了解多能干细胞：面向患者的科学、前景与进展指南

目录

• 要点
• 背景：什么是多能干细胞？
• 本综述是如何进行的
• 干细胞历史上的关键里程碑
• 干细胞的五大基本类别
• 科学家如何测试多能性
• 胚胎干细胞（ESCs）
• 极小胚胎样干细胞（VSELs）
• 核移植干细胞（NTSCs）与克隆
• 重编程干细胞（RSCs）与诱导多能干细胞（iPSCs）
• 深入探讨：源自尿液的iPSCs
• 临床意义与未来应用
• 局限性与伦理考量
• 原综述中的其他主题
• 建议与对患者的希望
• 常见问题
• 信息来源

要点

• 多能干细胞可以分化为三个胚层中的任何一个：外胚层、内胚层和中胚层。
• 源自尿液的诱导多能干细胞提供了一种非侵入性、简便的方法，可从30毫升样本中创建干细胞。
• 干细胞疗法存在风险，包括畸胎瘤形成、遗传不稳定性和可能的免疫排斥反应。
• 只有核移植干细胞成功培育出了完整的生物体，例如2018年克隆的猴子。
• 一些干细胞治疗（如视网膜和脊髓移植）已进入早期临床试验阶段。

背景：什么是多能干细胞？

多能干细胞是身体的“主细胞”。它们具有两个定义性特征：自我更新（分裂并产生更多干细胞的能力）和多能性（成熟为特定细胞类型的能力）。

具体而言，这些细胞可以分化为形成所有人类组织的三个主要胚层中的任何一个：外胚层（皮肤、大脑和神经系统）、内胚层（肺、肝脏和消化道）和中胚层（肌肉、骨骼和血液）。这种惊人的灵活性使多能干细胞成为医学中强大的工具。

本综述的开展方式

本文是一篇系统综述，意味着作者——来自芝加哥拉什大学医学中心的研究人员——收集、分析并总结了大量已发表科学研究的结果。他们没有进行一项新的实验，而是回顾了现有证据，以提供干细胞研究的“全局观”。该综述聚焦于15个关键领域，涵盖从多能干细胞的来源到当前伦理争议等所有内容。

干细胞历史中的关键里程碑

这一旅程始于半个多世纪前。1961年，加拿大多伦多大学的James A. Till博士和Ernest A. McCulloch博士首次描述了干细胞。他们发现小鼠骨髓细胞可以分化为多种细胞类型，并将这些细胞命名为多能干细胞。

几十年后，在1996年，多莉羊成为第一只利用称为体细胞核移植 (SCNT)的技术从成年细胞克隆出的哺乳动物。这项工作由苏格兰罗斯林研究所的Keith Campbell、Ian Wilmut及其同事完成。多莉的诞生证明了成熟细胞的遗传物质可以被“重置”为胚胎状态。

在1998年，James Thomson在美国分离出了首批人类胚胎干细胞 (hESCs)。随后，在2006年，发生了一项重大突破：Shinya Yamanaka及其同事通过仅使用四种基本转录因子——Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc——对成年细胞进行重编程，从而获得了诱导多能干细胞 (iPSCs)。这一成就之所以非凡，是因为最初仅测试了24种候选因子，而其中仅有四种是必需的。在2012年，Yamanaka和John Gurdon因发现成熟细胞可以被重编程为多能状态而获得诺贝尔生理学或医学奖。

此后，干细胞研究蓬勃发展成为一个令人兴奋且充满希望的领域，科学家们在多个器官中发现了先天性的成体干细胞，并开发了越来越先进的技术。

干细胞的五个基本类别

在系统回顾研究后，作者提出所有干细胞可分为五个基本类别。每种类型都有其独特的来源、生产方法以及在医学中的潜在用途：

1. 胚胎干细胞 (ESCs)：源自早期胚胎（囊胚）。
2. 极小胚胎样干细胞 (VSELs)：存在于成体组织中的微小原始细胞。
3. 核移植干细胞（NTSCs）：通过将供体细胞核转移到已去除自身细胞核的卵细胞中而创建。
4. 重编程干细胞（RSCs）：在实验室中通过基因手段“逆转”成体的成年细胞（包括iPSCs）。
5. 成体干细胞（ASCs）：存在于人体内的组织特异性干细胞。

根据综述，只有NTSCs被用于生成完整的生物体——2018年在中国，研究人员利用NTSCs培育出了猴子。迄今为止，ESCs、iPSCs和成体干细胞仅被用于生成组织和器官，而非完整的动物。

