细胞无来源限制，对人类白细胞抗原HLA配型要求不高，且不易受病毒和肿瘤的感染，在临床上具有明显的优势。间充质干细胞：来源于发育早期的中胚层和外胚层。最

3、初在骨髓中发现，因其具有多向分化潜能、造血支持和促进干细胞植入、免疫调控和自我复制等特点而日益受到人们的关注。如间充质干细胞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，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修复。神经干细胞：神经干细胞分布于成人及胚胎的中枢及周围神经系统，在不同的条件下，能够分化为不同类型的神经元。从理论上，任何一种中枢神经系统疾病都可以归结为神经干细胞功能的紊乱。由于血脑屏障的存在，干细胞移植到中枢神经系统后，脑和脊髓不会产生免疫排斥反应。此外，神经干细胞

4、也可应用于药物检测方面，对判断药物的有效性和毒性有一定的作用。胰腺干细胞：胰腺干细胞在人类糖尿病的治疗方面具有广阔的应用前景，胰腺在人体血糖代谢的调节中具有重要作用，其胰岛a细胞分泌胰高血糖素，升高血糖浓度，胰岛b细胞分泌胰岛素，降低血糖浓度。有报道表明干细胞存在于导管细胞中，在器官形成和再生过程中转化、迁移形成新的胰岛，也有人认为胰腺干细胞存在于胰岛或腺泡组织中，也有报道干细胞可来自组织细胞并被诱导成胰岛类似细胞。肿瘤干细胞：肿瘤干细胞是在肿瘤中具有自我更新能力并能够产生特异性肿瘤细胞的细胞，近年来，越来越多的学者认为肿瘤干细胞是恶性肿瘤复发和转移的根源。研究者们相继在乳腺癌、脑肿瘤、胰腺癌

5、、肺癌、肝癌、前列腺癌等中找到了相似的肿瘤干细胞，并更一步证实肿瘤干细胞为肿瘤发生的根源。随着研究的深入，肿瘤干细胞的靶向疗法为恶性肿瘤的治疗带来新的希望。这些不同类型的细胞特性不一，其应用潜力也表现出明显差异。胚胎干细胞成体干细胞原始细胞（淋巴祖细胞、骨髓祖细胞）间充质干细胞造血脐带血扩增潜力分化潜力细胞可获得性免疫原性自体低异体中等高致畸性有否生物过程复杂性表1：不同类型干细胞的特性二、关键技术及应用领域1、iPS技术诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPS cells）是利用病毒载体将四个转录因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-My

6、c）的组合转入分化的体细胞中，使其重编程为类似胚胎干细胞的一种细胞类型。技术优势：iPS细胞同样具有自我更新和分化的全能性，从日本科学家Shinya Yamanaka于2006年第一次发现这一技术到现在，科学家已经成功从小鼠、大鼠、猕猴、猪和人的体细胞中诱导并获得iPS细胞，而且诱导技术也产生了巨大的革新，减少外源转录因子，使用非整合病毒，质粒法等等都能够产生iPS细胞。最近，有报道称利用纯蛋白的方法也可以获得iPS细胞。iPS技术具有巨大的潜在应用价值，利用iPS技术能够获得病人或者疾病特异的多能性干细胞，这样可以避免移植过程中的免疫排斥问题，也绕开了人类胚胎干细胞研究所带来的伦理问题。人类

7、疾病治疗最终目标是根据不同病症的特点，根据每个病人自身的情况采取个性化治疗手段，达到最好的治疗效果。人类iPS细胞技术的问世无疑为建立“个体特异性”或“疾病特异性”治疗手段奠定了良好基础，同时也为研究特定疾病的发病机制提供了良好的方法。图1 iPS技术技术瓶颈：iPS细胞技术的高效与便利为再生医学应用打开了大门，为未来干细胞用于个体治疗带来了新的希望。在人类iPS细胞首次成功获得后，许多研究人员也开始开展类似的研究，使人类iPS细胞研究得到了显著的发展。然而，大部分现有的人类iPS细胞都普遍存在一些缺陷，使其无法应用于临床治疗。首先，通过慢病毒或逆转录病毒介导重编程因子过表达，病毒会随机整合到

