疾病的干細(xì)胞基礎(chǔ)

莫顯明

(四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室干細(xì)胞生物學(xué)研究室，四川 成都 610041)

大約在15年前，應(yīng)主編楊志明老師邀請(qǐng)，在《中國(guó)修復(fù)重建外科雜志》發(fā)表了“成體干細(xì)胞與干細(xì)胞疾病”，在文中提出了退行性疾病和增生性疾病可能源于成體干細(xì)胞功能障礙，為干細(xì)胞疾病。隨著對(duì)胚胎發(fā)育探索深入和對(duì)干細(xì)胞特別是成體干細(xì)胞認(rèn)知深入，對(duì)疾病發(fā)病機(jī)理理解深入，認(rèn)識(shí)到疾病特別是非營(yíng)養(yǎng)性和非外因損傷性疾病的發(fā)病基礎(chǔ)均有機(jī)體組織器官結(jié)構(gòu)變異。而組織器官結(jié)構(gòu)變異可能是胚胎發(fā)育過(guò)程中組織器官結(jié)構(gòu)構(gòu)筑出現(xiàn)變異，也可能是在出生后機(jī)體成熟過(guò)程中組織器官生長(zhǎng)重塑過(guò)程出現(xiàn)變異，抑或是在成熟期組織器官維持重塑出現(xiàn)變異，這些變異均可成為疾病的發(fā)病基礎(chǔ)，而這些組織器官的變異基礎(chǔ)均可源于胚胎期的母細(xì)胞或成體干細(xì)胞變異。本文將梗概探討疾病的干細(xì)胞基礎(chǔ)相關(guān)問(wèn)題，不涉及細(xì)胞和分子表型及機(jī)制。

1 干細(xì)胞概述

正常生命個(gè)體在生長(zhǎng)發(fā)育、成熟過(guò)程中組織器官內(nèi)均存在原始細(xì)胞，這類(lèi)細(xì)胞在胚胎發(fā)育時(shí)期，分化發(fā)育形成各種細(xì)胞，構(gòu)建組裝為機(jī)體內(nèi)各種組織器官[1]。在胚胎期發(fā)育成熟個(gè)體出生后，繼續(xù)發(fā)育到成熟期個(gè)體，在這一過(guò)程中，位于各組織器官中的具有多種分化潛能的原始細(xì)胞，分化形成各類(lèi)功能細(xì)胞，除補(bǔ)充維持在生長(zhǎng)過(guò)程中由各種因素導(dǎo)致耗損的組織細(xì)胞外，增大組織器官體積，使組織器官到達(dá)個(gè)體成熟后的體積與大小。在個(gè)體成熟后，組織器官內(nèi)多種分化潛能的原始細(xì)胞分化形成各類(lèi)功能細(xì)胞維持各種因素導(dǎo)致耗損的組織細(xì)胞及個(gè)體適應(yīng)性構(gòu)筑所需的組織細(xì)胞，維持個(gè)體的穩(wěn)態(tài)[2]。這些在生命個(gè)體中具有多種分化潛能的原始細(xì)胞即為干細(xì)胞，干細(xì)胞的根本性特征為多向分化能力與自我更新能力[3]。在機(jī)體生命周期內(nèi)目前確定有兩類(lèi)干細(xì)胞。一類(lèi)是胚胎干細(xì)胞，是早期胚胎發(fā)育過(guò)程中存在的干細(xì)胞，具有形成生命個(gè)體并能傳代的細(xì)胞。一類(lèi)是組織干細(xì)胞或稱為成體干細(xì)胞，這類(lèi)細(xì)胞位于各組織器官中，分化形成各類(lèi)特定組織細(xì)胞，構(gòu)筑和維持特定組織器官結(jié)構(gòu)與功能[4-5]。

