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“八仙过海各显神通”——组织干细胞(tissue stem cells)
2018-03-26   来源: 干细胞者说   点击:458

组织干细胞,也称组织特异性干细胞,属于多能干细胞。出现在胎儿发育阶段,并在一生当中持续存在于机体之中,其分化潜力有限,这种细胞能够自我更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。

1.脂肪干细胞

脂肪干细胞具有容易获取,损伤小,获得率高,不易凋亡,无年龄限制,分化能力强等等这些优势,目前被认为是比骨髓间充质干细胞更为理想的“种子细胞”来源。上海交大医学院的崔磊等人用复合可降解的珊蝴材料为支架,体外诱导狗的脂肪干细胞修复颅骨缺损,成功的获得了相当于正常颅骨2/3抗压能力的修复骨骼,说明脂肪干细胞可以在大型动物体内进行骨缺损的修复,为进一步的临床应用提供了实验基础。

脂肪干细胞实际上是一类间充质干细胞,它们是起源于中胚层而定居于脂肪组织中的一类成体干细胞。与其他间充质干细胞类似,都有非常强大的多向分化的能力,可以被广泛的应用于移植治疗和组织工程,是成体干细胞中的“明日之星”。

2001年茹克等人首次从脂肪抽吸物中分离出了具有间充质干细胞特性的脂肪干细胞,有发育成骨、软骨、脂肪、肌肉等多种组织的功能。

培养的脂肪干细胞

脂肪抽吸术是一种利用负压吸引或者超声波、高频电场等物理化学手段,通过穿刺或者较小的皮肤切口,把局部经过预处理的皮下脂肪吸出的一种微创手术。最早是在20世纪60年代由罗德贝尔医生等人创立的。在相当长的一段时间它都是作为一种主要美容手术而流行,直到茹克等人发现了前途无量的脂肪干细胞。最妙的是,脂肪抽吸术还不会影响脂肪干细胞的能力,我们将可以通过一个原本很“无聊”的美容手术来使我们的病人获得新生。

与来自骨髓的间充质干细胞不同,脂肪干细胞的能力不会随着提供者年龄的增加而降低。一般的讲,骨髓组织会随着年龄的增长而逐渐减少,相对的可获取的间充质干细胞也会减少,更糟糕的是细胞的分化能力也会下降。脂肪干细胞的优势就在于,它的附着与增殖能力与年龄无关,而只与提供者的体质有关。施博尔等人发现,来源于不同部位的脂肪干细胞的数量和分化潜能是不同的,白色脂肪内的含量多于棕色脂肪,而与腹部、大腿和乳房来源的脂肪组织相比,人的前臂组织中含有更多的脂肪干细胞(不过我估计如果有选择的话,大多数人还是会更喜欢抽取腹部的脂肪干细胞)。

而与来自骨髓的间充质干细胞一样,脂肪干细胞也有强大的多向分化的能力,用不同的诱导方法可以跨胚层定向分化形成软骨细胞、成骨细胞、脂肪细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞、血管内皮细胞、神经元细胞,肝细胞和上皮细胞等。

但是脂肪干细胞的应用还面临着许多难题:首先,脂肪干细胞与其他间充质干细胞一样,没有特异性的表面标志物,这样对它的鉴定就是一个麻烦;其次,目前为止,对脂肪干细胞的诱导主要还是体外诱导,而且并不能做到充分的分化,诱导出来的细胞功能也与正常成熟的细胞存在差异;第三,体外诱导所用的诱导液含有各种生长因子,价格昂贵不说,还可能与肿瘤有关;最后,现在多数的脂肪干细胞的研究都是体外实验,而体内环境特别是病理情况下的环境与体外环境是不一样的,如何在体内环境特别是病理环境下实现修复也是挑战之一。所以,如何高效、廉价、安全的诱导脂肪干细胞应用于临床还需各国科学家们继续努力。(SVF的全称是Stromal Vascular Fraction,是脂肪组织中的血管基质部分,也就是美容诊所常用的称之为自体脂肪干细胞的东西。至于现在商业上的脂肪干细胞库,咱不讨论好坏,商业行为。)

