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干细胞研究的最新突破：从实验室发现到患者应用

Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications. Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–321 min2025-08-19

Original medical illustration for: Recent Breakthroughs in Stem Cell Research: From Lab Discoveries to Patient Applications

要点

干细胞能够自我更新，并分化为来自三个胚层的特化细胞类型。
存在五种主要的干细胞类型：胚胎干细胞、极小胚胎样干细胞、核移植干细胞、重编程干细胞和成体干细胞。
诱导多能干细胞 (iPSCs) 可以从尿液样本等成体细胞中衍生而来。
核移植干细胞已被用于克隆灵长类动物，从而助力疾病研究。
针对视网膜和脊髓移植的干细胞临床试验正在进行中。

引言

在过去20年中，干细胞研究经历了革命性的变化，尤其是在过去十年中取得了快速进展。该领域始于1961年，当时加拿大研究人员James A. Till博士和Ernest A. McCulloch博士首次在小鼠骨髓中发现能够分化为多种细胞类型的干细胞，从而确立了多能干细胞（PSCs）的概念——即能够成为体内任何类型细胞的细胞。

该领域取得了几个关键里程碑：1996年利用体细胞核移植（SCNT）克隆出绵羊Dolly；1998年分离出首例人类胚胎干细胞（hESCs）；2006年通过仅用四个转录因子重编程成年细胞，创造出诱导多能干细胞（iPSCs）。Shinya Yamanaka和John Gurdon因展示成熟细胞可被重编程为多能状态的工作而获得2012年诺贝尔奖，这些发现的重要性由此得到认可。

研究人员通过系统综述确定了五类主要的干细胞：胚胎干细胞（ESCs）、极小胚胎样干细胞（VSELs）、核移植干细胞（NTSCs）、重编程干细胞（RSCs）和成体干细胞。每种类型在临床应用中都提供独特的优势和挑战。只有NTSCs已被用于生成完整的生物体（2018年在中国进行的猴子实验），而其他类型则被用于生成组织和器官。

干细胞，特别是ESCs和iPSCs，在四大领域展现出巨大的前景：再生与移植医学、疾病建模、药物发现筛选以及人类发育生物学。该领域正从最初的发现扩展到更广泛的临床应用，尽管仍面临挑战——尤其是随着iPSC重编程技术相对较新，细胞增殖和分化控制方面仍存在困难。

多能干细胞的来源

多能干细胞（PSCs）具有两个基本特征：自我更新能力（增殖能力）和多能性（分化为源自三个主要胚层之一——外胚层、内胚层或中胚层的特化细胞类型的能力）。研究人员使用三种主要实验来测试小鼠模型中的多能性。

畸胎瘤形成实验通过将细胞移植到免疫缺陷小鼠体内，评估来自所有三个胚层的分化组织的自发产生情况。嵌合体形成实验通过在早期胚胎（2N囊胚）中注射干细胞，测试干细胞是否有助于发育，并检查供体细胞是否具有种系传递能力、能否生成功能性配子以及是否保持染色体完整性。四倍体（4N）互补实验通过将细胞注入4N胚胎并监测生长阶段，确定整个生物体内多能细胞的潜力，观察是否产生源自移植干细胞而非胚胎本身的胚外谱系。

胚胎干细胞（ESCs）

人类胚胎干细胞（hESCs）是从早期囊胚（受精后4-5天）中获取的，方法要么是通过破坏源囊胚，要么是通过收集后期组织（直至妊娠3个月）。这些是首批应用于研究的干细胞，至今仍在临床试验中广泛使用（如clinicaltrials.gov所追踪）。

hESCs代表多能性的金标准，但伴随着关于胚胎破坏的伦理担忧以及移植到患者体内时潜在的免疫排斥问题。尽管存在这些挑战，它们继续为发育生物学提供有价值的见解，并作为更新干细胞技术的重要比较对象。

极小胚胎样干细胞（VSELs）

一种称为极小胚胎样干细胞（VSELs）的新型多能干细胞自2006年被鉴定以来已显示出前景。超过20个独立实验室确认了它们的存在，尽管有些团体对其有效性提出质疑。这些细胞是存在于成体组织中的小型早期发育干细胞，表达多能性标志物。

VSELs在小鼠中直径约为3-5微米，在人类中为5-7微米（略小于红细胞）。它们表达ESCs标志物，包括SSEA、核Oct-4A、Nanog和Rex1，以及迁移原始生殖细胞的标志物，如Stella和Fragilis。它们的发育起源可能与胚胎发生过程中发育器官中的种系沉积有关。

根据 2019 年提出的一种模型，VSELs 起源于原始生殖细胞，并分化为三种潜在命运：间充质干细胞 (MSCs)、成血血管细胞（包括造血干细胞和内皮祖细胞）以及组织定向干细胞。作为多能干细胞，VSELs 可能具有能够在成年动物或人类中跨胚层分化的优势，在成年个体中可能发挥替代单能组织定向干细胞的作用。