干細(xì)胞與其他具有分化能力的細(xì)胞比較，其根本特性為自我更新能力[3]。在細(xì)胞進(jìn)行分裂的時(shí)候，形成與分裂前細(xì)胞一致的兩個(gè)完全一樣的細(xì)胞，這種分裂方式即為自我更新。鑒定干細(xì)胞自我更新能力的手段是動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。胚胎干細(xì)胞的測(cè)定是在動(dòng)物體內(nèi)能夠發(fā)育形成完全的胚胎，并能形成胚胎內(nèi)的生殖細(xì)胞，在胚胎發(fā)育成熟后，胚胎干細(xì)胞來(lái)源的個(gè)體具有生殖能力，能夠傳代。成體干細(xì)胞需要進(jìn)行二次動(dòng)物體內(nèi)移植實(shí)驗(yàn)證明其自我更新的能力。第一次移植后測(cè)試的細(xì)胞能夠在動(dòng)物體內(nèi)分化形成相應(yīng)的組織器官，然后分離出具有測(cè)試細(xì)胞性質(zhì)的細(xì)胞，進(jìn)行第二次動(dòng)物體內(nèi)移植，測(cè)試細(xì)胞能夠再次分化形成相應(yīng)的組織器官，證明成體干細(xì)胞的自我更新能力[3]。由于人體研究的倫理，不能應(yīng)用人體實(shí)驗(yàn)證明人體干細(xì)胞的自我更新能力，通?？梢酝ㄟ^(guò)體外單細(xì)胞分析實(shí)驗(yàn)以及免疫缺陷性動(dòng)物體內(nèi)連續(xù)移植實(shí)驗(yàn)證明人體干細(xì)胞的自我更新能力。

2 成體組織干細(xì)胞

在發(fā)育完成的組織器官中理論上均存在成體干細(xì)胞。在生長(zhǎng)期的個(gè)體，成體干細(xì)胞是組織器官體積增大及適應(yīng)性重塑的來(lái)源細(xì)胞[1]。成體干細(xì)胞經(jīng)過(guò)一系列分化過(guò)程，最終形成具有功能的成熟細(xì)胞，構(gòu)建組織器官。在發(fā)育成熟的個(gè)體中，成體干細(xì)胞是維持組織器官穩(wěn)態(tài)的細(xì)胞，是組織器官損傷、耗損以及適應(yīng)改構(gòu)的來(lái)源細(xì)胞。在組織器官內(nèi)，成體干細(xì)胞分化與自我更新保持平衡，才能夠維持組織器官的穩(wěn)態(tài)與功能[1]。當(dāng)成體干細(xì)胞老化，導(dǎo)致其分化與自我更新的能力下降，不能維持組織器官的穩(wěn)態(tài)與功能，組織器官功能衰退，導(dǎo)致組織器官老化，進(jìn)而導(dǎo)致個(gè)體老化。

2.1 骨髓干細(xì)胞

1908年俄國(guó)組織學(xué)家Alexander Maksimov通過(guò)分析骨髓細(xì)胞，提出了“干細(xì)胞”的概念，他認(rèn)為在血細(xì)胞中有一種類(lèi)似淋巴細(xì)胞的細(xì)胞具有形成多種血細(xì)胞的能力，這種細(xì)胞就是干細(xì)胞。1924年他從骨髓間充質(zhì)中分離到一種能夠分化為多種細(xì)胞的“前體細(xì)胞”，該細(xì)胞后來(lái)被證實(shí)為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞?？茖W(xué)家們對(duì)血細(xì)胞來(lái)源的干細(xì)胞認(rèn)識(shí)來(lái)源于放射線照射的人體和動(dòng)物。人體經(jīng)過(guò)大劑量放射線照射后，導(dǎo)致造血衰竭。在經(jīng)過(guò)放射線照射的動(dòng)物體內(nèi)移植骨髓細(xì)胞，可在受體動(dòng)物脾臟內(nèi)形成包含有紅系、髓系、淋巴系及多核巨細(xì)胞的集落，顯示骨髓內(nèi)有形成各種血細(xì)胞的細(xì)胞。后經(jīng)過(guò)一系列的研究證明骨髓內(nèi)有造血干細(xì)胞，并建立了干細(xì)胞測(cè)試體系[6]。在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，胚胎AGM區(qū)的生血內(nèi)皮細(xì)胞[7]，分化形成造血干細(xì)胞，在人體中先遷移到肝臟，后遷移到骨髓，成為終身維護(hù)機(jī)體血細(xì)胞的細(xì)胞。造血干細(xì)胞在骨髓內(nèi)自我更新維持造血干細(xì)胞數(shù)量，分化形成所有的血細(xì)胞包括淋巴細(xì)胞、髓系細(xì)胞、紅細(xì)胞及巨核細(xì)胞及其子代血小板，隨著年齡的增加，造血干細(xì)胞自我更新能力下降，分化能力下降，分化譜系發(fā)生改變，導(dǎo)致造血系統(tǒng)老化。最終，造血系統(tǒng)不能維持正常功能而衰竭。

