人胚胎干細胞系的成功建立， 掀起了干細胞（Stem Cell）研究的熱潮。在過去的10
多年中，無
論是與干細胞相關的基礎研究還是應用研究都取得了長足進展。有些學者甚至認為干細胞的研究
開創了生物醫學的新時代。與此同時，人們對干細胞的理解也不斷地加深。為此扼要介紹有關干細
胞的一些基本概念。
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干細胞
“干細胞”一詞最早出現于19 世紀，1896 年，Wilson 第1
次用到“干細胞”這個名詞，專指寄生
性蠕蟲，如蛔蟲生殖系統的早期細胞。當時人們對干細胞的理解僅限于能夠產生子代細胞的一種較
原始的細胞。目前認為，干細胞是指功能上具有自我更新(self-renewal)能力，同時具有分化（differentiation)能力的一類細胞（Weissman
et al .2001）。自我更新能力和分化潛能是干細胞的2 個基本特征。干細胞的自我更新有兩重意義，一是細胞的分裂潛能，
如一般人的體細胞只能在體外分裂50～60 個代次，
而干細胞可以遠遠超越這一極限，且在分裂的同時維持干細胞的特征。二是克隆形成
能力即增殖產生更多的與自身相同的干細胞。分化潛能是指干細胞分化為不同細胞類型的能力，不同種類的干細胞其分化潛能有所不同。因此，可以把干細胞定義為具有自我更新能力和分化潛能的細胞群體。根據分化潛能的不同，
干細胞可分為全能干細胞（totipotent stem cell）、多潛能干細胞(pluripotent
stem
cell)、多能干細胞（multipotent stem cell）和單能干細胞（unipotent stem
cell）。根據來源不
同，干細胞又可分為胚胎干細胞（embryonic stecell）和成體干細胞（adult stem
cell）。成體干細胞
還可以根據干細胞的組織來源分為造血干細胞、骨髓間充質干細胞、神經干細胞、肌肉干細胞等。
因此，
成體干細胞又稱組織干細胞（tissue stem
cell）。一般認為，胚胎干細胞屬多潛能干細胞，也
有人認為是一種全能干細胞。組織干細胞屬多能或單能干細胞。隨著干細胞研究的深入，對干細胞
定義的理解及其分類也將會更加確切。干細胞的增殖速度通常很慢，
它的分裂表現為2 種方式：對稱性分裂和不對稱性分裂。前者用于干細胞自身數目的擴增，
而后者除了自我更新外，還產生分化的細胞。早期分化的細胞稱為祖細胞或前體細胞（progenitor cell），
它們可以大量擴增，并進一步分化產生各種不同類型的細胞。這些復雜的過程需要在特定的微環境（niche）
中精確調控完成。因此，在體外培養條件下，如何在干細胞傳代培養過程中，維持其自身的特性不變，以及如何在體外誘導干細胞向某種類型細胞的定向分化，一直是干細胞研究領域中所面臨的基本問題。
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胚胎干細胞
胚胎干細胞是指哺乳動物胚胎發育早期的干細胞， 如囊胚（blastocyst）中的干細胞和胚胎發育
早期的生殖嵴（gonadal
ridges）干細胞等。目前建立的胚胎干細胞系主要來源于囊胚中的內細胞團
（inner cell mass）。人胚胎發育后5～7 d
形成的結構稱為囊胚。囊胚的外表由一層致密的扁平細胞組成，
稱為滋養層(trophoblast)，它將發育成胚胎的支持組織如胎盤。囊胚的中心為一空腔，稱為囊胚腔，腔內的一側有一團細胞， 稱為“ 內細胞團”， 約有140
個細胞（圖1）。組成內細胞團的細胞均為未分化的干細胞，它們可以分裂并分化形成內、中、外3 個胚層，
每個胚層將進一步分化形成人體的各種組織和器官。例如外胚層能分化為皮膚、神經系統等，中胚層能形成血液、心臟和肌源于內細胞團的體外培養的胚胎干細胞，在一定條件下，也可以分化為3
個胚層的各種細胞，如果將其移植到小鼠的囊胚中， 還可繼續發育產生子代的個體。但是，如將它們植入子宮中，由于不能分化出胎盤等胚外組織，
所以無法發育成正常個體。因此，胚胎干細胞應屬于多潛能干細胞。真正涵義的哺乳動物全能干細胞只有卵裂早期的細胞（一般不超過16 個細胞的卵裂球）。植入子宮后，
它們不僅可以分化產生3 個胚層中的各種類型的細胞，而且還能發育成胎盤組織，最終產生子代個體。然而，隨著研究的進展，人們發現雖然直接把胚胎干細胞移植到子宮內，
不能發育成子代個體，但在體外培養的條件下，卻能夠分化形成精子和卵子，
并在子宮中進一步發育成新生的個體。因此，從這個意義上講，目前很多人認為，胚胎干細胞是一種全能干細胞。
3 成體干細胞
成體干細胞又稱組織干細胞， 幾乎在成體各種組織中都發現了相關的干細胞。如存在于人體骨髓中的造血干細胞可以分化成紅細胞，
