幹細胞生物工程

幹細胞生物工程是利用幹細胞在一定條件下進行分化，形成任何類型的組織和器官，實現組織器官等的無排斥移植，幹細胞及其相關產品的研發和產品中試工藝流程的設計；幹細胞及其相關產品套用基礎和臨床前動物實驗；幹細胞及其相關產品的臨床試驗和新的臨床移植技術研究等工作的工程。其套用前景十分廣闊。

幹細胞工程是在細胞培養技術的基礎上發展起來的一項新的細胞工程。幹細胞是一類未分化的細胞或原始細胞，是具有自我複製能力的多潛能APSC多能細胞。幹細胞工程是利用幹細胞的增殖特性，多分化潛能及其增殖分化的高度有序性，通過體外培養幹細胞、誘導幹細胞定向分化或利用轉基因技術處理幹細胞以改變其特性的方法，以達到利用幹細胞為人類服務的目的。

基本介紹

• 中文名：幹細胞生物工程
• 外文名：Stem cell bioengineering

定義

幹細胞（Stem Cells）是一類未分化的細胞或原始細胞，是具有自我複製能力的多潛能細胞。在一定的條件下，幹細胞可以分化成機體內的多功能細胞，形成任何類型的組織和器官，以實現機體內部建構和自我康復能力。現將幹細胞生物工程研究進展情況，作簡要介紹：

分類與來源

根據其發育階段，幹細胞可分為胚胎幹細胞（Embryonic Stem Cell）和成體幹細胞（Adult Stem Cell）。胚胎幹細胞包括ES細胞（Embryonic Stem Cell）、EG 細胞（Embryonic Germ Cell）；成體幹細胞包括神經幹細胞（Neural Stem Ce11， NSC）、血液幹細胞（Hematopoietic Stem Cell，HSC）、骨髓間充質幹細胞（Mesen chymal Stem Cell，MSC），表皮幹細胞（EPidexmis Stem Cell）等。也有報導，按其分化潛能的大小，幹細胞可分為三類：一是全能幹細胞（Totipotent Stem Cell），二是胚胎幹細胞（Embryonic Stem Cell），三是多能幹細胞（Multipotent Stem Ce11）。

據報導，胚胎幹細胞可來源於畸胎瘤細胞（EC）、桑椹球細胞（ES）、囊胚內細胞團（ES）、擬胚體細胞（ES）、生殖原基細胞（EG）等。

當受精卵分裂發育成囊胚時，將內細胞團（Inner Cell Mass）分離出來進行培養，在一定條件下，這些細胞可在體外“無限期”地增殖傳代，同時還保持其全能性，因此被稱為胚胎幹細胞。胚胎幹細胞在培養條件下，若加入白血病抑制因子LIF（Leu kaemia Inhlbitory Factor），則能保持在未分化狀態，若去掉LIF，胚胎幹細胞迅速分化，最終產生多種細胞系，如肌肉細胞、血細胞、神經細胞或發育成“胚胎體”。

據報導，成體幹細胞可以由下列幾個方面得到：（1）胚胎細胞——由胚胎幹細胞定向分化，或移植分化而成。（2）胚胎組織——由分離胚胎組織、細胞分離、或培養而成。（3）成體組織—— 由臍血、骨髓、外周血、骨髓間質、脂肪細胞等得到。

近幾年來，研究證明：幹細胞是自我複製還是分化成為功能細胞，主要由於細胞本身的狀態和微環境因素所決定。幹細胞本身的狀態，包括調節細胞周期的各種周期素（Cyclin）和周期素依賴激酶（Cyclin－Dependent Kinase）、基因轉錄因子、影響細胞不對稱分裂的細胞質因子。微環境因素，包括幹細胞與周圍細胞，幹細胞與外基質以及幹細胞與各種可溶性因子的相互作用。

早在1970年小鼠胚胎於細胞在體外進行培養就已經獲得成功。然而，人胚胎幹細胞的體外培養直到最近才取得進展，1998年，美國科學家Jumes Thomson首次取得了人類胚胎幹細胞在體外的非分化增殖，他們從體外受精的人胚胎內細胞團分離胚胎於細胞，進行體外培養，並獲得了成功，證明了人體胚胎於細胞與嚙齒類動物有極為相似的特點。從而使胚胎幹細胞可能被用來取代病人體內的環損組織細胞，達到治療疾病的目的。該研究的成功，被科學家認為是幹細胞研究中一塊重要的里程碑。

