細胞生物學/幹細胞與醫學

幹細胞生物學 - 幹細胞概述 - 胚胎幹細胞 - 組織幹細胞 - 幹細胞與醫學
隨著對幹細胞與個體生長發育相互關係的認識的不斷加深，科學家們開始意識到了許多重大疾病或特殊生物學現象的發生機制都可以從幹細胞角度進行重新認識，這意味著臨床上的許多疾病的防治研究可以從幹細胞的角度進行，也意味著一些新的防治方法和手段的產生。現就以下幾個方面為例，以顯示幹細胞生物學在醫學科學中的地位和作用。

幹細胞與器官和個體衰老

細胞衰老是細胞的一個基本的生命現象。儘管從形態學和分子生物學方面已有很多的認識，但仍有很多細節尚不清楚，特別是細胞衰老與組織、器官和個體衰老之間的關係仍知道甚少。近幾中，幹細胞概念的引入，形成了以組織特異性幹細胞為基礎，以個體生長發育為主線的四維研究思路，使得這一領域的研究進入了一個新的發展階段。
幾乎所有的組織器官中都有幹細胞的存在，它們的基本功能是要維持其組織器官的結構和功能在其生命過程中的穩定性和平衡性，而且要避免過度生長（如腫瘤）或萎縮的發生。隨著年齡的增加，組織幹細胞發生了顯著的變化，表現為幹細胞數批的變化，靜息和活化狀態的改變以及增殖和分化能力的降低等，最終導致機體組織退化和功能啼礙，產生衰老相關的疾病，如貧血、帕金森、老年痴呆、腫瘤、肌肉萎縮及骨質疏鬆等。
目前，已有一系列研究證據表明組織幹細胞衰老是器官和個體衰老及疾病發生的先決條件。例如： C. Kollman(2001)就曾分析過6978例骨髓造血幹細胞移植病人，骨髓造血幹細胞供體的年齡越大，其成功率就越低，併發症的發生率也越高。這一研究，就暗示了老年個體骨髓造血幹細胞的增殖和分化能力的下降導致了移植後骨髓重建失敗。而且，這一概念在小鼠的研究中也得到了證實，並由此形成了一個解釋造血幹細胞衰老與個體相關疾病發生的關係的模型。按此模型，在自然的狀態下，造血幹細胞的衰老表現為髓系細胞分化的潛能增加和淋巴性細胞的分化潛能的下降。前者會導致髓性白血病基因表達增加和骨髓疾病發生率上升，後者則與免疫能力下降有直接關係。這一機制與臨床數據相符，即急性淋巴細胞白血病主要是青少年疾病，發病率隨著年齡而下降，而急性骨髓性白血病的發病率隨年齡而增加。隨著年齡增加，人頭髮的密度逐漸降低，並且花白，這也歸功於毛囊幹細胞衰老後表現出靜息期的延長和生長期的縮短以及黑色素幹細胞分化為黑素細胞能力的降低。同樣地，機體其他器官老年疾病產生和生理功能的下降都與幹細胞的衰老有著密切的聯繫。
然而隨著對組織千細胞衰老認識的不斷加深，如何減緩幹細胞衰老問題或衰老疾病的發生越來越受到關注。組織幹細胞存在千機體微環境中，其從靜息到活化、增殖和分化都受到微環圾內因子和一系列轉錄信號的調控，因此，組織幹細胞的衰老不可避免受到這些內在因素和外在環境的影響。成體幹細胞的衰老一直被認為不可逆轉，但隨著入們對幹細胞衰老機制的認識和研究，發現可以通過認為干預幹細胞本身的基因表達水平，信號通路、微環境因子或者清除衰老細胞等方式，有望使成體幹細胞發生衰老逆轉。近年來，年輕個體血液逆轉幹細胞衰老的研究成果為實現真正的「返老還童」帶來了新的希望。研究顯示，通過聯體共生(parabiosis)的模型，使得年輕和老年小鼠血液、體液進行交互共享，年輕小鼠血液可以讓老年小鼠骨骼肌千細胞回到更年輕狀態，也可以逆轉老年小鼠衰弱的心臟功能。而後科學家又發現年輕血液中存在著某些蛋白，如GDFll和TIMP2, 這些蛋白不僅可以改善小鼠骨骼肌幹細胞、心肌細胞的功能，還可以改善老年小鼠大腦功能，提高學習和記憶功能。因此，隨著對幹細胞衰老與微環境穩態的進一步理解和研究，有望建立臨床上衰老相關疾病治療和防治的可行方法，改善老年人的健康狀況。