血小板和淋巴細胞等10 種以上的血細胞，骨髓間充質干細胞也具有分化為成骨細胞、軟骨細胞等多種細胞的能力。通常稱這類干細胞為多能干細胞，其分化的潛能是有限的，
一般局限于分化產生同一胚層的細胞類型。單能干細胞僅能分化產生1 種或幾種類型的細胞，如小腸上皮中的干細胞，能夠分化為小腸上皮細胞等4 種細胞，
神經干細胞可分化產生神經元、寡突膠質細胞和星形膠質細胞等3 種細胞，
而肝臟膽管中的干細胞僅能產生肝細胞和膽管細胞。這顯然與各種干細胞所存在的部位和它們所承擔的功能相關。由于多數的組織干細胞還沒有發現其確切的表面標志分子，
因而也就很難識別和純化，
這就給成體干細胞的研究與應用帶來很大的困難。如人的造血干細胞是研究最為深入，應用最早（骨髓移植實質上就是造血干細胞的移植）的成體干細胞，但至今尚不能純化，也很難在體外擴增。如能解決這些問題，將會極大的推進醫學的進步。
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胚胎干細胞系的建立
細胞建系是指將分離的生物體的某種細胞，在體外特定條件下，長期穩定的傳代培養。細胞系多用于科學研究以及生物工程領域。1981
年，英國科學家Evanshe 和Kanfman 等首次在體外建立了小鼠胚胎干細胞系。這項研究為基因打靶技術的建立打下了基礎，
開創了哺乳動物功能基因組學研究的新途徑，并于2007 年獲諾貝爾醫學或生理學獎。1998 年，美國威斯康星大學Thomson
教授等又成功地建立了人胚胎干細胞系（圖1）。這一成果極大地推進了人胚胎干細胞發育分化機制研究的發展，開辟了生物醫學研究的新領域。那么人胚胎干細胞系是如何建立的呢？Thomson
研究小組從14 個由體外受精的人胚胎
發育而來的囊胚中分離出了內細胞團， 并以照射過的不分裂小鼠胚胎成纖維細胞為飼養層，
在特
定的培養基中進行培養，最后得到了5 株具有正常XY 或XX 核型的人的胚胎干細胞系，分別稱為H1、H7、H9、H13
和H14。同年，約翰霍普金斯大學Gearhart 教授領導的小組采用了與Thomson小組不同的方法，從5～9 周齡流產胎兒的生殖嵴（gonadal
ridges）中分離出了原始生殖細胞， 以小鼠胚胎成纖維細胞系STO 細胞作為飼養層，最終得到了5
株具有正常核型和分化潛能的胚胎干細胞系，稱為胚胎生殖嵴干細胞。無論是從體外發育的囊胚中分離出的內細胞團， 還是從早期流產胎兒中分離出的原始生殖細胞，
在適當的培養條件下都可以獲得特性非常相似的胚胎期干細胞系。當然，這些細胞需要經過一系列的鑒定，確認它們是具有自我更新能力和分化潛能的正常干細胞。然而，從小鼠胚胎干細胞建系到人胚胎干細胞建系，歷經17
年之久，可見尋找合適的干細胞培養條件和培養方法需要進行大量艱苦的探索性研究。2008 年，在人胚胎干細胞建系10
年后，又完成了大鼠胚胎干細胞建系工作。除此之外， 應用核移植法或稱體細胞克隆技術也可以建立人胚胎干細胞系， 即取出人體細胞的細胞核，
用顯微注射技術移植到去核的卵母細胞中，在體外發育成囊胚，取其內細胞團建立人胚胎干細胞系。這一技術的最大優點是可以建立成人自己的胚胎干細胞系。
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誘導性多潛能干細胞
基于人胚胎干細胞系的建立和克隆羊的成功，2001 年Haseltine 提出了再生醫學（regenerative
medicine）的概念，這一旨在將治療性克隆技術與人胚胎干細胞的制備相結合，
利用體外構建的自身組織與器官使患者得以康復的新的治療理念，極大地促進了干細胞體外定向分化及其相關領域研究的發展（圖2）。然而，在這一革命性的醫學理念的實施，需要人的卵細胞及發育早期的胚胎（囊胚），從而引發了倫理問題的爭論。誘導性多潛能干細胞（
induced pluripotent stem cells，簡稱iPSC）建系技術的建立，使人們有可能避開應用人的卵細胞以及其所涉及到的頗有爭論的倫理問題，
使干細胞在理論和應用研究上又邁進了一大步。日本京都大學教授山中伸彌（Yamanaka）實驗室分析了卵細胞中有可能使已經分化的體細胞核發生逆轉的24
種基因，經過10 年的努力，終于在2006 年證明， 只需向小鼠的成纖維細胞中轉入4種基因（Oct4 ，Sox2 ，c-myc 和KLF4
）就可以誘導產生性質與胚胎干細胞類似的iPSC。1 年后，3 個實驗室同時應用類似的技術， 將人成纖維細胞等體細胞誘導產生了人的iPSC 。2009
年我國的周琪等2 個實驗室證明了植入小鼠囊胚中的iPSC 可以發育成小鼠，進一步表明了iPSC 與胚胎干細胞極其相似，極大地推進了iPSC
的理論與臨床應用研究。
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