1999年12月美國科學家Margarel Goodell發現小鼠肌肉組織幹細胞可以 “橫向分化”（Trans－Differentiation）成血液細胞，這一發現很快被世界各地的科學家證實，並且發現人成體幹細胞同樣具有“橫向分化”的功能。現在已證明人的骨髓幹細胞可以分化為肝臟細胞、肌肉細胞、神經細胞等。這種橫向分化具有相當的普遍性，也就是說，“橫向分化”可以利用病人自身的健康組織幹細胞，誘導分化病損組織的功能細胞，從而達到治療各種組織壞損性疾病的目的。這種方法的優點是，既可克服由於異體細胞移植的免疫排斥，又可以克服胚胎細胞來源的不足以及其它社會倫理和法律問題。1999年12月幹細胞研究被美國《科學》雜誌評為1999年度世界十大科學之冠。2000年12月幹細胞研究再次被《科學》雜誌評為該年度世界十大科學成就之一。

定義及理解

定義

是具有自我更新和分化發育潛能的原始細胞稱為幹細胞

理解

⑴自我更新：在新陳代謝的基礎上，通過細胞分裂產生新細胞（細胞增殖）

⑵分化發育潛能：幹細胞是原始的細胞，在一定條件下，可以分化成不同的細胞、組織、器官

特點

①具有胚胎細胞的特性，體積較小，細胞核大，核仁明顯

②具有發育的全能性，可分化為成年動物任何一種組織細胞

③在體外培養條件下，胚胎幹細胞可不斷增殖而不發生分化，可進行冷凍保存，也可進行某些遺傳改造

功能特性

①具有發育成完整個體的潛能

②冷凍保存可以進行遺傳改造

③可以進行增殖

套用研究

由於幹細胞具有特定的分化潛能，表現其全能性、多能性和專能性，近幾年來世界各國科學家對幹細胞的臨床套用研究已取得很大的進展，現舉例如下：

胚胎幹細胞育出心臟組織

以色列工學院最近宣布，科學家首次從胚胎幹細胞中培養出人類心臟組織。他們培育出的心臟組織，可以自然跳動，並且有新生心臟組織的電特性和機械性。這項實驗證明：以細胞移植治療心臟病的可能性是巨大的。過去一直認為當心臟細胞受到損害後，不能自行修復，此項發現，對治療世界上最主要的一種致命疾病可能具有重大意義。

骨髓幹細胞育出腎臟組織

英國科學家近日報導，他們已經用骨髓幹細胞培育出了腎臟組織，這在器官移植手術中是一個重大突破。

成人幹細胞治心梗

德國醫生近日宣布，他們使用病人自己的幹細胞治療心肌梗塞取得了可喜的成果。

臍血幹細胞

由乾臍帶血和胎盤含有大量的幹細胞，而幹細胞又具有極強的造血功能，因而受到越來越多醫生的重視和利用。 1979年，醫學界首次發現臍帶血中含有恢復白血病患者造血功能的細胞。自 1998年以來，從胎盤和臍帶血中提取出來的血液已挽救了數百人的生命。

皮膚幹細胞

我國研究人員已發現人體燒傷皮膚 原位處存在著皮膚幹細胞，利用它在一定藥劑調控下能使燒傷皮膚原位再生，修復如初，這是我國在皮膚幹細胞研究及其臨床套用上的重大突破。

神經組織細胞

瑞典神經學家Bjorklund及其同事套用從流產胎兒腦中分離的神經組織細胞，移植人患者的腦中來治療帕金森症，經對術後10年的病人進行跟蹤研究，發現移植的神經元仍然存活，並繼續產生多巴胺，而且患者的症狀得到明顯改善。

胰島幹細胞

美國佛羅里達大學教授Ramiya及其同事從尚未發病的糖尿病小鼠的胰島導管中分離出胰島幹細胞，並在體外誘導這些細胞分化成為產生胰島素的β細胞，移植實驗表明，接受移植的糖尿病鼠血糖濃度控制良好，而對照的小鼠死乾糖尿病。這為幹細胞治療糖尿病奠定了實驗基礎。

以上例子表明，用幹細胞治療許多疑難病症、提供器官移植，以及康復、保健，減輕老化、恢復青春活力等等廣泛套用乾臨床已為期不遠。

研究熱點

幹細胞是目前細胞工程研究最活躍的領域，隨著基礎研究、套用研究的進一步深化，這項技術將會在相當大程度上引發醫學領域的重大變革，它已成為 21世紀生命科學領域的一個熱點。