2.肌肉干细胞

肌肉干细胞是一类直接参与骨骼肌分化的干细胞,在胚胎和成人体内都有存在。实际上,在成人体内存在两类具有干细胞特性又能分化成骨骼肌的干细胞:一类是卫星细胞,也叫成肌祖细胞;另一类是肌源干细胞,又叫旁群细胞。因为绝大多数都是卫星细胞,所以通常大家所说的肌肉干细胞主要指的就是肌肉卫星细胞。

肌肉卫星细胞最早是在1961年由美国洛克菲勒研究所的亚历山大·莫罗在蛙的肌肉中发现的,它们位于骨骼肌纤维的肌细胞膜与基底膜之间,细胞核比较大,细胞质和细胞器相对较少,处于分裂的静止期(也就是说它们与其他类型的成体干细胞一样不怎么分裂)。

其实,肌肉是由两种肌纤维组成的:一种是慢肌纤维,颜色较深,含氧量高,拥有很好的耐力(鸟类就有很多的慢肌纤维,所以可以做长时间飞行);一种是快肌纤维,其颜色较浅,是肌肉力量和爆发力的来源。肌肉卫星细胞主要分布于慢肌纤维,从胚胎到成人,随着年龄增加卫星细胞的比例相对减少,到一定程度后终身维持。

机械性损伤或者某些疾病可以激活肌肉卫星细胞,从而开启肌肉再生:首先是肌肉卫星细胞从静止期激活,经过几轮增殖(包括对称增殖和不对称增殖),大部分卫星细胞分化、融合形成新的肌纤维,或者修复损伤的肌纤维;然后,卫星细胞重新回到静止期,回到基底膜下等待以后的再生。

早在1990年就有科学家研究利用肌肉卫星细胞移植的方法治疗肌营养不良,但一直都没有很好的疗效,估计与免疫抑制治疗的手段不足有关,因为高度纯化的肌肉卫星细胞出现的免疫反应更少,肌细胞也更易融合。因为供体细胞不易取得,体外培养过程又容易分化,肌肉细胞移植的治疗一直举步维艰。

虽然很早就发现了骨骼肌的肌肉干细胞,但同为肌肉,很长一段时间以来大家都认为心肌内不存在肌肉干细胞。一直到2003年贝尔特拉米等人才证明在成年大鼠的心脏中存在有一类可以自我更新、多能分化,形成心肌细胞、平滑肌细胞和血管内皮细胞的肌肉干细胞,这种细胞注入到缺血的心肌后,可以分化成心肌细胞,确认为心肌干细胞。这种细胞在心肌中含量非常之少,只有万分之一到八万分之一,主要分布于心尖和心房处。

3.心肌干细胞

大家有谁听说过心脏癌症的没有?没有吧?这是一个非常困惑科学家们的问题,人体的各个组织和器官都会发生癌症,就是心脏从来没有发现过有癌变的。之前大家认为这可能与心脏内没有干细胞有关,但现在已经证实心肌与其他组织一样都含有干细胞,那么,到底是什么原因造成心脏细胞不会癌变呢?这也是肿瘤研究中非常令人着迷的一个课题。

骨髓源性的心肌干细胞

骨髓源性的心肌干细胞实际上就是骨髓来源的间充质干细胞,在心肌梗死后在细胞粘附分子、趋化因子和生长因子等的共同参与下,改变干细胞与骨髓基质间的相互作用,从骨髓中动员出来,进入外周血液循环,启动早期心肌形成基因,同时表达一定的多能干细胞表面标志,到心肌的局部微环境下可以分化为心肌细胞,也可以分化成内皮细胞和平滑肌细胞。

骨髓源性的心肌干细胞和原位的心肌干细胞都可以在心肌坏死后被动员,增殖分化,修补受损的组织,但是,对于大面积的损伤往往于事无补。所以骨髓间充质干细胞移植,是治疗心肌梗死的一个较新的有效方法,已经在应用于临床了。但是骨髓来源和原位心肌干细胞的研究也方兴未艾,因为这打破了传统认为心肌不可再生的观点,为心脏疾病的治疗注入了新的潜力,通过激活心肌干细胞而不是损伤性的移植来达到修复的目的。