VSELs可能克服与其他干细胞类型相关的一些问题：ESCs的伦理争议以及iPSCs的畸胎瘤（肿瘤）形成风险。这使得它们在未来的干细胞研究和临床应用中特别具有前景，在这些应用中，这些担忧构成了重大障碍。

核移植干细胞（NTSCs）

体细胞核移植（SCNT）技术最初于1996年被发现，已逐渐演变为生成核移植干细胞（NTSCs）。该过程始于将一个完全分化的体细胞（如成纤维细胞）的供体核植入去核卵母细胞（去除细胞核的卵细胞）中。

新的宿主卵细胞随后触发供体核的遗传重编程。培养中该单个细胞的多次有丝分裂发育成一个囊胚（早期胚胎约100个细胞），最终生成一个与原始生物体DNA几乎相同的生物体——即核供体的克隆。该过程可产生治疗性克隆和生殖性克隆。

多莉羊（1996年）是首个成功实现繁殖性克隆的哺乳动物。此后，已有约二十余种其他物种被克隆。2018年1月，上海的中国科学家宣布利用体细胞核移植（SCNT）技术通过胎儿成纤维细胞成功克隆了两只雌性猕猴——这是该方法首次用于克隆灵长类动物。

创造克隆灵长类动物可能彻底改变人类疾病研究。遗传背景一致的非人灵长类动物可作为有价值的动物模型，用于灵长类生物学和生物医学研究，有助于探究疾病机制和药物靶点，同时减少遗传变异带来的混杂因素以及所需实验动物的数量。该技术可与CRISPR-Cas9基因组编辑相结合，构建帕金森病和各种癌症等人类疾病的基因工程灵长类动物模型。

制药公司对用于药物测试的克隆猴表现出强烈需求。鉴于这一前景，上海优先拨款建立国际灵长类研究中心，以生产供国际使用的克隆实验动物。与其他干细胞方法相比，SCNT的独特之处在于它能生成完整的活体生物，而不仅仅是细胞层、组织或器官片段，因此在基础研究和临床应用方面相较于胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）具有生物生理功能优势。

重编程干细胞（RSCs）

自2006年山中伸弥及其同事首次生成诱导多能干细胞（iPSCs）以来，重编程技术取得了显著进展。这在实验室环境（体外）和活体生物（体内）中利用谱系限制性转录因子、RNA信号修饰以及小分子或化学物质产生特定组织谱系的直接重编程方法中尤为明显。

这些直接方法跳过了iPSC步骤，产生更接近目标细胞谱系（如神经细胞及其后续的运动神经元）的更精确细胞，例如诱导神经祖细胞（iNPCs）。重编程干细胞（RSCs）是通过应用任何实验室方法来重编程原代细胞的遗传信号而获得的，但不包括SCNT技术。

为了克服人类胚胎干细胞（hESCs）相关的伦理和免疫原性挑战，iPSCs作为一种有前景的替代方案应运而生，因为它们来源于成体体组织。人类iPSC的来源——包括血液、皮肤和尿液——非常丰富。由于hiPSCs可以从个体患者身上获取，当将其移植回同一患者体内（自体移植）时，可以避免免疫排斥反应。

研究人员已开发出从尿液中存在的肾小管细胞获取hiPSCs的方法。该方案仅需30毫升尿液样本，操作简单、相对快速、具有成本效益且普适性强（适用于所有年龄、性别和种族/民族背景的患者）。整个程序仅涉及2周的细胞培养和3-4周的重编程，产生高iPSC产量并具有出色的分化潜能。

通过仙台病毒递送系统从200毫升清洁中段尿样本中收集的尿液来源iPSCs显示出正常的核型（染色体结构），并在畸胎瘤形成实验中表现出分化为三个胚层的潜力。从尿液中分离出的一个细胞亚群表现出祖细胞特征，包括细胞表面表达c-Kit、SSEA4、CD105、CD73、CD91、CD133和CD44标记物，这些标记物可区分膀胱细胞谱系（尿路上皮、平滑肌、内皮和间质），使其成为一种有前景的替代细胞来源。

成体干细胞

成体干细胞代表了另一类重要的干细胞，存在于全身各种组织中。与多能干细胞不同，这些通常是多能的——能够分化为特定于其起源组织的有限范围的细胞类型。

常见来源包括骨髓、脂肪组织、牙髓和各种器官。间充质干细胞（MSCs）是研究最多的成体干细胞之一，在治疗炎症性疾病、促进组织修复和调节免疫反应方面显示出希望。

虽然不如多能干细胞 versatile，但成体干细胞具有优势，包括较少的伦理担忧、较低的肿瘤形成风险以及在骨髓移植等程序中的既定临床应用。研究仍在探索其全部潜力和作用机制。