8、体细胞中，这种整合会导致细胞的基因突变，而病毒表达的不可调控性会导致插入基因的再激活，导致严重的临床后果；第二，用于重编程的Klf4和c-Myc两种因子具有致癌的作用；最后，iPS细胞重编程过程的效率比较低，在重编程过程中，不完全编程也是造成效率低的原因之一。在实现病人特异性iPS细胞治疗之前，必须首先解决这些问题。技术方向： iPS细胞技术的真正突破将是完全化学iPS，通过化合物条件下的诱导、培养，实现iPS细胞技术的真正临床应用。结合iPS机制研究，寻找替代转录因子的化合物，实现完全化学iPS，在此基础上开发出iPS细胞定向分化为成体组织和器官的技术，以及器官移植技术。改进iPS技术，实现

9、微量化、快速化、自动化，建立高通量筛选模型，筛选已有化合物库，得到临床级别化学iPS细胞。利用生物材料支架、化合物诱导，将iPS细胞向不同类型细胞分化后，进行模块化组装，形成完整的器官。建立大动物移植模型，验证iPS-生物材料人造器官功能，为临床应用做准备。图 2 iPS技术的应用2、胚胎干细胞技术胚胎干细胞是来源于囊胚内细胞团的一种多能细胞，其重要的特征是能够分化为几乎所有种类的细胞。一直以来都是干细胞治疗关注的焦点，但胚胎干细胞的获得一直存在伦理上的争议。现有获得胚胎干细胞的方法主要有核移植法、人工或自然流产的胚胎、辅助治疗中的弃用胚胎以及孤雌增殖法。胚胎干细胞技术的发展将主要集中在以下几

10、个方向：胚胎干细胞的获得。除逐步改进现有胚胎干细胞获得技术外，发展更加高效、安全的获得方法；胚胎干细胞鉴定及标准。标准化胚胎干细胞的鉴定、培养及储存方法，并实现整个过程的自动化；胚胎干细胞的定向分化及器官形成。利用不同的成分配制的无动物源性培养基，诱导胚胎干细胞定向分化，并实现鉴定、分选的全自动化，结合组织工程材料，组装人工器官；胚胎干细胞移植应用。利用胚胎干细胞分化来源地细胞、移植人工器官，评价胚胎干细胞移植应用安全性、有效性。图3： 胚胎干细胞的分离、鉴定及应用示意图治疗领域：胚胎干细胞可用来研究人类疾病的发生机制和过程，如利用胚胎干细胞制造携带相关特定基因的嵌合体动物，可复制和重现出如地

11、中海贫血等疾病模型，以及供人体使用的动物产品。另外，还可以将体细胞核转移到去核的卵母细胞中，利用其发育形成的胚胎干细胞进行治疗性克隆。在细胞替代治疗方面，随着定向诱导因子等领域研究的深入，目前已经能够获得一系列特异性的细胞系，并且已经开展了一系列的临床试验，相信在不久的将来，能够全面实现多种细胞的替代治疗，比如利用神经细胞治疗神经退行性疾病（帕金森病、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默病等），用胰岛细胞治疗糖尿病，用心肌细胞修复坏死的心肌等。药物开发：在药物开发方面，人类胚胎干细胞可以作为药物的检验工具。药物的一些与人类密切相关的指标必须进行临床前的体外测定，包括靶向识别和确认、药品成分效果的筛选，这样

12、才能确保药物的安全性。由于使用普通细胞以及动物细胞存在种种弊端，一些新药对人类的各种影响往往直到临床试验才能够获得。人类胚胎干细胞以其较高的复制能力能够为药物的检验源源不断的提供试验对象。此外，由于利用人类胚胎干细胞可以获取一些特异性的细胞，因此基因的多样性和不同人的差异性对于药物不同的反应也可以在临床前得到解决。所以，人类胚胎干细胞能够实现药物研发程序的彻底改革。3、成体干细胞技术成体干细胞是在成体组织中存在的，仍然具有一定分化功能的细胞，此类细胞只占成体组织中很小的一部分，现在已有利用成体干细胞进行移植治疗的方法。但此类干细胞的获得、扩增及安全性是其推广应用的瓶颈所在。利用成体干细胞进行治