幹細胞與腫瘤的發生和復發

腫瘤的發生和復發問題一直是困擾學術界和臨床醫生的難題，人們一直在試圖從各種角度解釋和找到根源以便能夠徹底根治腫瘤。T. Lapidot在1994年最早提出急性髓樣白血病幹細胞的概念，他們的研究證明了在體外培養的白血病細胞中只有不到1%的細胞能夠在小鼠模型中重建白血病，而且只有CD34⁺CD38^-細胞具有在小鼠體內形成白血病的能力，該分子表型與造血幹細胞的分子表型一致。2001年，通過類比幹細胞與腫瘤細胞，T. Reya等提出了腫瘤幹細胞應該具有組織幹細胞相似的性質，比如數量少；具有自我更新和分化潛能；對組織的形成起決定性作用；表達獨特的與富集和鑑定相關的標記，使用相同的信號傳導通路等等。2004年，M. Al-Hajj等第一次證明了乳腺癌幹細胞的存在，認為在乳腺癌組織中存在的CD44⁺CD24^-細胞對乳腺癌的形成起著決定性的作用。2006年美國癌症研究協會專題討論會將腫瘤幹細胞定義為「腫瘤組織中具有無限自我更新能力、能夠產生腫瘤細胞的異源性後代並進而形成腫瘤的細胞」，並將「在免疫缺陷型小鼠體內形成與原發腫瘤類型相同的腫瘤」作為鑑定腫瘤幹細胞的金標準。這個定義的提出為腫瘤幹細胞的研究打開了一道門。由於這個概念為臨床藥物研發提供了新的思路，所以引起了研究人員的廣泛興趣，隨後腦瘤幹細胞、慢性髓系白血病幹細胞、結腸癌幹細胞、胰腺癌幹細胞、肺癌幹細胞、前列腺癌千細胞、肝癌幹細胞等相繼被鑑定，但是同時也有很多相反的研究結果頻頻出現，甚至有研究表明腫瘤幹細胞實際上是不存在的。2012年來自美國、荷蘭和比利時的研究組分別在《自然》和《科學》雜誌報導，首次利用譜系示蹤的方法在腫瘤的自然棲息地(native habitat)中證明了癌幹細胞的存在。
隨著研究的深入，人們對腫瘤幹細胞的認識也更加全面和完整。在腫瘤幹細胞學說出現後，對腫瘤的發生問題就有了三種模型，一是隨機模型，這是一直以來人們對腫瘤的認識，認為所有的腫瘤細胞都有相同的形成腫瘤的能力，但是哪個細胞能形成腫瘤是隨機事件；二是等級模型，即只有腫瘤幹細胞能夠形成腫瘤，所以治療腫瘤的關鍵是殺死腫瘤幹細胞；第三種模型是演化模型，這個模型引入了腫瘤微環境的概念，結合了上述兩種模型的觀點，但是認為腫瘤微環境的改變創造了普通腫瘤細胞演化為腫瘤幹細胞的條件，所以近年來人們在關注腫瘤幹細胞的同時，特別關注腫瘤微環境的檢測和控制，也有很多研究證實了微環境的改變能夠引起腫瘤細胞「去分化」，這也符合某些組織幹細胞的性質。也有實驗證實放療和某些化療藥物能夠「激活」靜息的腫瘤幹細胞從而促進了腫瘤的發生。因此在利用腫瘤幹細胞理論研究腫瘤發生、復發、轉移時要將腫瘤細胞和其存在的微環境看成一個完整的「腫瘤生態環境」，腫瘤幹細胞、腫瘤細胞可以在這個生態系統中相互轉化，它們與腫瘤微環境之間更是相互依存和相互作用的，並在這個微環境中「物競天擇，適者生存」，從這樣的角度去考慮，才能辯證地找出對付腫瘤的有效方法。
至於腫瘤幹細胞的來源，目前尚無定論。從理論上來講，組織特異性幹細胞、過渡細胞和成熟細胞都有可能是腫瘤幹細胞的源頭細胞，但組織中的幹細胞發生突變的可能性為最大。因為在那些細胞更新旺盛的組織器官內，總是持續地需要有分化成熟的細胞的補充，而這些分化成熟細胞是從所存在的其相應組織器官中的組織特異性幹細胞分化而來的，這些細胞更新旺盛的組織器官中的幹細胞發生突變和積累突變的可能性會很高，出現增殖和分化特性失控的異常幹細胞系（即腫瘤幹細胞系或癌幹細胞系）的可能性也就相應地增大。就現有的知識和活體內的實際情況的複雜性來看，腫瘤的發生是由其組織中的過渡細胞和成熟細胞的轉化而來，或由其他因素所致的可能性還是不能排除的。