2.2 皮膚干細(xì)胞

皮膚干細(xì)胞是目前研究較為充分的干細(xì)胞?，F(xiàn)已知皮膚的干細(xì)胞包括了能夠形成毛發(fā)和表皮的干細(xì)胞、能夠形成毛發(fā)的毛囊干細(xì)胞以及形成表皮的表皮干細(xì)胞三種干細(xì)胞。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)表皮干細(xì)胞位于皮膚毛囊與表皮間的漏斗部[8]；毛囊干細(xì)胞位于毛囊的穹隆部；具有形成毛發(fā)和表皮能力的干細(xì)胞位置目前還沒(méi)有完全清晰，有實(shí)驗(yàn)顯示該類(lèi)干細(xì)胞位于穹隆部和漏斗部交界處。目前還沒(méi)有證據(jù)證明這三種皮膚干細(xì)胞間的關(guān)系。皮膚干細(xì)胞是維持皮膚結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵細(xì)胞，毛囊干細(xì)胞功能不全或有障礙時(shí)，毛發(fā)形成不全或不能形成毛發(fā)。在毛發(fā)移植時(shí)，如果不能移植毛囊干細(xì)胞，則毛發(fā)生長(zhǎng)脫落后，就不能再生。如表皮干細(xì)胞的功能不能被維持，則表皮結(jié)構(gòu)不能維持，出現(xiàn)缺損。

2.3 腸道干細(xì)胞

在1960年代，通過(guò)對(duì)腸道上皮細(xì)胞更新的研究，顯示腸道上皮存在一類(lèi)細(xì)胞，具有更新腸道各種上皮細(xì)胞的能力，即存在腸道上皮干細(xì)胞[9]。通過(guò)轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)標(biāo)記和特異性的基因敲入與敲出證實(shí)，在腸道腸道絨毛隱窩部有Lgr5陽(yáng)性的細(xì)胞[10-11]，具有分化為所有腸道上皮細(xì)胞的能力，包括分泌性細(xì)胞、吸收細(xì)胞、潘氏細(xì)胞等，并具有自我更新的能力，為腸道干細(xì)胞，表達(dá)Bmi1等特異性蛋白。當(dāng)個(gè)體老化后，腸道干細(xì)胞同樣老化，不能很好的補(bǔ)充腸道上皮細(xì)胞的耗損，出現(xiàn)腸道功能的紊亂。

理論上，機(jī)體內(nèi)各種組織器官均有成體干細(xì)胞，以維持組織器官功能與結(jié)構(gòu)所需細(xì)胞的日常耗損、損傷修復(fù)和結(jié)構(gòu)功能重塑[2]。目前已鑒定出的組織器官內(nèi)成體干細(xì)胞有造血干細(xì)胞、骨骼肌干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞及肺上皮干細(xì)胞等。過(guò)去有多種心肌干細(xì)胞被報(bào)道，然而這些鑒定出的心肌干細(xì)胞要么不能被重復(fù)，要么發(fā)現(xiàn)研究結(jié)果造假，到目前還沒(méi)有確切的心肌干細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)。心臟是機(jī)體內(nèi)最繁忙的器官，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生耗損、損傷和結(jié)構(gòu)功能變化等，需要功能細(xì)胞快速的補(bǔ)充、修復(fù)和結(jié)構(gòu)功能重塑，以維持心臟功能的穩(wěn)定和機(jī)體的穩(wěn)定，需要心肌干細(xì)胞參與這些過(guò)程，因此，心肌干細(xì)胞亟待認(rèn)真鑒定并獲得充分研究的。

