胚胎干細胞的應(yīng)用前景

韓海榮

【摘 要】干細胞是一類具有自我更新和分化潛能的細胞。它包括胚胎干細胞和成體干細胞。人類胚胎干細胞可以成功地在體外培養(yǎng)。胚胎干細胞經(jīng)誘導(dǎo)可以分化為其他類型的細胞和組織,為干細胞的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】干細胞 胚胎干細胞 克隆 器官移植

干細胞是一種未充分分化,尚不成熟的細胞,具有再生各種組織器官和人體的潛在功能,醫(yī)學(xué)界稱之為“萬用細胞”。人類寄希望于利用干細胞的分離和體外培養(yǎng),在體外繁育出組織或器官,并最終通過組織或器官移植,實現(xiàn)對臨床疾病的治療。

干細胞具有經(jīng)培養(yǎng)不定期地分化并產(chǎn)生特化細胞的能力。如果與克隆技術(shù)相結(jié)合,胚胎干細胞便可發(fā)展成遺傳特征與病人完全吻合的細胞、組織或器官?？茖W(xué)家普遍認為,干細胞的研究將為臨床醫(yī)學(xué)提供更為廣闊的應(yīng)用前景。

一、胚胎干細胞

1.胚胎干細胞(ES細胞)的概念

胚胎干細胞是指當(dāng)受精卵分裂發(fā)育成囊胚時內(nèi)細胞團的細胞,它具有體外培養(yǎng)無限增殖、自我更新和多向分化的特性。無論在體外還是體內(nèi)環(huán)境,ES細胞都能被誘導(dǎo)分化為機體幾乎所有的細胞類型。進一步說,胚胎干細胞是一種高度未分化細胞。它具有發(fā)育的全能性,能分化出成體動物的所有組織和器官,包括生殖細胞。

2.胚胎干細胞的形態(tài)學(xué)特征

ES細胞具有與早期胚胎細胞相似的形態(tài)結(jié)構(gòu),細胞核大,有一個或幾個核仁,胞核中多為常染色體質(zhì),胞質(zhì)胞漿少,結(jié)構(gòu)簡單,胚胎干細胞具有正常的、完整及穩(wěn)定的染色體核型。體外培養(yǎng)時,細胞排列緊密,呈集落狀生長。用堿性磷酸酶染色,ES細胞呈棕紅色,而周圍的成纖維細胞呈淡黃色。細胞克隆和周圍存在明顯界限,形成的克隆細胞彼此界限不清,細胞表面有折光較強的脂狀小滴。細胞克隆形態(tài)多樣,多數(shù)呈島狀或巢狀。

3.胚胎干細胞的全能性

ES細胞的全能性是指ES細胞在解除分化抑制的條件下能參與包括生殖腺在內(nèi)的各種組織的發(fā)育潛力,即ES細胞具有發(fā)育成完整動物體的能力,可以為細胞的遺傳操作和細胞分化研究提供豐富的試驗材料。ES細胞的多能性是指ES細胞具有發(fā)育成多種組織的能力,參與部分組織的形成。將ES細胞培養(yǎng)在不含分化抑制物的培養(yǎng)基上,可以形成類胚體。將ES細胞在特定培養(yǎng)基進行培養(yǎng),可以定向分化成特定組織,如ES細胞在含有白血病抑制因子和維生素A酸(RA)的培養(yǎng)基上,可以分化形成全壁內(nèi)胚層,將ES細胞與胚胎細胞共同培養(yǎng)或?qū)S細胞注入囊胚腔中,ES細胞就會參與多種組織的發(fā)育。

4.胚胎干細胞的來源

最初,研究者從自然受精的囊胚內(nèi)細胞團分離獲得了胚胎干細胞,后續(xù)的研究者們又陸續(xù)利用8細胞胚胎、桑椹胚等分離得到具有多分化潛能的細胞。盡管這些不同來源的細胞之間有所差別,人們?nèi)詫⑵浣y(tǒng)稱為胚胎干細胞。從胚胎的來源看,由受精卵發(fā)育而來的早期胚胎是胚胎干細胞的經(jīng)典來源。此外,還有從輔助生殖治療剩余的胚胎或者流產(chǎn)胚胎獲取胚胎干細胞,還能利用體細胞核移植技術(shù)制造胚胎用于獲取胚胎干細胞。

二、胚胎干細胞的應(yīng)用前景

1.克隆動物

胚胎干細胞在理論上講可以無限傳代和增殖而不失其正常的二倍體基因型和表現(xiàn)型,所以可以對其進行體外培養(yǎng)至早期胚胎進行胚胎移植,在短期內(nèi)可獲得大量基因型和表現(xiàn)型完全相同的個體,這在保護珍稀野生動物方面有著重要意義。還可對胚胎干細胞進行遺傳操作,通過細胞核移植生產(chǎn)遺傳修飾性動物,有可能創(chuàng)造新的物種。

