干細(xì)胞在犬嗅覺(jué)細(xì)胞研究中的應(yīng)用

張 林 洪飛騰

干細(xì)胞在犬嗅覺(jué)細(xì)胞研究中的應(yīng)用

張 林 洪飛騰

干細(xì)胞研究是一門(mén)新興的學(xué)科。從植物的生根、發(fā)芽、生長(zhǎng)、凋亡、復(fù)蘇，人們看到了干細(xì)胞巨大的增殖分化潛能和長(zhǎng)久不衰的生命力，體會(huì)到了干細(xì)胞的神奇和美妙，希望能夠依靠干細(xì)胞的自我更新、高度增殖和多向分化能力，完美地修復(fù)或替代因疾病、創(chuàng)傷、衰老或遺傳因素所造成的組織或器官的缺損或功能障礙。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得干細(xì)胞的分離純化、性能研究、培養(yǎng)擴(kuò)增、誘導(dǎo)分化等有了突破性進(jìn)展，部分干細(xì)胞技術(shù)已開(kāi)始進(jìn)入臨床應(yīng)用。干細(xì)胞生物學(xué)的研究與應(yīng)用幾乎涉及了所有生命科學(xué)和生物醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域，除了在細(xì)胞治療、組織器官移植、基因治療中的重大意義之外，還將在新基因發(fā)掘與基因功能分析、發(fā)育生物學(xué)模型、新藥開(kāi)發(fā)與藥效、毒性評(píng)估等領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響。

一、干細(xì)胞的定義

干細(xì)胞是一類(lèi)具有無(wú)限的或者永生的自我更新能力的細(xì)胞，能夠產(chǎn)生至少一種類(lèi)型的、高度分化的子代細(xì)胞。干細(xì)胞群的功能即為控制和維持細(xì)胞再生。一般來(lái)說(shuō)，在干細(xì)胞核其終未分化的子代細(xì)胞之間存在著被稱(chēng)為“定向祖細(xì)胞”的中間祖細(xì)胞群，它們具有有限擴(kuò)增能力和限制性分化潛能。這些細(xì)胞群的功能是增加干細(xì)胞每次分裂后產(chǎn)生的分化細(xì)胞的數(shù)量。干細(xì)胞具有自我更新的能力，但是干細(xì)胞的分裂實(shí)際上是相對(duì)不對(duì)稱(chēng)的。

目前大多數(shù)生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家認(rèn)為干細(xì)胞是來(lái)自胚胎、胎兒或成體體內(nèi)具有在一定條件下無(wú)限制自我更新與增殖分化能力的一類(lèi)細(xì)胞，能夠產(chǎn)生表現(xiàn)型和基因型和自己完全相同的子細(xì)胞，也能產(chǎn)生組成機(jī)體組織、器官的已特化的細(xì)胞，同時(shí)還能分化為祖細(xì)胞。從功能上講，干細(xì)胞是具有多向分化潛能、自我更新能力的細(xì)胞，是處于細(xì)胞系起源頂端的最原始細(xì)胞，在體內(nèi)能夠分化產(chǎn)生某種特定組織類(lèi)型的細(xì)胞。

二、干細(xì)胞的生物學(xué)特性

多向分化潛能和自我更新是干細(xì)胞的基本特點(diǎn)。具體來(lái)講，干細(xì)胞具有以下一些生物學(xué)特點(diǎn)：①屬非終未分化細(xì)胞，終生保持未分化或低分化特征，缺乏分化標(biāo)記；②在機(jī)體的數(shù)目、位置相對(duì)恒定；③具有自我更新能力；④能無(wú)限的分裂、增殖，干細(xì)胞可連續(xù)分裂幾代，也可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)；⑤具有多向分化潛能，能分化為各種不同類(lèi)型的組織細(xì)胞；也即具有分化發(fā)育的可塑性，在特定的環(huán)境下，能被誘導(dǎo)分化成在發(fā)育上無(wú)關(guān)的細(xì)胞類(lèi)型，其分化受其所處周?chē)h(huán)境的（干細(xì)胞壁龕）影響；⑥分裂的慢周期性；⑦干細(xì)胞通過(guò)兩種方式生長(zhǎng)，一種是對(duì)稱(chēng)分裂，形成兩個(gè)相同的干細(xì)胞，另一種是非對(duì)稱(chēng)分裂方式，非對(duì)稱(chēng)分裂中一個(gè)保持親代的特征，仍作為干細(xì)胞保留下來(lái)，另一個(gè)子細(xì)胞不可逆地走向分化的終端成為功能專(zhuān)一的分化細(xì)胞。