原位的心肌干细胞

心肌细胞一直被认为是终末分化细胞,仅通过肥大来适应增强的工作和对疾病补偿。然而在过去的几年中,大量证据显示无论在正常还是病理状态下,成体心肌组织中均存在具有特异性心肌分化潜能的多能干细胞,即成体心肌干细胞(Cardiac Stem Cells,CSCs)。其主要细胞生物学特性包括:1、具有克隆能力,能够自我更新并具有多能性。2、能在体内外分化为心肌细胞、内皮细胞及血管平滑肌细胞等心脏结构细胞。3、可在心肌损伤局部激活、迁移。研究表明,成年哺乳动物的心脏中存在心肌干细胞巢(Cardiac Stem Cell niches,CSCNs)结构,位于心肌细胞间,是由细胞和细胞间质构成的椭圆形结构。

就目前研究来看,心肌干细胞主要分为C-kit+细胞、心球细胞、Sca-1+细胞、SP细胞、Isl1+细胞等。其中C-kit+细胞和心球细胞研究及应用最为广泛。C-Kit+心脏干细胞在心肌中以细胞簇形式存在,其中心房和心尖处含量较高。在大量动物实验基础上,C-Kit+心脏干细胞移植目前已快速推进到1期临床试验阶段。Bolli等在2011年lancet发表C-Kit+细胞治疗心肌梗塞Ⅰ期临床试验报告。研究的结果证明C-Kit+心脏干细胞移植治疗心肌梗死是安全的,为下一步开展更大规模的Ⅱ期研究提供了基础。试验发现左心射血分数明显改善,梗死面积显著降低。人及小鼠心脏活检标本温和酶消化后可产生一组外形小、圆、亮的未分化细胞,在体外可自发黏附聚集形成细胞团样结构,称之为心球(Cardiosphere)。Makkar等进行的CDCs细胞治疗心肌衰弱临床Ⅰ期试验发现细胞组整体心脏功能无明显改善;但活力心脏面积增加,局部心肌收缩功能改善。(后来发现,其实C-kit+细胞并不是心肌干细胞,是个美丽的误会,就像GDF11是不是年轻因子呢,得问村长去。)

近年来,心脏疾病的发病率与死亡率居高不下。心脏搭桥手术等传统治疗方法虽然可以明显降低死亡率,但心肌梗死区的功能无法再回复,这大大降低了患者的生活质量。心脏干细胞输注治疗心脏疾病是一种新兴治疗方式,是最有可能在不远的将来替代现有医疗技术的治疗方式。利用心肌干细胞对严重心脏病患者实施细胞移植治疗,可望挽救患者的生命。国内外各实验室对CSCs的分离、培养、扩增及贮存等方法很多,实验条件也不尽相同,因此迫切需要建立一种稳定、高效分离纯化成体CSCs的规范方法。成体CSCs自身的稳态平衡和动态变化,及其向心脏功能细胞分化需经历哪些具体过程,有哪些影响因素及如何调控等还不太清楚,需要继续研究以进一步证实。我们相信,随着研究的深入,成体CSCs作为一种新手段将会产生广阔的应用前景。

4.肝脏干细胞

肝脏干细胞并不是特指某一类的细胞,而是指与肝脏发育和再生有关的各类具有干细胞特性的细胞类型的总称。根据这些细胞的来源,我们可以把它们分为肝内源性和肝外源性肝脏干细胞两类,每一类又有几种不同的细胞,但它们都有一个共同的特点,就是可以增殖分化成肝细胞。

肝内源性肝干细胞主要分为三类:肝卵原细胞、小肝细胞和胚胎源性肝细胞。其中主要以卵原细胞为主,所以,如果说狭义的肝脏干细胞,其实就是指卵圆细胞。

卵原细胞的发现其实很早,在1956年就由法伯等人在大鼠的肝脏中发现了,这是一类体积较小、核较大,呈卵圆形的细胞。它们除了有自我更新的功能以外,还可以分化成肝细胞和胆管上皮细胞。平时它们主要定位于肝终末小胆管处,处于静止状态,只有当肝组织发生严重损伤或肝细胞增殖被抑制时,它们才会被动员起来,移动到需要的区域并分化成肝细胞。