2.4 成體干細(xì)胞的特性

成體干細(xì)胞在機(jī)體內(nèi)是會(huì)老化。目前研究顯示，老人的骨髓內(nèi)造血干細(xì)胞分化能力、自我更新能力下降，分化譜系改變，淋巴細(xì)胞形成能力下降，髓性細(xì)胞生成增多，紅細(xì)胞形成減少，嚴(yán)重時(shí)形成重度貧血。神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)神經(jīng)干細(xì)胞老化，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞的再生能力下降，神經(jīng)功能下降，不能維持正常的神經(jīng)功能等。成體干細(xì)胞的老化，可能與干細(xì)胞本身的自我更新的次數(shù)有關(guān)。成體干細(xì)胞老化后，對(duì)應(yīng)組織器官功能與結(jié)構(gòu)細(xì)胞的日常耗損、損傷修復(fù)和結(jié)構(gòu)功能重塑能力下降或缺失，導(dǎo)致相應(yīng)組織器官衰竭。目前對(duì)成體干細(xì)胞老化機(jī)制認(rèn)識(shí)甚少。

3 組織器官構(gòu)筑變異導(dǎo)致非營(yíng)養(yǎng)障礙和非外因損傷性疾病

3.1 組織器官構(gòu)筑變異與心血管疾病的關(guān)系

動(dòng)脈粥樣硬化癥波及大血管，導(dǎo)致受累器官出現(xiàn)缺血性病變，是目前最主要發(fā)病與死亡的疾病。動(dòng)脈粥樣硬化癥經(jīng)典病理描述已經(jīng)有上百年歷史，對(duì)于該病變的發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)近期才有所進(jìn)展。動(dòng)脈粥樣硬化癥發(fā)病起始現(xiàn)在已經(jīng)明確是由于動(dòng)脈血管內(nèi)皮細(xì)胞功能與結(jié)構(gòu)變異而引起的[12]。動(dòng)脈血管內(nèi)皮細(xì)胞是高度可變的，在受到血液壓力、高脂、氧化脂蛋白、細(xì)菌、病毒、炎性因子等各種系統(tǒng)性和局部性刺激可導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，改變內(nèi)皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與構(gòu)筑方式。當(dāng)血管內(nèi)皮細(xì)胞受到刺激損傷后，來(lái)自血管壁和血液的干細(xì)胞分化形成功能性的內(nèi)皮細(xì)胞，修復(fù)替代功能和結(jié)構(gòu)變異的內(nèi)皮細(xì)胞，維持血管壁內(nèi)皮層的完整性，保障血管的結(jié)構(gòu)和功能的完整性，以適應(yīng)環(huán)境的變化。在受到刺激損傷后，血管內(nèi)皮細(xì)胞修復(fù)功能障礙，不能維持保障血管的結(jié)構(gòu)和功能的完整性，來(lái)自血液的物質(zhì)如脂蛋白等進(jìn)入到血管壁，誘導(dǎo)一系列的炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致泡沫細(xì)胞形成、血管平滑肌增生等病理改變，繼而進(jìn)一步發(fā)展為粥樣斑塊，誘導(dǎo)一系列的繼發(fā)病變?nèi)缪ㄐ纬傻?，?dǎo)致相應(yīng)組織器官出現(xiàn)缺血性病變[13]。