科学家如何测试多能性

为了确认干细胞是否真正具备多能性，研究人员主要在小鼠体内（活体生物内）使用三种测试方法，如Aoi（2016）所总结：

• 畸胎瘤形成实验：将干细胞移植到免疫缺陷小鼠体内，科学家检查这些细胞是否自发形成来自三个胚层的分化组织。这证明了细胞能够分化为多种细胞类型。
• 嵌合体形成实验：将干细胞注入早期胚胎（称为2N囊胚）中。随后对产生的“嵌合体”进行繁育。如果供体细胞贡献于生殖系——即它们能够产生有功能的精子或卵子——并保持正常染色体，则这些细胞具有“功能性多能性”。
• 四倍体（4N）互补实验：这是最严格的测试。将干细胞注入4N胚胎（四倍体囊胚）中。如果测试的细胞能够生成整个生物体——包括胚胎本身，而4N胚胎仅贡献于胚外组织——则这些细胞真正具备多能性。

这些实验对于确定新的干细胞系是否安全以及是否适用于未来疗法至关重要。

胚胎干细胞（ESCs）

人类胚胎干细胞（hESCs）是从早期囊胚中获取的——大约在受精后4至5天，这一过程需要破坏来源囊胚。它们也可以从后期组织中获得（最多3个月胎龄或更短）。hESCs是首批用于研究的干细胞，至今仍在临床试验中广泛使用，如clinicaltrials.gov所列。

然而，由于它们的收集需要破坏人类胚胎，hESCs引发了重大的伦理担忧。这些担忧是科学家致力于开发多能细胞替代来源的主要原因之一。

极小胚胎样干细胞（VSELs）

VSELs于2006年由Ratajczak及其同事鉴定。此后，超过20个独立实验室证实了它们的存在，尽管仍有少数团队对此提出质疑。

顾名思义，这些细胞非常小——小鼠中约为3至5微米，人类中约为5至7微米（略小于红细胞）。它们存在于成体组织中，并与胚胎干细胞共享一些标记物，如SSEA、核Oct-4A、Nanog和Rex1。它们还表达典型迁移原始生殖细胞（产生卵子或精子的细胞）的标记物，如Stella和Fragilis。

根据Ratajczak的2019年模型，VSELs源自原始生殖细胞（PGCs），并可分化为三种潜在命运：

• 间充质干细胞（MSCs） – 支持组织修复
• 血管母细胞 – 包括造血干细胞（HSCs）和内皮祖细胞（EPCs），有助于形成血液和血管
• 组织特异性干细胞（TCSCs） – 准备成为特定组织的细胞

由于VSELs存在于成人组织中，它们可能避免与胚胎干细胞相关的伦理问题，并且相比iPSCs，形成畸胎瘤（肿瘤）的可能性也较低。因此，它们被视为未来干细胞治疗的有前景的替代方案。

核移植干细胞（NTSCs）与克隆

体细胞核移植（SCNT）技术在1996年通过多利羊首次被证明可行。该过程首先取一个完全分化的成人细胞（如成纤维细胞），将其含有DNA的细胞核放入已去除自身细胞核的卵细胞中。随后，卵细胞将供体细胞核“重编程”，使其表现得像早期胚胎一样。经过几次分裂后，细胞发育成约100个细胞的囊胚，并最终可生长为与原始供体几乎完全相同的克隆个体。

该技术可用于两个目的：

• 生殖性克隆：创造完整的活体动物。
• 治疗性克隆：生成用于医疗治疗的干细胞。

自多利羊以来，已有约两打其他物种被克隆。2018年1月，中国上海的科学家宣布他们成功利用胎儿成纤维细胞克隆了两只雌性猕猴——这是首次使用SCNT技术克隆的灵长类动物。

这对患者为何重要？灵长类动物的克隆有助于创建在遗传上均匀且能紧密模拟人类疾病的动物模型。这将使研究疾病机制和测试新药变得更加容易，从而减少所需动物的数量。它还可以与CRISPR-Cas9基因编辑结合，创建帕金森病和各种癌症等人类疾病的灵长类动物模型。制药公司已经对用于药物测试的克隆猴子表现出浓厚兴趣，上海市正在资助一个国际灵长类研究中心，以生产这些动物供全球使用。

NTSCs的一个特殊优势是它们能够生成完整的活体生物，而胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）通常仅用于培养细胞片、组织或器官片段。从生物物理学角度来看，这使SCNT在基础研究和临床应用中具有独特的优势。

重编程干细胞（RSCs）与诱导多能干细胞（iPSCs）

自2006年山中伸弥的里程碑式发现以来，重编程技术取得了巨大进步。研究人员现在可以使用谱系限制性转录因子（开启特定基因的蛋白质）、RNA信号修饰以及小分子或化学物质直接将一种成人细胞类型转化为另一种。这被称为“直接重编程”。

直接重编程可以完全绕过iPSC阶段，产生已经接近目标细胞类型的细胞。一个例子是创建诱导神经祖细胞（iNPCs），这些细胞随后可成为神经元和运动神经元。这些细胞通过表达对神经发育重要的转录因子而形成，为治疗脊髓损伤或神经系统疾病的细胞制备提供了一条更快且可能更安全的途径。