需要说明的一点是,实际上普通肝细胞的再生能力本来也是很强的,在很多情况下,小量的肝损伤都可以由肝细胞的自身增殖来修复,只有当肝组织发生严重损伤,或者因为疾病等因素普通肝细胞不能增殖时,卵圆细胞才会披挂上阵,行使修复的功能。

外源性肝干细胞则有很多种,主要有骨髓干细胞(包括造血干细胞和间充质干细胞)、胰脏干细胞和脂肪干细胞,还有很多种成体干细胞在体外也可以诱导成为肝细胞或肝细胞样的细胞但真正应用于临床的,只有骨髓干细胞和胰腺干细胞。前者有强大的分化能力,易于取得和分离,后者与肝细胞不仅有相似的组织结构和相同的起源,而且还有实验表明二者之间可以相互转化。

应用肝脏干细胞治疗肝脏疾病,可以分3个阶段:

(1)当肝脏损坏还不是那么严重时,我们可以根据已有的肝脏干细胞的知识,通过刺激和动员,使卵圆细胞结束休眠,投入到救亡行动中去,拯救自己的肝脏。这需要研究肝脏干细胞在体内分化过程的人为控制,如何营造适宜的微环境和提供适当的细胞因子,以及如何在疾病环境下让这些细胞代替病损的组织而行使正常的生理功能。这些都是摆在科学家面前的挑战和机遇。

(2)当肝脏损坏进一步加剧后,慢条斯理的自我救赎已经不能奏效,那就需要投入新的救亡大军了。这时候我们就可以选择自体干细胞移植或者异体干细胞移植,多数会选择的是骨髓来源的间充质干细胞,我们可以把分离纯化好的间充质干细胞用腹腔镜直接通过门静脉注射到肝脏内,再加上特殊药物,使它们可以在肝脏内扎下根来,并且分化发育成有功能的肝脏细胞,专业上称“区域性原位移植”。但这是一个非常复杂的过程,而每个人的生理病理状态都会影响这一过程,所以如何稳定、高效地达到我们的目标还是科学家们研究的课题。

(3)还有一种方法,就是再造一个组织工程肝。无论是用内源性的还是外源性的肝干细胞,我们先给它一个支架,通常会选用具有良好的生物相容性和生物降解性的三维立体支架,天然的如:胶原、纤黏连蛋白、层黏连蛋白、透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖等,或者也可以用人工合成的高分子材料,如多孔聚乳酸乙醇酸;再使肝组织血管化,就是在我们体外培养的肝组织中构建出丰富的血管和毛细血管网,以提供细胞所需的营养、氧气和细胞因子;最后就是细胞回植,将肝脏干细胞植入到支架上,通过培养,形成组织工程肝,再移植到我们的病人体内。这一技术目前还处于实验阶段,但相信在科学家的努力下在不久的将来可以应用于临床,造福于广大肝病患者。

另外,还有一些比较另类的肝脏干细胞的治疗方法,比如“肝化脾”,就是把肝脏干细胞移植到脾内,让它们在脾内形成有功能的肝组织,从而达到修复的目的。脾脏内有丰富的血管可以使肝脏干细胞在它的红髓内长期生存和分化,但是脾脏内也含有大量免疫细胞,会把70%的肝脏干细胞清除掉,而且有可能会引起强烈的并发症,所以这只是个有益的尝试。

还有一种是将肝脏干细胞移植到肠系膜上,那里也有丰富的血液供应以供肝脏干细胞生长。但是种植的细胞只能在腹腔内悬浮生长,只能短期内改善肝功能,无法长期存活。

不要小看这些另类的方法,科学就是在这些奇思妙想中发展起来的,试错是找到正确途径的有效方法之一。

5.胰腺干细胞

糖尿病是一种常见并受到广泛关注的疾病,全世界约有2.4亿、我国约有5000万糖尿病患者,而绝大多数糖尿病患者都是由于胰岛细胞的损伤和病变造成的。

可以分泌释放胰岛素的胰腺是一个含有内外分泌细胞的器官,受损或病变的胰腺可以进行自我修复,胰腺内分泌细胞也常常需要更新,表明胰腺中存在具有分裂能力,并在分裂后分化成为终末分化细胞的干细胞。2000年由美国的伯杰等首次发现了胰腺干细胞,它们与其他种类的成体干细胞不同,有自己明显的形态学特点(也就是说长得很有特色),可以直接从形态学上就把它们分辨出来。具体的说就是:胰脏干细胞是一种嗜碱性单核细胞(即可被碱性染料染色),圆形,核为圆形或肾形,较大,多含有两个明显的核仁,染色质细腻分散,胞质内无明显的细胞器(看不到颗粒)