临床应用与未来方向

干细胞研究已从基础研究、临床前研究发展到多个应用领域的临床试验。重编程因子组合、实验方法和信号通路的阐明方面的进展促成了视网膜细胞移植和脊髓移植的首次临床试验。

该领域仍在解决与细胞增殖和分化控制相关的挑战。研究人员正在系统审查方法论主题，包括：通过基因组修饰诱导多能性；构建含有重编程因子的新型载体；利用小分子和遗传信号通路促进iPSC多能性；利用microRNA增强重编程；利用化学物质诱导和增强iPSC多能性；生成特定分化细胞类型；以及维持iPSC多能性和基因组稳定性。

这些主题对于最大化iPSC生成和分化的功效以准备临床转化至关重要。细胞培养方面的进展包括无饲养层培养、无异种成分培养基（避免使用动物产品）以及各种生物材料增强技术。三维（3D）细胞和生物打印技术代表了特别有前景的方向，以及多能干细胞资源和活体内的第二代直接细胞重编程。

长期的干细胞研究和临床目标侧重于开发安全有效的治疗方法，用于治疗包括神经退行性疾病、脊髓损伤、心脏病、糖尿病以及许多其他可通过细胞替代或组织再生提供治疗益处的疾病。

伦理考量

干细胞研究继续应对重要的伦理考量，特别是关于胚胎干细胞和克隆技术的问题。为了hESC研究而破坏人类胚胎在许多社会中仍然具有争议，并且各国对此的监管各不相同。

iPSC等新兴技术通过提供无需破坏胚胎的多能干细胞替代来源，有助于缓解部分伦理担忧。然而，关于基因操作、细胞捐赠的知情同意以及治疗成果公平获取的新伦理问题也随之出现。

国际研究界持续制定指南和法规，以确保干细胞研究的伦理进步，同时为受各种疾病困扰的患者最大化潜在益处。

常见问题

干细胞有哪些不同类型？

本文描述了五类主要干细胞：胚胎干细胞（ESCs）、极小胚胎样干细胞（VSELs）、核移植干细胞（NTSCs）、重编程干细胞（RSCs）和成体干细胞。每种类型都有其独特的来源和临床潜力。例如，ESC从囊胚中获取，而iPSC则由成体细胞重编程而来。

干细胞可用于治疗疾病吗？

是的，干细胞在再生医学、疾病建模和药物发现方面展现出前景。针对视网膜和脊髓损伤等病症的临床试验正在进行中。然而，控制细胞增殖和分化仍面临挑战。成体干细胞已用于骨髓移植，而iPSC可能实现个性化治疗。

干细胞研究的伦理担忧有哪些？

伦理方面的担忧主要涉及为了胚胎干细胞研究而破坏人类胚胎。然而，诱导多能干细胞 (iPSCs) 提供了一种避免破坏胚胎的替代方案。核移植克隆技术也会引发伦理问题。各国法规各不相同，目前正在进行的研究旨在解决这些问题。

如何从患者身上获取诱导多能干细胞（iPSC）？

诱导多能干细胞（iPSC）可以从患者的血液、皮肤或尿液中获取。例如，一个简单的30毫升尿液样本可提供肾小管细胞，这些细胞在培养2周后，再经过3-4周的重编程即可成为iPSC。这种方法具有成本效益，适用于所有年龄和背景的患者。

使用患者自身的干细胞进行治疗有哪些优势？

使用患者自身的干细胞（如源自其血液、皮肤或尿液的诱导多能干细胞（iPSC））可避免免疫排斥，因为这些细胞与患者的基因完全相同。这种自体移植方法消除了对免疫抑制药物的需求，并降低了移植排斥的风险。

使用诱导多能干细胞形成肿瘤的风险是什么？

诱导多能干细胞 (iPSCs) 存在形成畸胎瘤的风险，这是一种肿瘤。这是该领域面临的一个已知挑战。研究人员正在努力控制细胞增殖和分化，以便在 iPSCs 安全应用于临床之前，最大限度地降低这种风险。

如何测试干细胞以确保其能分化为任何细胞类型？

干细胞通过小鼠体内的三种主要实验来测试其多能性。畸胎瘤形成实验检查细胞是否能生成来自三个胚层的所有组织。嵌合体形成实验测试它们是否参与发育并产生功能性配子。四倍体互补实验确定它们是否能形成整个生物体。

在针对脊髓损伤或视网膜疾病等病症接受干细胞治疗前，我是否应该寻求第二诊疗意见？

在接受干细胞治疗前寻求第二诊疗意见可能很有价值，因为该领域发展迅速，且针对视网膜和脊髓损伤等病症的临床试验正在进行中。不同专家对五种干细胞类型（包括胚胎、诱导多能和成体干细胞）的专业知识可能有所不同。第二诊疗意见可帮助您确认是否适合接受实验性疗法，澄清如iPSC畸胎瘤形成等风险，并确保您了解其他替代方案。Diagnostic Detectives Network 提供独立的专家第二诊疗意见。