三、胚胎干細(xì)胞的研究

20世紀(jì)60年代開(kāi)始有人對(duì)胚胎干細(xì)胞進(jìn)行描述。1962年Edwards首先觀察到兔胚泡胚胎干細(xì)胞的分化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)胚泡腔內(nèi)細(xì)胞群細(xì)胞具有自動(dòng)分化能力，可以分化為含有神經(jīng)、骨、肌肉等多種細(xì)胞的能力。隨后，人們對(duì)胚胎干細(xì)胞的分離培養(yǎng)進(jìn)行了大量工作，但由于胚胎干細(xì)胞在體外生長(zhǎng)極為困難，細(xì)胞建系十分不易。經(jīng)過(guò)近20多年的發(fā)展，Evans和Kaufman終于在1981年從小鼠胚泡內(nèi)細(xì)胞群中成功分離出胚胎干細(xì)胞，當(dāng)時(shí)稱(chēng)之為多能細(xì)胞。90年代以來(lái)先后報(bào)道了鼠、兔、豬、牛、猴等多種動(dòng)物以及人類(lèi)胚胎干細(xì)胞分離培養(yǎng)，進(jìn)展十分迅速。1995年，Thomson等從恒河猴胚泡獲得第一個(gè)靈長(zhǎng)類(lèi)的胚胎干細(xì)胞系，在取得靈長(zhǎng)類(lèi)的胚胎干細(xì)胞分離和鑒定經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，Thomson又率先從人胚泡內(nèi)細(xì)胞群分離出5個(gè)胚胎干細(xì)胞系，并初步闡述了人類(lèi)胚胎干細(xì)胞的生物學(xué)特性。幾乎在同時(shí)Shamblott等從發(fā)育到5～9周的流產(chǎn)胎兒生殖嵴中分離培養(yǎng)獲得人類(lèi)具有與胚胎干細(xì)胞相似的原生殖細(xì)胞。人類(lèi)胚胎干細(xì)胞系的建立被譽(yù)為生命科學(xué)領(lǐng)域的重大技術(shù)突破，是生命科學(xué)研究史上的重要里程碑。2001年，Wakayama等利用體細(xì)胞核移植克隆胚泡的方法，成功地制備了小鼠核移植胚胎干細(xì)胞系。Robert等正嘗試制備胚胎干細(xì)胞的新方法，即不經(jīng)過(guò)胚泡階段直接從卵裂球獲得胚胎干細(xì)胞。2003年韓國(guó)和美國(guó)科學(xué)家聯(lián)手，利用體細(xì)胞克隆技術(shù)獲得人類(lèi)克隆胚胎干細(xì)胞，這一技術(shù)的成功表明可以用任何人的自體細(xì)胞培育胚胎干細(xì)胞，從而使胚胎干細(xì)胞向臨床應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。2004年，日本科學(xué)家在體外將小鼠的胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為精子和卵子細(xì)胞，結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)胚胎干細(xì)胞具有向生殖細(xì)胞分化的潛能。