13、疗的技术改进主要集中在以下几个方向：成体干细胞的获得，建立自动化分选系统，从不同组织中分离纯化成体干细胞；成体干细胞的扩增及鉴定，利用化学成分明晰的无动物源性培养系统，大量扩增成体干细胞，并实现整个扩增鉴定过程的自动化；成体干细胞的移植应用，建立去除成体干细胞免疫源性的方法，实现成体干细胞异体移植治疗的无排斥，并评价其有效性、安全性。图4：成体干细胞的分离、鉴定及应用示意图临床研究进展：目前已经发现并开展研究的成体干细胞主要有神经干细胞、脂肪干细胞、造血干细胞、间充质干细胞、皮肤干细胞和肝脏干细胞等，其中造血干细胞研究起步较早，已经能够将其应用于临床，对血液疾病进行治疗，而且经过多年的实践，取

14、得了较好的临床效果。除了造血干细胞外，目前引起科研人员较大兴趣的成体干细胞便是间充质干细胞（MSC）。由于间充质干细胞具有分离较容易；没有明显的免疫原性，使其能够实现异体移植，而不需要免疫抑制药物；不存在伦理上的争议；能够分化为多种组织特异性的细胞；能够促进血管生成等诸多特征，使其在临床上的应用具有广泛的前景。目前已知间充质干细胞能够分化成为心肌细胞、造血细胞、成骨细胞、脂肪细胞、神经细胞等多种细胞。科研人员已经根据间充质干细胞能够分化成为的细胞类型，对其在多种疾病的临床治疗方面发挥的作用进行了研究。小结：综上所述，无论是使用哪一种干细胞，在其应用于临床试验前，都需要将实验室的干细胞研究技术做

15、到标准化、可重复，同时还要不断降低生产成本。要达到这些目标，需要融合各种干细胞技术，形成可靠的技术体系、操作标准和质量控制体系，从而使该技术能够复制，并可以依据个性化治疗原则来针对患者具体情况，通过干细胞移植应用于治疗。对文献的综述表明，干细胞生产过程的设计原则主要包括过程要素、过程功能和过程要求三部分。 图5： 干细胞生产的设计原则比较几项技术，iPS技术尽管从应用上已经取得了很大的进步，但对外源基因或病毒的引入等引起的安全性考虑，诱导效率等方面的限制，使其尚未成为干细胞临床试验研究的重点。胚胎干细胞、成体干细胞仍然是目前干细胞临床研究中所使用的主要材料。干细胞的发育受多种内在机制和微环境因

16、素的影响。目前人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。最新研究发现，成体干细胞可以横向分化为其他类型的细胞和组织，为干细胞的广泛应用提供了基础。干细胞与器官移植成功的关键取决于移植的安全性和有效性。与药物开发相比，活体细胞与组织器官移植的安全性和有效性的难度更大、风险更高。为提高移植安全性和有效性评价，必须建立系统的评价体系。建立干细胞质控技术标准，利用干细胞生物学与技术发展的科研成果，系统地分析干细胞的特征，包括表面分子表达的定量指标、基因表达图谱、标准分化能力的定量与定性标准、动物培养成份指标、微生物或其他可能有害物质的定量标准。三、国外干细胞发展现状、研发机构及重点企业3.1国际概况干细胞的

17、研究起源于二十世纪60年代，加拿大科学家发现并命名造血干细胞后，各国陆续开展干细胞的研究，1996年多利羊诞生，引发了世界干细胞研究的热潮，但是由于涉及伦理等诸多因素，美国等西方发达国家限制胚胎干细胞的研究应用，除骨髓干细胞用于治疗白血病的技术被广泛使用外，其它干细胞治疗的临床应用进展缓慢。2009年奥巴马政府宣布对胚胎干细胞研究解禁，国际干细胞研究开始新一轮的发展热潮。目前国际上已经完成了干细胞对糖尿病、帕金森氏综合症、老年痴呆症、重症肝炎、角膜病和白血病等多种疾病治疗的动物实验，并陆续开展临床试验。美国国立卫生研究院（NIH）的统计资料表明，截至2010年5月，在NIH注册的全球干细胞相关

18、的临床试验共有3036项。从干细胞领域开展临床试验的研究阶段来看，I期临床研究911项，II期临床研究1586项，III期临床研究407项，IV期临床研究71项。可见，大部分临床试验都集中在临床I期和II期阶段，即研究干细胞相关药物在人体内的代谢特征和药物的疗效，同时对药物的安全性进行评估。从开展临床试验的疾病种类来看，以免疫系统疾病、淋巴系统疾病和血液疾病居多。其中开展免疫系统疾病干细胞相关疗法的研究有1344项，淋巴系统疾病1126项，血液疾病1002项，白血病1113项。图6： 2010年全球干细胞临床研究的地区分布3.2国外干细胞研究机构自Thomson等人首次分离并建立了第一个人类胚