胰脏干细胞分布在导管细胞和胰岛中,在适当的刺激下,腺泡细胞和胰岛细胞可以进行分化,而这种分化对环境的依赖性很大,比如层黏连蛋白就是分化胰腺导管细胞所必需的。

从进化的角度来看,无脊椎动物只有肝脏而没有胰脏,但它们的肝脏可以行使胰脏的功能;而高等生物的肝脏和胰脏虽然形成了两个独立的器官,但它们的细胞来源是相同的。所以肝脏干细胞和胰脏干细胞之间可以相互转化也就没什么好奇怪的了。生物学上把这种现象称之为“转分化”,是指一个干细胞或它的后代从一种分化状态转变成另一种分化状态的过程。也就是二次分化。这也是当今干细胞学界的研究热点之一。

在临床上,通过培养糖尿病患者的早期胰腺干细胞可以获得大量具有分泌胰岛素功能的细胞,即可以解决临床材料不足的问题,又可以避免免疫反应,有着巨大的临床应用潜力。


体外诱导分化成功能性胰腺β细胞

令人高兴的是,哈佛大学的干细胞研究人员宣布,他们朝着寻找到真正有效的I型糖尿病疗法迈进了一大步。以人类胚胎干细胞作为起点,科学家们第一次生成了满足细胞移植和医药用途所需的、大量的生成胰岛素的β细胞,它们在大多数方面都与功能正常的β细胞相当。这项新的研究工作发布在《细胞》(Cell)杂志上。

Melton说,当前他们正在一些包括非人类灵长类动物在内的动物模型中,对这些干细胞衍生的β细胞进行试验。

洛克菲勒大学教授、霍华德休斯医学研究所研究员Elaine Fuchs(未参与该研究)将这项研究誉为是“迄今为止干细胞领域最重要的研究进展之一,我和世界各地的许多人们一起为我的同事所取得的这一非常成果鼓掌喝彩。”

1型糖尿病是一种机体杀死自身所有生成胰岛素的胰腺β细胞的自身免疫代谢性疾病。因此,开发治疗的最后临床前步骤涉及保护移植到每个治疗患者体内的近1.5亿细胞免受免疫系统攻击。Melton正与麻省理工学院Koch研究所及医学工程学与科学学院化学工程学系副教授、应用生物学教授Daniel G.Anderson合作,开发一种移植设备来保护这些细胞。

Melton说,Anderson和麻省理工学院的同事们当前正在测试这一设备,到目前为止它已保护移植到小鼠体内的β细胞细胞免于免疫攻击达数月。“它们仍然在产生胰岛素,”Melton说。

Anderson评价Melton实验室的这项新工作是“糖尿病一个极其重要的进展。毫无疑问,能够通过控制干细胞分化生成葡萄糖反应性的人类β细胞细胞,将加速开发出新的疗法。尤其是,这一进展为等待细胞治疗的糖尿病患者提供无限的组织供应打开了大门。

除了糖尿病的治疗之外,研究胰腺干细胞还有一个重大的课题,就是胰腺癌。胰腺癌被称为是“癌症之王”,以恶性程度高、死亡率高而著称。有研究表明,胰岛来源的恶性腺癌可能与胰岛细胞暴露在高浓度的生长因子下有关,这些生长因子包括胰岛素、胰岛素样生长因子和转移生长因子,胰腺癌肿瘤干细胞的发现也证实了这一点,所以对胰腺干细胞的研究也是研究胰腺癌的一个重要课题。

其他成体组织干细胞

其他,还有眼睛里的角膜干细胞和视网膜干细胞(步步以前科普过),肺脏干细胞,肾脏干细胞,表皮干细胞,小肠干细胞等,以后步步会陆续讲述

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