3.2 組織器官構(gòu)筑變異與腫瘤的關(guān)系

腫瘤包括白血病是由腫瘤細(xì)胞和支持組織構(gòu)筑而成，白血病的腫瘤組織位于其發(fā)生部位骨髓。腫瘤組織內(nèi)含有與成體干細(xì)胞性質(zhì)一致的腫瘤細(xì)胞[14]，該類(lèi)細(xì)胞在動(dòng)物模型中能夠形成與來(lái)源腫瘤高度一致或相似的腫瘤組織并具有自我更新的能力。分離的胃癌、結(jié)直腸癌、肝癌和肺癌的腫瘤干細(xì)胞在動(dòng)物模型中可以形成血管和神經(jīng)等關(guān)鍵的支持組織，顯示腫瘤細(xì)胞可能形成其本身所需的支持組織[15]。雖然在動(dòng)物體內(nèi)獲得人腫瘤細(xì)胞能夠形成支持組織不能排除是由于腫瘤細(xì)胞適應(yīng)性所致，這一結(jié)果提示腫瘤細(xì)胞具有潛在能力形成腫瘤細(xì)胞外的其他組織細(xì)胞，構(gòu)成腫瘤組織，維持腫瘤的生長(zhǎng)。上述結(jié)果也顯示目前對(duì)腫瘤發(fā)生和增長(zhǎng)的認(rèn)知可能與人體內(nèi)腫瘤發(fā)生與生長(zhǎng)有明顯的差距，需要更多的探索。從成體干細(xì)胞維持組織器官的穩(wěn)定性方面入手，可能更好的尋求腫瘤發(fā)生與生長(zhǎng)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力；也有可能腫瘤本身就是組織器官構(gòu)筑變異形成的。

3.3 組織器官構(gòu)筑變異與精神疾病的關(guān)系

目前認(rèn)為精神障礙類(lèi)疾病如精神分裂癥、抑郁、心境障礙等由神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性變異導(dǎo)致的[16]。由中腦腹側(cè)被蓋區(qū)的多巴胺能神經(jīng)元投射到腹側(cè)紋狀體部的伏隔核構(gòu)成的獎(jiǎng)賞回路結(jié)構(gòu)構(gòu)筑變異可能導(dǎo)致心境障礙。精神分裂癥涉及到大腦神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)變異；神經(jīng)元的突起-軸突與樹(shù)突形成變異、突觸連接變異、神經(jīng)元間回路變異、神經(jīng)元分化形成變異、膠質(zhì)細(xì)胞形成變異、神經(jīng)髓鞘變異、小膠質(zhì)細(xì)胞變異等導(dǎo)致神經(jīng)連接回路變異可導(dǎo)致精神分裂癥。中樞神經(jīng)內(nèi)的局部炎癥可導(dǎo)致精神障礙類(lèi)疾病。這些神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)與功能變異包括大腦局部炎癥反應(yīng)，可由神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)育過(guò)程和成體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)維持中出現(xiàn)變異導(dǎo)致。如大腦內(nèi)如果血腦屏障的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑變異，可導(dǎo)致炎性細(xì)胞進(jìn)入到大腦組織內(nèi)，導(dǎo)致無(wú)感染性炎性反應(yīng)；神經(jīng)細(xì)胞分化功能改變，可導(dǎo)致其子代細(xì)胞比例發(fā)生改變，導(dǎo)致神經(jīng)元與小膠質(zhì)細(xì)胞比例發(fā)生改變，誘導(dǎo)大腦局部炎癥等。因此，認(rèn)識(shí)精神障礙類(lèi)疾病需要認(rèn)識(shí)神經(jīng)組織的構(gòu)筑，尋找疾病的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，才能更好的認(rèn)識(shí)這類(lèi)疾病。