幹細胞與組織再生

當組織器官受到某些外來因素的損傷或破壞時，機體可以啟動一種修復機制，以使其受損的組織器官的結構和功能得以恢復。在此過程中，在其損傷組織的局部可有大量的細胞增殖，並可伴隨有細胞的分化和組織的形成，從而使得損傷部位在空間結構上得到修復，以及其功能的恢復。機體修復組織器官損傷的這種現象就叫做組織再生。在成年個體中，組織再生的細胞生物學基礎可有多種情況。其損傷較輕且其鄰近的正常組織還有一定的增殖能力時，鄰近組織的正常細胞就可以分裂而產生新生的細胞，以修復其損傷。但如果其損傷的程度很重，而且涉及多種組織的損傷，此時就可能啟動分化等級更低的細胞（如過渡細胞、前體細胞，甚至組織特異性幹細胞）群體的增殖與分化。例如，若採用外科手術的方法，將肝的2/3切除，剩餘肝的細胞可以快速分裂增殖，並在一周左右便可使其肝體積恢復到本來的大小。這一情況，說明了成熟的肝細胞也有強大的增殖能力，以使之能夠適應各種有害因素所致肝急性損傷修復。在此基礎上，也有研究發現這種再生修復是通過成熟肝細胞的直接分裂來實現的，而並未直接涉及幹細胞。因為有證據表明，若用倒千里光鹼(retrorsine , 為一種生物鹼）處理小鼠一個月後（以抑制其成熟肝細胞分裂增殖），再採用手術的方法將其小鼠的2/3肝切除，隨後便可在肝組織中Hering管的附近發現有膽管反應的發生，而且可以直接觀察到卵圓細胞(oval cell, 為目前公認的一種肝幹細胞）的出現。進而，還可觀察到肝再生現象的發生。這一現象暗示，儘管這種再生修復現象可能是通過成熟肝細胞的直接分裂來實現的，但成熟肝細胞更替的來源則還是幹細胞。目前已有許多證據表明，在一般的組織中，都有處於不同分化狀態的細胞群體的存在。如果從分化程度的角度來看，它們之間有一個潛在的從低到高的等級關係。其中，組織特異性幹細胞處於最為基礎的位置，隨後是過渡細胞，最後是成熟細胞。如果從時間順序和空間結果的角度考慮，則可將它們比喻為一個「樹枝」樣的結構，位於基部的相當於組織特異性幹細胞，處於樹葉位置的則相當於成熟細胞。而且已經知道，從組織特異性幹細胞到成熟細胞的發育過程中，其增殖能力和分化特性呈逐步降低趨勢，到成熟細胞時，其增殖和分化的能力已經十分有限（成熟的肝細胞可以分裂2～3次），甚至已經完全喪失（人體內耳的毛細胞就不能增殖）。其他組織器官也可能會有類似的修復機制，即：根據損傷程度的高低，以啟動其組織中不同分化等級的細胞的增殖與分化的程序，來實現其修復的需求。然而，不同的損傷程度和不同組織類型的修復結果是不一樣的。如果損傷程度較輕，而且鄰近的正常成熟細胞還有一定的分裂增殖能力，其修復後的組織在結構上和功能上可與原先的組織完全一樣，這種修復在醫學上稱為「完全修復」。但如果損傷的程度很重，或者涉及多種組織的損傷，或者其鄰近正常成熟細胞己沒有增殖能力，其修復後的組織在結構上和功能上都有可能與原先的組織不同（如形成肉芽組織或瘢痕組織），這種修復在醫學上稱為「不完全修復＂。由此可見，組織再生的能力和類型與其組織中幹細胞的功能行為是直接相關的。