造血幹細胞是最早發現，研究最多和最先用乾治療疾病的成體幹細胞，長期以來，一直認為幹細胞只屬乾造血系統，隨著幹細胞的不斷深入研究，近年來，幾乎在所有組織中都發現了幹細胞，幹細胞生物學和幹細胞生物工程已成為繼人類基因組大規模測序之後最具活力，最有影響和最有套用前景的生命學科。

臨床上使用的造血幹細胞的三個來源：Ⅰ骨髓 Ⅱ動員後的外周血 Ⅲ臍帶血

造血幹細胞的基本特徵是自我維持和自我更新。正常情況下，造血幹細胞主要進行不對稱性的有絲分裂，在不斷產生大量祖細胞的同時，使自己不增殖也不分化，而造血祖細胞進一步分化為成熟的血細胞，釋放進入血液，從而維持各種血細胞數量的穩定和循環系統的生理功能。在損傷、修復過程中，或者在某些因素的刺激作用下，造血幹細胞則通過對稱性的有絲分裂，迅速實現自我更新。由於造血幹細胞是所有血細胞的始祖細胞，這就決定了造血幹細胞具有重要的臨床套用價值。

美國政府已批准投入巨資，給予支持人體胚胎幹細胞的研究，並在短短的兩年中，成立了幾十家以幹細胞研究套用為主的生物工程公司，並在美國上市。

日本在2000年度啟動的“千年世紀工程”中把幹細胞工程作為四大重點之一，並投入大量資金，鼓勵有關科學家進行研究。

英國在2000年以多數票通過了允許複製人類早期胚胎，並從中提取幹細胞，進行醫療上的研究等等。

在我國，黨和政府也十分重視並大力支持有關研究院所與學校積極開展這項研究工作和成立專門研究幹細胞基地，已在北京、上海、天津分別成立幹細胞研究中心。近年來北京大學、協和醫科大學、上海二醫大和軍事醫學科學院等單位在造血幹細胞研究和成體幹細胞建庫等方面已有相當的基礎，並積累了大量經驗，相信我國的科學家在不久的將來，在幹細胞生物工程研究上必將取得輝煌成就。

另外，在全球的幹細胞生物工程研究中，由乾胚胎幹細胞來源乾人類胚胎，必然會遇到來自社會各方面的制約與爭論，因此，有些國家對於是否支持幹細胞的研究，一直是一個頗有爭議的問題，然而隨著幹細胞生物工程研究的不段深入與發展，相信這些問題都會得到的妥善解決。幹細胞工程是在細胞培養技術的基礎上發展起來的一項新的細胞工程。它是利用幹細胞的增殖特性，多分化潛能及其增殖分化的高度有序性，通過體外培養幹細胞、誘導幹細胞定向分化或利用轉基因技術處理幹細胞以改變其特性的方法，以達到利用幹細胞為人類服務的目的。

工程研究

期刊簡介：

《中國組織工程研究》雜誌（原《中國組織工程研究與臨床康復》）由中華人民共和國衛生部主管，中國康復醫學會與《中國組織工程研究與臨床康復》雜誌社主辦。

雜誌發表關於幹細胞；組織構建；生物材料；骨關節植入物；組織器官細胞移植以及計算機輔助數位化技術的套用基礎及臨床研究，轉化醫學和偱證醫學研究，發表中國組織工程研究領域一流水平的學術、技術創新成果。

研究對象

胚胎幹細胞，臍帶幹細胞，臍血幹細胞，羊膜幹細胞，羊水幹細胞，骨髓間充質幹細胞，造血幹細胞，腫瘤幹細胞，精原幹細胞，生殖幹細胞，成骨幹細胞，軟骨幹細胞，肌肉干細胞，神經幹細胞，脂肪幹細胞，心臟幹細胞，氣管幹細胞，肝臟幹細胞，胰腺幹細胞，胃腸幹細胞，內皮幹細胞，角膜幹細胞，皮膚幹細胞，毛囊幹細胞，乳腺幹細胞，前列腺幹細胞，涎腺幹細胞等幹細胞相關基礎與臨床研究成果，以及血液疾病的造血幹細胞移植相關問題……

研究內容

幹細胞研究的生物學特性、培養與分化、誘導技術、幹細胞與微環境、幹細胞與微小RNA調節、幹細胞因子及相關因子、幹細胞表型與鑑定、幹細胞移植與免疫耐受、細胞移植與基因表達、細胞編程與表觀遺傳、幹細胞保存與質量、幹細胞實驗動物模型等學術和技術的熱點問題。