重编程干细胞（RSCs）包括所有通过手动实验室方法创建的、能够“重写”原代细胞遗传信号的干细胞——除了被单独分类的SCNT。

深入观察：尿液衍生的iPSCs

最令患者受益的进展之一是能够从尿液中创建iPSCs。该方法最初由Zhou及其同事在2011年7月描述，一年后发表了更详细的方案。它具有几个主要优势：

• 无创：无需针头或手术。
• 简单快捷：整个过程需要约2周的细胞培养，随后是3–4周的重编程。
• 廉价且通用：仅需30毫升尿液样本即可工作，适用于所有年龄、性别和种族/民族背景的患者。
• 高产率及优异的分化潜能：在一项使用200毫升清洁中段尿和仙台病毒递送系统的研究中，尿液衍生的iPSCs显示出正常的核型（正常染色体结构）以及在畸胎瘤形成实验中分化为三个胚层的能力。

Zhang及其同事报告称，尿液中还含有一群具有祖细胞特征的细胞亚群。这些细胞表达c-Kit、SSEA4、CD105、CD73、CD91、CD133和CD44等标志物，有助于区分膀胱细胞谱系（尿路上皮、平滑肌、内皮和间质细胞）。这意味着尿液可作为构建膀胱组织或其他泌尿系统疗法的有价值且易于获取的细胞来源。

临床意义与未来应用

干细胞——尤其是胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）——在四个主要领域具有巨大潜力：

1. 再生与移植医学： 替换受损的组织或器官，例如心肌梗死后的心脏肌肉、黄斑变性中的视网膜细胞，或脊髓损伤中的神经细胞。
2. 疾病建模： 在培养皿中创建携带患者基因突变的细胞，使科学家能够更准确地研究帕金森病或癌症等疾病。
3. 药物发现与筛选： 在患者特异性细胞上测试新药，以确定在人体试验之前哪些药物最有效且安全。
4. 人类发育生物学： 理解单个受精卵如何发育为复杂的生物体，这可以揭示先天缺陷和流产的原因。

综述强调，这些应用正从“基础研究”迈向“临床前研究”，在某些情况下甚至已进入早期临床试验——例如视网膜细胞移植和脊髓移植。

局限性与伦理考量

尽管前景广阔，但仍存在若干挑战：

• 畸胎瘤风险： 如果移植后仍有未分化细胞残留，ESCs和iPSCs均可能形成畸胎瘤（肿瘤）。这是广泛临床应用前必须克服的主要安全障碍。
• 遗传不稳定性： iPSCs在重编程或长期培养过程中可能会获得基因突变。维持基因组稳定性对患者安全至关重要。
• 免疫排斥： 即使使用患者来源的iPSCs，也可能存在细微的免疫差异。然而，由于iPSCs可从患者自身获取，与供体细胞相比，排斥风险大大降低。
• 伦理问题： 利用人类胚胎获取ESCs仍存在伦理争议。克隆灵长类动物也引发了关于动物福利以及未来将克隆技术应用于人类的严重伦理疑问。综述强调，伦理讨论必须跟上科学进步的步伐。
• 科学界的质疑： 与极小胚胎样干细胞（VSELs）一样，干细胞研究中的某些发现仍存在争议。重复实验和独立验证至关重要。

原综述中的其他主题

完整综述还涵盖了摘要中强调但未在本提供的总结文本中详述的若干高级主题。包括：

• 下一代体内直接重编程： 直接在体内而非实验室培养皿中将细胞转化为其他类型细胞的概念。
• 来自多能干细胞（PSCs）的细胞类型与遗传记忆： 分化细胞如何保留其原始状态的“记忆”，这可能会影响其行为。
• 通过基因组修饰诱导多能性： 利用基因工程帮助细胞回到多能状态。
• 构建携带重编程因子组合的载体： 建立更安全、高效的递送系统（如病毒或附加体），以携带山中因子（Yamanaka factors）。
• 利用小分子和基因信号通路增强多能性：使用影响ERK、MAPK、MEK、GSK3、BMP、TGF和FGF等通路的药物或化学物质，以改善重编程过程。
• 通过RNA信号诱导细胞重编程：利用microRNA或其他RNA分子触发重编程，而不改变DNA本身。
• 利用化学物质诱导和增强多能性：确定可以完全替代基因因子的化学混合物。
• 维持多能性和基因组稳定性：以保持iPSC稳定和健康的方式进行培养。
• 无饲养层和无异种成分的培养环境：在无小鼠细胞（饲养层）或动物产物的情况下培养干细胞，这对于生产适合人体移植的细胞是必要的。
• 生物材料应用：使用支架和其他材料来支持干细胞生长和组织形成。
• 三维（3D）细胞技术和3D生物打印：在3D结构中培养细胞，并使用打印机逐层构建复杂组织。
• 当前的伦理问题：关于胚胎使用、克隆以及如何负责任地将干细胞科学转化为医学的持续争论。