幹細胞與細胞治療

許多疾病都是細胞功能缺陷或身體器官損傷造成的。作為細胞治療的選擇之一，可以將正常的於細胞或由其分化產生的功能細胞植入病變部位並代償病變細胞喪失的功能。理論上，幹細胞治療最吸引人的地方在千它可以治療一些常規治療方法目前無法治癒的疾病，這些疾病幾乎涉及各種器官系統，包括阿爾茨海默病、腦卒中、癲病、泰-薩克斯(Tay-Sachs)病、心臟病、股骨頭壞死、關節炎、糖尿病、系統性紅斑狼瘡等。
目前可用於幹細胞治療的幹細胞有兩大類，一是多潛能幹細胞，主要包括胚胎幹細胞(ESCs)和誘導型胚胎幹細胞(iPSCs), 二是組織幹細胞。雖然在基礎研究領域，針對這些幹細胞的形態、生化特性、自我更新和分化潛能等諸多方面進行了深入而廣泛的研究，利用動物疾病模型進行幹細胞治療效果評價也有很多成功的例子，但針對於臨床應用的研究還是近幾年的工作。
ES細胞和iPS細胞具有多向分化潛能，是進行幹細胞治療的理想細胞，但是其成瘤性又成為一個致命的缺點。而對那些難以獲得功能性組織千細胞或者相應的組織幹細胞難以在體外獲得足夠數量的疾病，ES細胞和iPS細胞就顯示出應用上的優勢。據美國國立衛生研究院(NIH)的臨床試驗資料庫(clinical trial)的數據，現註冊的利用人的ES細胞來源的視網膜色素上皮細胞治療黃斑變性，利用ES細胞來源的胰腺內皮細胞治療I型糖尿病，利用前體細胞治療心臟衰竭，利用ES細胞來源的少突細胞治療脊椎損傷，都進入了臨床1期或2期研究，而利用iPS細胞誘導分化的實驗研究目前還沒有進入臨床試驗階段。
組織幹細胞的種類繁多，目前開展臨床研究的涉獵范圃很廣，就細胞而言包括間充質幹細胞，內皮細胞和前體細胞，神經幹細胞，角膜緣幹細胞，胎盤來源幹細胞等等；從治療的疾病而言，單就神經幹細胞，治療疾病就包括肌萎縮側索硬化症和慢性脊髓損傷、下肢缺血和休克、神經元蠟樣脂褐質沉積症、頸髓損傷、黃斑退化、脊髓損傷、佩利措伊斯－梅茨巴赫病，等等。
造血幹細胞移植己應用於臨床，它是目前治療血液系統惡性疾病、先天性遺傳病，以及多發性和轉移性惡性腫瘤疾病的最有效的方法之一。早在20世紀50年代，臨床上已開始應用骨髓移植方法來治療血液系統腫瘤。至80年代末，外周血幹細胞移植髮展成熟，在提高治療有效率和縮短療程方面優於常規療法，且有令入滿意的效果。近年來，隨著躋血幹細胞移植技術的不斷改善，可以部分代替目前自體外周血幹細胞移植，為血液病及惡性腫瘤患者帶來福音。到2017年，在美國FDA網站上公布的已經批准上市的涉及幹細胞的產品共有7個，其中5個是利用肪帶血造血前體細胞進行造血和免疫系統重建的，可以進行異體移植。
近年來，非造血系統幹細胞應用於臨床治療上最為成功的是角膜緣幹細胞。2015年，歐盟委員會批准可有條件用於治療角膜緣幹細胞缺乏症。研究人員將患者未受傷眼的少量角膜緣幹細胞取出、擴增並製成幹細胞蒲膜，然後植入到經手術去除灼燒傷的角膜瘢痕組織的部位，結果薄膜能成長為新的角膜組織，取代舊有受損組織。該項實驗在十年間共治療106名患者，其中完全恢復視力者81人、部分恢復者14人。
間充質幹細胞(MSC)的臨床應用研究也正在大範圍的展開。臨床上應用的MSC, 一般是藉助於細胞的貼壁性質進行分離和大量培養，這些間質細胞都表達成纖維細胞的標誌物。因獲取方法簡單，安全性受到肯定。2011年以來，在美國NIH臨床試驗資料庫中註冊的MSC相關項目不斷增加，但大部分都處於臨床一期研究階段，個別項目（躋帶血MSC治療再生障礙性貧血）進入臨床四期研究。
目前幹細胞治療的臨床試驗出現了較多的失敗案例，其根本原因是對幹細胞的生物學行為規律認識不夠。此外，幹細胞治療的倫理和法規問題，也應受到關注。