3.4 組織器官構(gòu)筑變異與其他疾病的關(guān)系

非營(yíng)養(yǎng)性不良與非外因損傷性的其他疾病如老年性不明原因貧血、老年性糖尿病、甲亢、骨質(zhì)增生、老年癡呆癥、糖尿病、自身免疫性疾病以及各類(lèi)罕見(jiàn)病等均可能由組織器官結(jié)構(gòu)變異引起。感染性疾病如病毒感染疾病的發(fā)生與發(fā)展依賴機(jī)體免疫反應(yīng)與組織器官反應(yīng)與維持。乙型肝炎導(dǎo)致肝臟病變的基礎(chǔ)除機(jī)體對(duì)病毒的免疫反應(yīng)外，肝臟的構(gòu)筑變異是主要病理改變基礎(chǔ)。2019-nCoV導(dǎo)致的肺部病變除病毒性炎癥反應(yīng)外，II型肺泡細(xì)胞功能變異可能是關(guān)鍵的病理變異基礎(chǔ)。

透過(guò)疾病的病理基礎(chǔ)，認(rèn)為非營(yíng)養(yǎng)性與非外因損傷性疾病的發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)是組織器官構(gòu)筑變異。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，由于胚胎期前體細(xì)胞變異，可導(dǎo)致組織器官構(gòu)筑變異，形成先天性疾病或機(jī)體成熟后的相應(yīng)疾病如血管瘤等。在個(gè)體出生后，由于成體干細(xì)胞功能變異，不能維持和重塑體積、功能細(xì)胞數(shù)量與結(jié)構(gòu)性細(xì)胞的數(shù)量，以維持與機(jī)體狀態(tài)一致的組織器官構(gòu)筑，可導(dǎo)致各類(lèi)關(guān)聯(lián)性疾病包括腫瘤。由于這些組織器官構(gòu)筑變異的基礎(chǔ)是源于胚胎期的前體細(xì)胞與出生后的成體干細(xì)胞功能變異，可以將這類(lèi)疾病歸為干細(xì)胞疾病[3]。胚胎期特異胚胎細(xì)胞分化發(fā)育構(gòu)筑特定功能組織器官時(shí)出現(xiàn)變異；在成熟過(guò)程中，由組織器官內(nèi)的成體干細(xì)胞分化及重塑發(fā)育為成熟組織器官出現(xiàn)變異，形成發(fā)育性疾??；成體內(nèi)成體干細(xì)胞分化及重塑維持特定功能的組織器官發(fā)生變異；在成年個(gè)體內(nèi)成體干細(xì)胞分化及重塑并維持正常組織器官內(nèi)細(xì)胞數(shù)量和功能，當(dāng)成體干細(xì)胞自我更新減弱與分化能力減弱，可導(dǎo)致功能細(xì)胞的形成減少，不能滿足組織器官功能的需要，導(dǎo)致相應(yīng)組織器官的功能衰竭均導(dǎo)致非營(yíng)養(yǎng)不良和非外因性損傷性疾病。當(dāng)成體干細(xì)胞的自我更新能力增強(qiáng)，和/或分化障礙時(shí)，細(xì)胞增殖能力變強(qiáng)，引起增生性疾病[3]；當(dāng)成體干細(xì)胞的自我更新減弱，提前老化，或分化不全時(shí)，可導(dǎo)致功能細(xì)胞的形成減少，不能滿足組織器官功能的需要，導(dǎo)致相應(yīng)器官的功能衰竭，形成退行性疾病[3]。要認(rèn)知干細(xì)胞疾病，需要更好的認(rèn)識(shí)胚胎期組織器官構(gòu)筑過(guò)程與機(jī)制；需要建立分離成體干細(xì)胞的技術(shù)體系，獲得足夠的與機(jī)體內(nèi)特性與功能一致的成體干細(xì)胞，充分探索成體干細(xì)胞的形成、分布、維持與老化機(jī)制，探索個(gè)體的成熟過(guò)程與機(jī)制、成熟個(gè)體維持與重塑過(guò)程與機(jī)制，認(rèn)識(shí)成熟個(gè)體老化過(guò)程與機(jī)制，才能尋找到控制干細(xì)胞疾病的方案。