四、胚胎干細(xì)胞在犬嗅覺(jué)細(xì)胞研究中的應(yīng)用

犬的靈敏嗅覺(jué)一直是大家津津樂(lè)道的話題。犬的嗅覺(jué)對(duì)空氣中或物體表面微量氣味的探測(cè)以及在眾多復(fù)雜氣體中區(qū)分某種或某類(lèi)氣體具有良好的辨別能力一直是我們?cè)噲D從中探索的研究課題。犬同時(shí)具有良好的服從性和可以被訓(xùn)練的特性以及可以和人類(lèi)友好相處是其他動(dòng)物所不能比擬的。因此，我們選擇犬作為我們的工作伴侶，利用其靈敏的嗅覺(jué)，良好的服從性進(jìn)行各種工作活動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，我們把犬的嗅覺(jué)作為我們的研究對(duì)象，試圖找到其中的奧妙。

犬嗅覺(jué)高度靈敏的原因可能和它的鼻腔結(jié)構(gòu)、嗅覺(jué)細(xì)胞以及大腦中掌管嗅覺(jué)的區(qū)域神經(jīng)等等有關(guān)。嗅上皮位于鼻孔的上部，表現(xiàn)為一個(gè)暴露在外部環(huán)境中的氣體敏感表面。嗅上皮包含了氣體感受器系統(tǒng)，在其上覆蓋著一層黏液層即嗅黏膜。對(duì)人而言，每個(gè)鼻孔中的嗅上皮的面積大概為2.5cm2，嗅上皮包含了大量的感受器神經(jīng)元—嗅細(xì)胞。每個(gè)嗅細(xì)胞上有數(shù)根嗅纖毛通過(guò)黏液層伸出，從而顯著地增加了細(xì)胞的表面積。在嗅神經(jīng)末梢的表面分布著蛋白質(zhì)感受元，其作用如化學(xué)感受器中的感受器，它們與空氣中的氣體接觸，產(chǎn)生刺激反應(yīng)，最終形成嗅細(xì)胞的感受結(jié)果。刺激蛋白質(zhì)感受器的氣體分子首先被黏液吸收，然后擴(kuò)散到纖毛處，與嗅黏膜受體結(jié)合。氣體分子與感受器反應(yīng)，增加了嗅纖毛的通透性，改變了嗅黏膜電導(dǎo)，引起膜電位的變化。這樣嗅細(xì)胞就產(chǎn)生了感受器電位并導(dǎo)致嗅神經(jīng)纖維產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)。目前我們主要研究的是犬嗅覺(jué)細(xì)胞，從嗅覺(jué)細(xì)胞角度上來(lái)查找出高度靈敏的特殊性。既然我們把犬嗅覺(jué)細(xì)胞作為我們的研究對(duì)象，那么我們就必須得到大量的實(shí)驗(yàn)材料——犬嗅覺(jué)細(xì)胞。

胚胎干細(xì)胞具有自我更新和分化形成任何類(lèi)型細(xì)胞的能力，因此，我們可以選用犬胚胎干細(xì)胞，通過(guò)體外培養(yǎng)，再經(jīng)過(guò)定向誘導(dǎo)分化，篩選出我們需要的犬嗅覺(jué)細(xì)胞。通過(guò)方法我們可以得到大量的實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)一步開(kāi)展犬嗅覺(jué)細(xì)胞的研究工作。

從犬胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化出犬嗅覺(jué)細(xì)胞的大致步驟是：先從犬胚胎中篩選出相應(yīng)的細(xì)胞團(tuán)；然后再在體外和飼養(yǎng)細(xì)胞一起進(jìn)行培養(yǎng)，進(jìn)行細(xì)胞擴(kuò)增；再篩選出良好的干細(xì)胞集落；把該細(xì)胞集落打散，繼續(xù)接種培養(yǎng)，篩選出單細(xì)胞；再繼續(xù)培養(yǎng)篩選出核型正常的單細(xì)胞集落；在此基礎(chǔ)上對(duì)該單細(xì)胞克隆進(jìn)行擴(kuò)增，建立相應(yīng)的細(xì)胞系。該細(xì)胞系就能夠穩(wěn)定地進(jìn)行體外傳代培養(yǎng)，從而可以獲得大量的實(shí)驗(yàn)用犬嗅覺(jué)細(xì)胞材料。

公安部南京警犬研究所，210012）

（編輯：李 冰）