对患者的建议与希望

对于对干细胞疗法感兴趣的患者和家属，本综述提供了几个关键要点：

• 询问临床试验：一些基于干细胞的疗法，如视网膜细胞移植和脊髓移植，已进入早期临床试验阶段。请务必向您的医生咨询合法且获批的选项。
• 警惕未经证实的诊所：综述指出，虽然该领域令人兴奋，但许多产品仍处于实验阶段。请从信誉良好的医疗中心和官方注册机构（如clinicaltrials.gov）获取信息。
• 考虑捐赠生物样本：简单的样本如血液或尿液可用于创建用于研究的iPSC。参与研究生物库可能有助于加速发现。
• 保持知情：干细胞科学进展迅速。请关注同行评审期刊和患者倡导团体的更新。

综述作者认为，随着研究的持续进行，干细胞技术最终将为目前无法治愈的疾病提供新的治疗方法。前进的道路需要科学家、临床医生、监管机构和患者之间的合作，以及对创新和伦理责任的承诺。

常见问题

什么是多能干细胞？

多能干细胞是身体的“主细胞”。它们可以自我更新，即分裂产生更多的干细胞，并具有多能性，意味着它们可以成熟为多种特化细胞类型。具体而言，它们可以成为形成所有人类组织的三个主要胚层中的任何一个：外胚层、内胚层和中胚层。

如何从尿液中制备诱导多能干细胞（iPSC）？

尿源性iPSC是从少量尿液样本（通常为30毫升）中创建的。该过程无创、简单且快速：约2周的细胞培养，随后是3至4周的重编程。此方法适用于所有年龄、性别和背景的患者，这些细胞可以分化为三个胚层。

胚胎干细胞与诱导多能干细胞之间有什么区别？

胚胎干细胞（ESCs）来源于受精后约4至5天的早期囊胚，其采集过程会破坏胚胎。诱导多能干细胞（iPSCs）是在实验室中通过例如四种转录因子对成体细胞进行重编程而获得的。iPSCs避免了破坏胚胎的需要，并且可以使用患者自身的细胞制备。

干细胞治疗存在哪些风险？

如果移植后仍有未分化的细胞残留，胚胎干细胞和诱导多能干细胞均可能形成畸胎瘤（一种肿瘤）。此外，iPSCs在重编程或长期培养过程中可能会获得基因突变。也可能发生轻微的免疫排斥反应，但使用患者来源的iPSCs可大幅降低这一风险。许多治疗仍处于实验阶段。

目前是否有可供患者使用的干细胞疗法？

一些基于干细胞的治疗（如视网膜细胞移植和脊髓移植）已进入早期临床试验阶段。请务必向您的医生咨询合法且获批的选项，并从可靠的医学中心或clinicaltrials.gov等官方注册平台获取信息。请警惕未经证实的诊所，因为许多产品仍处于实验阶段。

什么是体细胞核移植（SCNT），它为何重要？

体细胞核移植是一项技术，即将成体细胞的细胞核放入已去除自身细胞核的卵细胞中。该卵细胞会将供体细胞核重编程为具有胚胎特性。这项技术于1996年通过多利羊首次得到证实，可用于生殖性克隆或治疗性克隆。

科学家如何测试干细胞是否真正具有多能性？

科学家在小鼠中使用三种主要测试方法。畸胎瘤形成实验检查移植的细胞是否形成来自三个胚层的所有组织。嵌合体形成实验测试细胞是否在早期胚胎中贡献于生殖系。四倍体互补实验是最严格的测试：如果测试细胞能够生成整个生物体，则它们真正具有多能性。

在接受帕金森病或脊髓损伤等疾病的干细胞治疗前，我是否应该寻求第二诊疗意见？

是的，建议寻求第二诊疗意见，因为许多干细胞治疗仍处于实验阶段。虽然一些疗法（如视网膜和脊髓移植）已进入早期临床试验，但其他疗法尚未经过证实。风险包括畸胎瘤形成、遗传不稳定性和免疫排斥。第二诊疗意见有助于确认拟议的治疗是否合法，以及临床试验选项是否更为合适。Diagnostic Detectives Network 提供独立的专家第二诊疗意见。

来源信息

这篇患者友好型文章基于以下同行评审的科学论文：

Original title: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

Authors: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

Journal: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

Published online: 23 November 2019

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

Affiliation: Department of Neurosurgery, Rush University Medical College, Chicago, IL, USA

注意：这篇患者友好型文章基于同行评审的研究，并包含对原始出版物中数据和发现的直接引用。如需完整详情，请咨询原文。