什么是干细胞，为什么它们很重要？

I. 简介：什么是干细胞，为什么它们很重要？

干细胞具有自我更新的非凡潜力。它们可以在早期生命和生长过程中发育成体内许多不同的细胞类型。研究人员研究了许多不同类型的干细胞。有几个主要类别：“多能”干细胞（胚胎干细胞和诱导多能干细胞）和非胚胎或体干细胞（通常称为“成体”干细胞）。多能干细胞具有分化成成人身体所有细胞的能力。成体干细胞存在于组织或器官中，可以分化产生该组织或器官的特化细胞类型。

多能干细胞

处于胚泡阶段的早期哺乳动物胚胎包含两种类型的细胞——内细胞团细胞和滋养外胚层细胞。滋养外胚层细胞有助于胎盘。内细胞团最终将发展成生物体整个身体的特化细胞类型、组织和器官。之前对小鼠胚胎的研究导致在 1998 年开发了一种方法，该方法可以从植入前人类胚胎的内细胞团中提取干细胞，并在实验室中培养人类胚胎干细胞 (hESCs)。2006 年，研究人员确定了允许一些成熟的人类成体细胞重新编程为胚胎干细胞样状态的条件。那些重新编程的干细胞被称为诱导多能干细胞（iPSCs）。

成体干细胞

在有机体的整个生命周期中，成体干细胞群充当内部修复系统，为因正常磨损、损伤或疾病而丢失的细胞生成替代物。已在许多器官和组织中鉴定出成体干细胞，并且通常与特定的解剖位置相关。这些干细胞可能会长时间保持静止（不分裂），直到它们被正常需要更多细胞来维持和修复组织所激活。

二、所有干细胞的独特特性是什么？

干细胞具有自我更新和重建功能组织的独特能力。

干细胞具有自我更新的能力。

与通常不会复制的肌肉细胞、血细胞或神经细胞不同，干细胞可以复制很多次。当干细胞分裂时，产生的两个子细胞可能是：1) 两者都是干细胞，2) 一个干细胞和一个分化程度更高的细胞，或 3) 两者都是分化程度更高的细胞。是什么控制了这些类型的分裂之间的平衡，以使干细胞在给定组织内保持在适当的水平，目前尚不清楚。

发现自我更新背后的机制可能有助于了解细胞命运（干细胞与非干细胞）如何在正常胚胎发育和出生后受到调节，或在衰老过程中甚至在癌症发展过程中受到错误调节。这些信息还可以使科学家在实验室中更有效地培养干细胞。允许多能干细胞保持未分化的特定因素和条件是科学家们非常感兴趣的。在实验室中学会衍生和维持多能干细胞，而不会使细胞自发分化成特定的细胞类型，这需要多年的反复试验。

干细胞具有重建功能组织的能力。

多能干细胞未分化；它们不具有任何组织特异性特征（例如形态或基因表达模式），使它们能够执行专门的功能。然而，它们可以产生体内所有的分化细胞，例如心肌细胞、血细胞和神经细胞。另一方面，成体干细胞分化产生它们所在组织或器官的特化细胞类型，并且可能具有反映该组织的明确的形态学特征和基因表达模式。

不同类型的干细胞具有不同程度的效力；也就是说，它们可以形成的不同细胞类型的数量。在分化时，细胞通常会经历几个阶段，在每一步都变得更加专业化。科学家们开始了解触发分化过程每一步的信号。细胞分化的信号包括其他细胞分泌的因子、与邻近细胞的物理接触以及微环境中的某些分子。

三、您如何在实验室培养干细胞？

干细胞如何在实验室中培养？

在实验室中培养细胞被称为“细胞培养”。干细胞可以在实验室环境中在含有称为培养基的营养肉汤的培养皿中增殖（针对不同类型的干细胞进行了优化）。大多数干细胞在培养皿表面附着、分裂和扩散。

随着细胞分裂，培养皿变得拥挤，因此在传代培养过程中需要重新铺板，这在几个月内定期重复多次。每个传代培养周期称为“传代”。原始细胞可以产生数百万个干细胞。在该过程的任何阶段，可以将成批的细胞冷冻并运送到其他实验室进行进一步的培养和实验。

