走进干细胞的世界
在生命科学的浩瀚星河中，干细胞无疑是最具潜力的“种子细胞”，从基础科研的实验室探索，到临床应用的逐步落地，干细胞始终承载着人类对健康长寿、疾病治愈的美好期许。今天，我们就一同走进干细胞的世界，梳理其研究脉络、核心价值与发展前景，解锁这一前沿生物科技的无限可能。
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干细胞的定义
干细胞 (Stem cell，SC) 是指在多细胞生物体发育的早期阶段产生的一类具有自我更新能力，并可分化为多种细胞谱系的细胞 (分化潜能)。干细胞在一定条件下可以分化成为各种不同的组织细胞，进一步可培养形成人体各种组织和器官 (图 1)。目前，干细胞在细胞治疗、器官移植、神经退行性疾病建模和药物筛选等领域得到广泛应用[1,2]。
图 1. 干细胞特征示意图
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干细胞的分类
根据干细胞来源划分：干细胞可分为胚胎干细胞(embryonic stem cells，ESCs) 和成体干细胞(adult stem cells，ASCs）。
胚胎干细胞 (ESCs)：胚胎干细胞 (ESCs) 由于其再分化的能力远高于成体干细胞，拥有分化为三个胚层的细胞的多种分化潜能[3]。在体外可以大量扩增、筛选、冻存和复苏而不会丧失其原有的特性。
图 2. 胚胎干细胞的分化和应用[4]
成体干细胞 (ASCs)：是体细胞或组织特异性干细胞，也是未分化的细胞，存在于机体的各种组织器官中，具备分化为体内各种细胞的潜能。发现的成体干细胞主要有造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞、肝干细胞、肌肉卫星细胞、皮肤表皮干细胞、肠上皮干细胞、视网膜干细胞、胰腺干细胞等。
图 3. 成体干细胞在人体内的主要类型和终端分化方向
根据干细胞的分化潜能可分为：全能干细胞、多能干细胞，单能干细胞。
全能干细胞(Totipotent stem cells) ：全能干细胞的全能性是指具有潜能生成组成胚胎以及支持胚胎在子宫生长发育的全部细胞和组织，并能继续分化一直生长为一个成熟个体[5]。
多能干细胞 (Pluripotent stem cells) ：一种低度分化、分裂能力有限、不具有发育全能性的细胞。与全能干细胞的区别在于无法分化为胚胎外组织细胞的能力。
成体多能干细胞和寡能干细胞：这些细胞的分化潜能稍次于多能干细胞 。成体多能干细胞 (Multipotent stem cells)：如造血干细胞可进一步分化形成体内血小板和红细胞 (图 4)。单能干细胞 (Unipotent stem cells) 只能向一种类型的细胞分化，其发育潜能最低。
图 4. 造血干细胞的分化[6]
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干细胞的培养
干细胞培养需要生长因子和营养物质共同作用来保持分化和发育， 所需的细胞因子主要属于转化生长因子-β 超家族和集落刺激因子两大类别。
转化生长因子-β 超家族 (TGF-βs)：由近 30 个成员组成，其中包括 TGFβ (TGF-β1、TGF-β2 和 TGF-β3)、骨形态发生蛋白 (BMP)、激活素 (Activin A) 和抑制素 (Inhibin)等， 在细胞的生长和分化过程中发挥重要作用[7]。
集落刺激因子 (CSFs)：包括巨噬细胞集落刺激因子 (M-CSF)、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子 (GM-CSF)、粒细胞集落刺激因子 (G-CSF) 和多能集落刺激因子 (multi-CSF/IL-3)，它们被广泛用于促进血细胞发育和分化。
图 5.用于体外产生血小板和红细胞的可溶性细胞因子[6]
04
干细胞的应用
近年来，干细胞疗法在医学、美容等领域中得到了广泛的关注和应用。基于干细胞的疗法，包括人类多能干细胞（hPSCs）和多能间充质干细胞（MSCs）已成为再生医学中的关键参与者。骨髓（BM）、脂肪组织（AT）或脐带（UC）衍生的多能干细胞（hPSCs）或MSCs在治疗人类疾病（包括神经系统疾病、肺功能障碍、代谢/内分泌相关疾病、生殖障碍、皮肤烧伤及心血管疾病）中的临床应用已取得最新进展[9]。正在开展的干细胞治疗临床试验涉及上百种疾病，包括脊髓损伤、脑中风、渐冻症、老年痴呆症、骨关节炎、帕金森、肝硬化、系统性红斑狼疮以及卵巢早衰等等。
图 6. 干细胞在再生医学中的应用[8]
参考文献
1. Tabansky, Inna, and Joel N. H. Stern. “Basics of Stem Cell Biology as Applied to the Brain.” Stem Cells in Neuroendocrinology, edited by Donald Pfaff et. al., Springer, 27 July 2016.pp. 11–24. doi:10.1007/978-3-319-41603-8_2
2. Rathnam, Christopher, et al. "Hybrid SMART spheroids to enhance stem cell therapy for CNS injuries." Science advances 7.40 (2021): eabj2281.
3. Shah, A.A., Khan, F.A. (2021). Types and Classification of Stem Cells. In: Khan, F.A. (eds) Advances in Application of Stem Cells: From Bench to Clinics. Stem Cell Biology and Regenerative Medicine,vol 69.Humana,Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-78101-9_2
4. Mahla RS. Stem Cells Applications in Regenerative Medicine and Disease Therapeutics. Int J Cell Biol. 2016;2016:6940283.
5. Chan, A W et al. “Clonal propagation of primate offspring by embryo splitting.” Science (New York, N.Y.) vol. 287,5451 (2000): 317-9. doi:10.1126/science.287.5451.317
6. Di Buduo, Christian A., et al. "Latest culture techniques: cracking the secrets of bone marrow to mass-produce erythrocytes and platelets ex vivo." haematologica 106.4 (2021): 947.
7. Bloise, Enrrico, et al. "Activin A in mammalian physiology." Physiological reviews 99.1 (2019): 739-780.
8. Mahla RS. Stem Cells Applications in Regenerative Medicine and Disease Therapeutics. Int J Cell Biol. 2016;2016:6940283.
9. M. D H ,T. P P ,Q. T B , et al.Stem cell-based therapy for human diseases[J].Signal Transduction and Targeted Therapy,2022,7(1):272-272.DOI:10.1038/S41392-022-01134-4.