19、胎干细胞系以来，干细胞研究就成为再生医学研究领域的热点。干细胞技术的发展将改变传统的用药和手术治疗模式，成为治疗糖尿病、白血病、恶性肿瘤和心脑血管病等难治性疾病的主要手段，将给生物医药领域乃至人类生活带来深刻变化，同时具有巨大的产业化前景和应用优势。因此，各国政府、大学以及研究机构纷纷成立专门的研究中心或实验室，开展干细胞研究，开发新的诊断治疗技术，培养优秀人才，以期能够为人类疾病的治疗开辟更有效的新途径。3.2.1.加州再生医学研究所美国加州再生医学研究所（California Institute for Regenerative Medicine , CIRM）成立于2005年，是由美国加

20、州纳税人出资30亿美元建立的世界上最大的干细胞再生医学基金组织，为干细胞研究、相关研究设施的建立以及其他重要的研究机构提供资助或贷款。据统计，CIRM理事会已经通过了406项干细胞研究和设施建设拨款，涉及55家研究机构，总计11.86亿美元，使得CIRM成为全球对胚胎干细胞研究资助最大的资金来源。此外，CIRM向11个不同国家和地区的机构开放了合作研究基金，其中我国科技部在2009年也曾与CIRM签署干细胞合作协议。3.2.2.哈佛干细胞研究所哈佛干细胞研究所（Harvard Stem Cell Institute，HSCI）成立于2004年，是由哈佛大学、哈佛大学附属医院以及一些公共研究机构

21、组成，其目的是对干细胞进行全面的研究，以期对疾病治疗带来帮助。HSCI主要对三个核心项目进行资助：1）设备仪器及技术共享中心；2）专门研究工具及试剂中心；3）医疗筛选中心。HSCI主要关注的疾病研究包括血液疾病、心血管疾病、癌症、糖尿病、肾病以及神经系统疾病等。同时，HSCI还建立了人类细胞治疗中心，以开发、设计和实施临床前和临床试验，其中包括与美国FDA的交流工作。无论是发表的论文数量或是从事干细胞研究的研究者，哈佛大学干细胞研究所都遥遥领先。此外，HSCI还致力于加速科研成果向产业化的转变，2009年，美国的四分之一从事干细胞研发的新公司都是由HSCI建立的，目前已经有两项产品进入临床试验

22、阶段。3.2.3. McGowan再生医学研究所McGowan再生医学研究所（McGowan Institute for Regenerative Medicine）成立于2001年，由美国匹兹堡大学和匹兹堡大学医学中心（UPMC）联合在McGowan人造器官中心的基础上规划建立。研究所有240多位研究员，2000多名职工，这些研究者来自40多个不同的学科。匹兹堡大学和UPMC每年在再生医学研究领域的投资超过750万美元，这项投资是McGowan研究所主要的经费来源。自2001年成立以来，研究所已经向外扩展15家公司。McGowan再生医学研究所主要从三个重点领域加快在再生医学研究，这三个领域

23、包括：组织工程和生物材料、细胞疗法、医疗设备及人造器官。组织工程的最基本水平是细胞与支架材料结合产生有功能的组织结构。McGowan研究所的研究者们正在开发可降解的聚合物材料，也正试图通过新的途径把填充材料加工成三维结构，并使其能与表面生物信号分子结合。细胞疗法是一个很广阔的领域，McGowan研究所的研究者们正在研究各种遗传疾病的治疗方法。在对中风、糖尿病、大小便失禁、心脏衰竭等以细胞治疗为基础的临床试验中，McGowan研究所有着世界前沿的一套疗法。McGowan研究所在再生医学方面的一个重要目标就是发展先进的技术，期望可以改善组织器官甚至使器官重生。由于与UPMC的从属关系，McGowa

