胚胎干细胞的应用前景

韩海荣

【摘 要】干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。它包括胚胎干细胞和成体干细胞。人类胚胎干细胞可以成功地在体外培养。胚胎干细胞经诱导可以分化为其他类型的细胞和组织,为干细胞的广泛应用提供了基础。

【关键词】干细胞 胚胎干细胞 克隆 器官移植

干细胞是一种未充分分化,尚不成熟的细胞,具有再生各种组织器官和人体的潜在功能,医学界称之为“万用细胞”。人类寄希望于利用干细胞的分离和体外培养,在体外繁育出组织或器官,并最终通过组织或器官移植,实现对临床疾病的治疗。

干细胞具有经培养不定期地分化并产生特化细胞的能力。如果与克隆技术相结合,胚胎干细胞便可发展成遗传特征与病人完全吻合的细胞、组织或器官。科学家普遍认为,干细胞的研究将为临床医学提供更为广阔的应用前景。

一、胚胎干细胞

1.胚胎干细胞(ES细胞)的概念

胚胎干细胞是指当受精卵分裂发育成囊胚时内细胞团的细胞,它具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。无论在体外还是体内环境,ES细胞都能被诱导分化为机体几乎所有的细胞类型。进一步说,胚胎干细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性,能分化出成体动物的所有组织和器官,包括生殖细胞。

2.胚胎干细胞的形态学特征

ES细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态结构,细胞核大,有一个或几个核仁,胞核中多为常染色体质,胞质胞浆少,结构简单,胚胎干细胞具有正常的、完整及稳定的染色体核型。体外培养时,细胞排列紧密,呈集落状生长。用碱性磷酸酶染色,ES细胞呈棕红色,而周围的成纤维细胞呈淡黄色。细胞克隆和周围存在明显界限,形成的克隆细胞彼此界限不清,细胞表面有折光较强的脂状小滴。细胞克隆形态多样,多数呈岛状或巢状。

3.胚胎干细胞的全能性

ES细胞的全能性是指ES细胞在解除分化抑制的条件下能参与包括生殖腺在内的各种组织的发育潜力,即ES细胞具有发育成完整动物体的能力,可以为细胞的遗传操作和细胞分化研究提供丰富的试验材料。ES细胞的多能性是指ES细胞具有发育成多种组织的能力,参与部分组织的形成。将ES细胞培养在不含分化抑制物的培养基上,可以形成类胚体。将ES细胞在特定培养基进行培养,可以定向分化成特定组织,如ES细胞在含有白血病抑制因子和维生素A酸(RA)的培养基上,可以分化形成全壁内胚层,将ES细胞与胚胎细胞共同培养或将ES细胞注入囊胚腔中,ES细胞就会参与多种组织的发育。

4.胚胎干细胞的来源

最初,研究者从自然受精的囊胚内细胞团分离获得了胚胎干细胞,后续的研究者们又陆续利用8细胞胚胎、桑椹胚等分离得到具有多分化潜能的细胞。尽管这些不同来源的细胞之间有所差别,人们仍将其统称为胚胎干细胞。从胚胎的来源看,由受精卵发育而来的早期胚胎是胚胎干细胞的经典来源。此外,还有从辅助生殖治疗剩余的胚胎或者流产胚胎获取胚胎干细胞,还能利用体细胞核移植技术制造胚胎用于获取胚胎干细胞。

二、胚胎干细胞的应用前景

1.克隆动物

胚胎干细胞在理论上讲可以无限传代和增殖而不失其正常的二倍体基因型和表现型,所以可以对其进行体外培养至早期胚胎进行胚胎移植,在短期内可获得大量基因型和表现型完全相同的个体,这在保护珍稀野生动物方面有着重要意义。还可对胚胎干细胞进行遗传操作,通过细胞核移植生产遗传修饰性动物,有可能创造新的物种。