2.轉(zhuǎn)基因動物

利用轉(zhuǎn)基因技術(shù),將控制人們所需性狀的基因?qū)氲脚咛ジ杉毎?在體外適宜條件下進行細胞培養(yǎng),在對其誘導(dǎo)分化,產(chǎn)生一個新的個體即轉(zhuǎn)基因生物體,讓其表現(xiàn)人們所需要的性狀。如將藥用蛋白基因與乳腺蛋白質(zhì)基因的啟動子等調(diào)控組件重組在一起,通過顯微注射等方法,導(dǎo)入哺乳動物的胚胎干細胞中,然后,將體外培養(yǎng)胚胎干細胞得到的早期胚胎移植到受體子宮內(nèi),使其生長發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物。該轉(zhuǎn)基因動物進入泌乳期后,可以通過分泌的乳汁來生產(chǎn)所需要的藥品,因而使其成為“乳腺生物反應(yīng)器”或“乳房生物反應(yīng)器”。

3.器官移植

對胚胎干細胞進行體外培養(yǎng),經(jīng)過誘導(dǎo)分化,形成相應(yīng)的組織和器官,可以用于組織器官的移植,使體內(nèi)病變的組織器官得以修復(fù)并恢復(fù)正常功能。而且用自體的細胞進行培養(yǎng)后移植還可以避免異體移植所帶來的免疫排斥問題。目前,在動物實驗方面,用ES細胞誘導(dǎo)分化出的某些組織細胞已成功地治愈肝衰竭、心衰竭、成骨不良等疑難病癥。也許在不久的將來,當(dāng)我們的身體某一類細胞功能出現(xiàn)異常或退化時,就可以通過誘導(dǎo)ES細胞定向分化來及時修補。

4.胚胎干細胞是研究體外細胞分化的理想材料

ES細胞在添加抑制因子的培養(yǎng)液中,能夠維持不分化的狀態(tài)。在培養(yǎng)液中加入分化誘導(dǎo)因子,如牛黃酸、丁酰環(huán)腺苷酸等化學(xué)物質(zhì)時,就可以誘導(dǎo)ES細胞向不同類型的組織細胞分化,這為揭示細胞分化和細胞凋亡的機理提供了有效的手段。

5.胚胎干細胞在哺乳動物個體發(fā)育中的研究

由于ES細胞可以分化為胚胎的內(nèi)胚層、中胚層和外胚層中任何一類細胞,于是可以將帶有遺傳標(biāo)記的ES細胞注入早期胚胎的囊胚腔,通過組織化學(xué)染色,了解ES細胞的分化特點,這就為研究胚胎發(fā)育過程中的細胞分化及組織和器官形成的規(guī)律,進而研究動物體器官形成的時間、發(fā)育過程以及影響的因素等提供了可能。

6.胚胎干細胞用于治療疾病

目前,胚胎干細胞已經(jīng)在多種疾病的治療中發(fā)揮著重要的作用。如帕金森氏綜合癥是以某些運動障礙(靜止性震顫、肌強直、運動遲緩和姿勢反射喪失)為臨床特征的一組疾病。發(fā)病是由于多巴胺神經(jīng)系統(tǒng)病變或損傷引起原發(fā)性多巴胺缺損。正常健康狀態(tài)下,乙酰膽堿和多巴胺的效應(yīng)之間存在一種平衡狀態(tài)。患病時多巴胺減少,打破平衡,導(dǎo)致病人活動障礙。所以可以在體外培養(yǎng)胚胎干細胞,并定向誘導(dǎo)其分化成生成多巴胺的神經(jīng)細胞,可望用于治療帕金森氏綜合癥。

三、胚胎干細胞應(yīng)用中的爭議

研究和利用胚胎干細胞是當(dāng)前生物工程領(lǐng)域的核心問題之一。然而,人類胚胎干細胞的研究工作引起了全世界范圍內(nèi)的很大爭議,支持者認為這項研究有助于根治很多疑難雜癥,可以利用這項研究誘導(dǎo)胚胎干細胞分化成組織器官進行自體器官移植,以解決在臨床醫(yī)學(xué)上存在的器官移植所帶來的免疫排斥問題,是一種挽救生命的慈善行為,是科學(xué)進步的表現(xiàn),應(yīng)該對這項研究予以支持。而反對者則認為,支持進行胚胎干細胞研究就等于是慫恿他人“扼殺生命”,這是不道德的,違反倫理的。進行胚胎干細胞研究就必須在胚胎上“大動手腳”,破壞胚胎,而胚胎也是人尚未成形時在子宮的生命形式。如果這樣做就是間接犧牲了一個未來的小生命,所以會惹來很多倫理上的反對和斥責(zé)。更有科學(xué)家認為,在培養(yǎng)準(zhǔn)備階段,哪怕是微小的變化都可能導(dǎo)致對移植后的細胞質(zhì)量造成極大的影響。

出于社會倫理學(xué)方面的原因,有些國家甚至明令禁止進行人類胚胎干細胞的研究。然而無論從基礎(chǔ)研究角度來講,還是從臨床應(yīng)用方面來看,人類胚胎干細胞帶給人類的益處遠遠大于在倫理方面可能造成的負面影響,所以要求展開人類胚胎干細胞研究的呼聲也是越來越高。