24、n研究所还成为全国最好的临床研究中心之一。UPMC有一系列组织良好和行之有效的临床试验基础设施，为临床研究课题提供了很好的平台。在过去的八年间，匹兹堡大学和UPMC共进行了22项再生医学方面的临床试验。3.2.4.京都大学iPS细胞研究与应用中心京都大学诱导多能干细胞研究与应用中心（Center for iPS Cell Research and Application，CiRA）成立于2008年1月22日，旨在巩固和促进日本在iPS细胞技术上的研究。Shinya Yamanaka实验室在2006年和2007年分别成功诱导小鼠iPS细胞和人类iPS细胞，这些发现使iPS细胞成为了再生医学领域的

25、研究热点之一。此后，日本京都大学便在京都大学合成细胞与材料科学研究所（iCeMS）内建立了CiRA，以促进iPS细胞技术的发展。虽然CiRA的重点仍是基础研究领域，但是已经开始通过谨慎和适当的临床前和临床试验，进行iPS细胞相关的再生医学应用研究。为了促进临床应用目标的实现，2010年4月1日起，CiRA正式成为一个独立的研究机构。中心由研究部门、研究策略部门以及事务部门组成，其中研究部门包括：初期细胞重编程研究部、细胞增殖分化研究部、临床应用研究部、调控科学研究部以及动物实验设施和iPS细胞治疗中心两个附属部门。中心所长由Shinya Yamanaka担任。京都大学还成立了iPS细胞研究基金

26、，从财政上支持iPS细胞的基础研究和临床试验申请。3.2.5.澳大利亚干细胞中心澳大利亚干细胞中心（Australian Stem Cell Centre , ASCC）成立于2002年，旨在为干细胞研究者们提供了一个良好的科研环境，促进澳大利亚生物技术产业的发展，并最终促进人类的健康。澳大利亚干细胞中心的成员包括Monash大学、Queensland大学、Howard Florey中心和Adelaide大学。利益相关机构包括Melbourne大学、Baker IDI、Murdoch儿童研究所、Victor Chang心脏病研究所和Mater医学研究所。ASCC希望通过科学、社会、政府、媒体等

27、多种途径，增加民众对于干细胞及干细胞应用的了解，这将有利于澳大利亚干细胞研究工作的进行。目前，中心有200余位研究者和70多名学生，他们从事30多项干细胞相关的研究工作。中心的主要研究领域包括：生物反应器和干细胞增殖、细胞重编程及多能性诱导、多能干细胞的分化和成体干细胞。3.2.6.罗斯林研究所罗斯林研究所（Roslin Institute of the University of Edinburgh）于1993年在苏格兰中洛锡安罗斯林建立，由英国生物技术和生物科学研究委员会提供赞助。1996年，Ian Wilmut及其同事培育出世界上第一头克隆羊多莉。一年后，带有人类基因的绵羊Polly和M

28、olly也被克隆出来。2003年6月，罗斯林研究所建立了利用人类胚胎克隆提取干细胞的新实验室，由多莉羊之父Ian Wilmut领导。该实验室将系统研究人类胚胎克隆的每一个步骤，研究克隆对胚胎、胎盘、胎儿和动物的影响，并将其与自然受精胚胎和试管受精胚胎相比较。Wilmut认为，该项目将会促进发育生物学基础理论的发展，从而有望吸引许多实验室的注意。1995年，罗斯林研究所成立了罗斯林细胞有限公司。公司是一个非盈利性的企业，用以巩固并拓展罗斯林研究所在人体干细胞研究方面的专业知识。该公司的工作重点在于研究可供临床使用的新细胞系。能够制出临床使用的干细胞是发挥干细胞潜力必须战胜的重大难题。罗斯林细胞公

29、司与苏格兰国家输血服务中心（Scottish NationalBlood Transfusion Service，SNBTS）密切合作，以使其生产出的干细胞系符合“药品生产质量管理规范”的标准，满足临床应用的需求。SNBTS拥有丰富的经验，可在苏格兰国家健康服务中心（Scottish National Health Service）内供应用于临床应用的组织产品。近两年，罗斯林研究所正与我市博雅干细胞研究中心开展相关合作。3.2.7. 苏格兰再生医学中心苏格兰再生医学中心（Scottish Centre for Regenerative Medicine, SCRM）于2011 年投入运营。这座耗资5400 万英镑的世界一流的干细胞研究与医学研究中心将让爱丁堡大学干细胞研究中心（ISCR）罗林斯研究所、爱丁堡大学医学院中享有国际声誉的科学家齐聚一堂。在提供先进的研究设施、领先的生产能力以及商业化便利条件方面，SCRM 将拥有两大主要特色：可以容纳