2.转基因动物

利用转基因技术,将控制人们所需性状的基因导入到胚胎干细胞中,在体外适宜条件下进行细胞培养,在对其诱导分化,产生一个新的个体即转基因生物体,让其表现人们所需要的性状。如将药用蛋白基因与乳腺蛋白质基因的启动子等调控组件重组在一起,通过显微注射等方法,导入哺乳动物的胚胎干细胞中,然后,将体外培养胚胎干细胞得到的早期胚胎移植到受体子宫内,使其生长发育成转基因动物。该转基因动物进入泌乳期后,可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品,因而使其成为“乳腺生物反应器”或“乳房生物反应器”。

3.器官移植

对胚胎干细胞进行体外培养,经过诱导分化,形成相应的组织和器官,可以用于组织器官的移植,使体内病变的组织器官得以修复并恢复正常功能。而且用自体的细胞进行培养后移植还可以避免异体移植所带来的免疫排斥问题。目前,在动物实验方面,用ES细胞诱导分化出的某些组织细胞已成功地治愈肝衰竭、心衰竭、成骨不良等疑难病症。也许在不久的将来,当我们的身体某一类细胞功能出现异常或退化时,就可以通过诱导ES细胞定向分化来及时修补。

4.胚胎干细胞是研究体外细胞分化的理想材料

ES细胞在添加抑制因子的培养液中,能够维持不分化的状态。在培养液中加入分化诱导因子,如牛黄酸、丁酰环腺苷酸等化学物质时,就可以诱导ES细胞向不同类型的组织细胞分化,这为揭示细胞分化和细胞凋亡的机理提供了有效的手段。

5.胚胎干细胞在哺乳动物个体发育中的研究

由于ES细胞可以分化为胚胎的内胚层、中胚层和外胚层中任何一类细胞,于是可以将带有遗传标记的ES细胞注入早期胚胎的囊胚腔,通过组织化学染色,了解ES细胞的分化特点,这就为研究胚胎发育过程中的细胞分化及组织和器官形成的规律,进而研究动物体器官形成的时间、发育过程以及影响的因素等提供了可能。

6.胚胎干细胞用于治疗疾病

目前,胚胎干细胞已经在多种疾病的治疗中发挥着重要的作用。如帕金森氏综合症是以某些运动障碍(静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势反射丧失)为临床特征的一组疾病。发病是由于多巴胺神经系统病变或损伤引起原发性多巴胺缺损。正常健康状态下,乙酰胆碱和多巴胺的效应之间存在一种平衡状态。患病时多巴胺减少,打破平衡,导致病人活动障碍。所以可以在体外培养胚胎干细胞,并定向诱导其分化成生成多巴胺的神经细胞,可望用于治疗帕金森氏综合症。

三、胚胎干细胞应用中的争议

研究和利用胚胎干细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。然而,人类胚胎干细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议,支持者认为这项研究有助于根治很多疑难杂症,可以利用这项研究诱导胚胎干细胞分化成组织器官进行自体器官移植,以解决在临床医学上存在的器官移植所带来的免疫排斥问题,是一种挽救生命的慈善行为,是科学进步的表现,应该对这项研究予以支持。而反对者则认为,支持进行胚胎干细胞研究就等于是怂恿他人“扼杀生命”,这是不道德的,违反伦理的。进行胚胎干细胞研究就必须在胚胎上“大动手脚”,破坏胚胎,而胚胎也是人尚未成形时在子宫的生命形式。如果这样做就是间接牺牲了一个未来的小生命,所以会惹来很多伦理上的反对和斥责。更有科学家认为,在培养准备阶段,哪怕是微小的变化都可能导致对移植后的细胞质量造成极大的影响。

出于社会伦理学方面的原因,有些国家甚至明令禁止进行人类胚胎干细胞的研究。然而无论从基础研究角度来讲,还是从临床应用方面来看,人类胚胎干细胞带给人类的益处远远大于在伦理方面可能造成的负面影响,所以要求展开人类胚胎干细胞研究的呼声也是越来越高。