您如何“重新编程”常规细胞以制造 iPSC？

分化的细胞，例如皮肤细胞，可以重新编程回到多能状态。通过强制表达已知是多能性的主要调节因子的基因，重编程是在数周内实现的。在这个过程结束时，这些主调节器将重塑整个基因网络的表达。分化细胞的特征将被与多能状态相关的特征所取代，从根本上逆转了发育过程。

如何刺激干细胞分化？

只要多能干细胞在适当条件下培养，它们就可以保持未分化状态。为了产生特定类型的分化细胞的培养物，科学家可能会改变培养基的化学成分，改变培养皿的表面，或通过强制表达特定基因来修饰细胞。通过多年的实验，科学家们已经建立了一些基本方案或“配方”，用于将多能干细胞分化为某些特定的细胞类型（参见下图 1）。

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哪些实验室测试用于鉴定干细胞？

在产生干细胞系的过程中，科学家们在各个阶段测试这些细胞，看它们是否表现出使它们成为干细胞的基本特性。这些测试可能包括：

• 验证已被证明对干细胞功能很重要的多个基因的表达。
• 检查增殖率。
• 通过检查选定细胞的染色体来检查基因组的完整性。
• 通过去除维持细胞处于未分化状态的信号（这将导致多能干细胞自发分化）或通过添加诱导成体干细胞分化成适当细胞表型的信号来展示细胞的分化潜能。

四。干细胞如何用于生物医学研究和治疗？

鉴于其独特的再生能力，人类干细胞可通过多种方式用于生物医学研究和治疗开发。

了解疾病的生物学和测试药物

科学家可以使用干细胞来了解人类生物学并开发治疗方法。更好地了解调节干细胞中细胞分裂、特化和分化的遗传和分子信号可以产生有关疾病如何发生的信息并提出新的治疗策略。科学家可以使用由患者制成的 iPSC 并区分这些 iPSC，以创建“类器官”（小型器官模型）或组织芯片，用于研究患病细胞和测试药物，并获得个性化的结果。

基于细胞的疗法

一个重要的潜在应用是为基于细胞的疗法（也称为组织工程）生成细胞和组织。目前对可移植组织和器官的需求远远超过了可用的供应量。干细胞提供了可再生资源的可能性。每个组织中通常只有非常少量的成体干细胞，一旦从体内取出，它们的分裂能力就会受到限制，因此难以产生大量成体干细胞用于治疗。相比之下，多能干细胞受起始材料和更新潜力的限制较少。

为了实现干细胞治疗疾病的前景，科学家必须能够操纵干细胞，使它们具备成功分化、移植和植入的必要特征。科学家们还必须开发用于管理干细胞群的程序，以及诱导血管形成（供应血管），用于三维实体组织的再生和修复。

为了用于移植目的，干细胞必须可重复地用于：

• 广泛增殖并产生足够数量的细胞来替换丢失或受损的组织。
• 分化成所需的细胞类型。
• 移植后在受者体内存活。
• 移植后融入周围组织。
• 避免被接受者的免疫系统排斥。
• 在接受者的一生中适当地发挥作用。

虽然干细胞为未来的治疗提供了令人兴奋的希望，但仍然存在重大的技术障碍，只有通过多年的深入研究才能克服这些障碍。

注意：目前，美国食品和药物管理局 (FDA) 批准在美国使用的唯一基于干细胞的产品包括源自脐带血的造血干细胞（造血祖细胞）。这些产品被批准用于患有影响与血液产生相关的身体系统（称为“造血”系统）的疾病的患者的有限使用。这些 FDA 批准的干细胞产品列在 FDA 网站上. 骨髓也用于这些治疗，但通常不受 FDA 对这种用途的监管。FDA 建议考虑干细胞治疗的人确保该治疗已获得 FDA 批准或正在研究新药申请（IND）下进行研究，IND 是 FDA 提交并允许继续进行的临床研究计划。

五、NIH 如何支持干细胞研究？

NIH 使用一系列不同类型的干细胞开展并资助基础、转化和临床研究。NIH 支持的人类多能干细胞研究是根据 NIH 人类干细胞研究指南的条款进行的。NIH 奖项通过NIH 对各种研究、状况和疾病类别 (RCDC) 的资助估算被列在各种干细胞研究类别中 。NIH 还通过再生医学创新项目支持一项主要的成人干细胞和 iPSC 研究计划 。