國內外干細胞研究進展.docx

國內外干細胞的研究進展摘 要：干細胞研究是近年來生物醫(yī)學領域的熱門方向之一，干細胞產(chǎn)業(yè)具有巨大的社會效益和市場前景，受到世界各國的高度重視。美國、歐盟、日本、韓國和中國在干細胞領域投入重金支持基礎和臨床研究，大力推動干細胞產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。本文通過對比世界干細胞研究的熱點領域，分析了中國在該學科取得的成績和存在的差距，進一步提出了針對中國干細胞研究發(fā)展的政策建議。關鍵詞：干細胞，研究現(xiàn)狀，前景與展望Abstract:Stemcellresearchisoneofthehotresearchfieldsinbiomedicinenowadays.Manycountriesattachimportancetothestemcellindustrybecauseofthegreatsocialbenefitsandmarketpotential.USA,EU,Japan,KoreaandChinahaveincreasedtheinputofcapitaldramaticallytopromotethebasicandclinicalresearchofstemcellaswellasstemcellindustry.Bycomparingthesituationofstemcellresearchathomeandabroad,wefoundthat,inrecentyears,anobviousprogresshasbeenmadeinstemcellresearch,however,thegapbetweenChinaandthedevelopedcountriesstillexists.AndfurtherputsforwardthepolicysuggestionsinthedevelopmentofstemcellresearchinChina.Keywords：stemcells，researchstatus，prospect1、前言20世紀90年代以來，隨著細胞生物學技術的發(fā)展及體外分離、培養(yǎng)人胚胎干細胞的成功，干細胞經(jīng)適當誘導分化可發(fā)育為不同類型的細胞、組織和器官，成為移植供體的新來源，作為“種子細胞”的干細胞可以通過細胞工程的方法在體外發(fā)育為各種特異性的細胞供移植和細胞替代所需，并可作為基因療法的靶細胞用于治療和研究。由于干細胞有廣泛的應用前景，它已成為近年來醫(yī)學和生物學領域研究的熱點。干細胞（stemcells）是人體及其各種組織細胞的最初來源，是一類具有自我更新、高度增殖和多向分化潛能的細胞群體。在生命科學領域中，干細胞應該是近年來最能引起全社會廣泛關注的熱點之一。1999年末，美國科學雜志把干細胞研究成果列為當年十大科學進展之首，預示著21世紀生命科學時代提前到來。2001年末，科學又把干細胞研究列為2002年六大熱門科技領域榜首1。進入2001年，美國及歐盟的許多國家已紛紛立法允許應用干細胞進行治療性克隆的研究。干細胞研究被譽為新世紀生物和醫(yī)學技術領域可能取得革命性突破的項目，具有非常廣泛的應用前景。科學家們預測，如果此項研究進展順利，那么在3-5年內將使糖尿病、肝病、血液病、角膜病、老年性癡呆癥得到有效治療。10年內，可以全面實施人體組織工程(治療性人體器官克隆)，甚至實現(xiàn)人體器官模塊化目標。干細胞生物工程為人類最終戰(zhàn)勝疾病展現(xiàn)了曙光。有科學家樂觀地估計，人類戰(zhàn)勝疑難疾病，擁有健康將是完全可能的。2、干細胞干細胞(stemcell)是一類具有多分化潛能和自我復制功能的早期未分化細胞。在特定條件下，它可以分化成不同的功能細胞，形成多種組織和器官。按其分化階段不同，干細胞大致可分為胚胎干細胞(embryonicstemcell，ESC細胞)和成體干細胞(multipotentstemcell，ASC)。ESC是指當受精卵分裂發(fā)育成囊胚時內細胞團(innercellmass)的細胞，這種細胞最大的特征便是具有無限增殖、自我更新的特性，最重要的是無論在體外還是體內環(huán)境，這種細胞都能被誘導分化為機體幾乎所有的細胞類型。ASC是一類成熟較慢但能維持自我增殖的未分化的細胞，這種細胞存在于各種組織的特定位置上，一旦需要，這些細胞便可分化產(chǎn)生出一群具有有限分裂能力的細胞群。目前研究較多的干細胞除了ESC外，還有ASC如造血干細胞HSC、骨髓間充質干細胞MSC、神經(jīng)干細胞NSC、肌肉干細胞、成骨干細胞、內胚層干細胞和視網(wǎng)膜干細胞等。2.1干細胞的調控2.1.1內源性調控 不對稱分裂對干細胞自我復制非常重要，而這一行為是通過干細胞內的一些結構蛋白和多肽因子調控的，比如在果蠅卵巢中，有一種稱為收縮體的調節(jié)蛋白。收縮體與紡錘體的結合部位決定了干細胞分裂的位置，從而把維持干細胞性狀所必需的成分保留在子代干細胞中，實現(xiàn)干細胞的自我復制。轉錄因子對干細胞分化的調節(jié)也非常重要，比如，Oct4是一種哺乳動物胚胎細胞表達的轉錄因子，在胚胎干細胞的發(fā)生中，它通過誘導生長因子的表達和分泌，影響干細胞周圍滋養(yǎng)層細胞的成熟，從而調節(jié)干細胞的進一步分化，Oct4缺失突變的胚胎存在發(fā)育障礙。此外，端粒體的長度與干細胞的增殖和分化也有重要關系。敲除端粒體基因的小鼠，其造血干細胞的自我復制能力下降；雄性鼠的精細胞發(fā)育也受到障礙，因為端粒體的長度影響染色體的功能，因此染色體的功能狀態(tài)可能決定了干細胞的命運。2.1.2外源性調控除內源性調控外，干細胞的分化還受到其周圍組織細胞及細胞外基質等外源性因素的影響。分泌因子 至少有兩類因子在不同組織甚至不同種屬中調節(jié)干細胞的增殖和分化： 轉化生長因子和Wnt（編碼一組調節(jié)胚胎發(fā)育的分泌蛋白質）家族，比如在角膜干細胞的分化中，轉化生長因子作用于角膜緣干細胞周圍的間質細胞，誘導間質細胞分泌各種細胞因子，包括血小板衍生生長因子和白血病抑制因子等，對角膜緣干細胞的增殖與分化具有調節(jié)作用。其他細胞因子，比如膠質細胞衍生的神經(jīng)營養(yǎng)因子，不僅能夠促進多種神經(jīng)元的存活和分化，還對精原細胞的再生和分化有決定作用。Wnts的作用機制是通過阻止一種細胞黏附分子-Catenin的分解，從而激活轉錄因子Tcf/Lef 的表達，促進干細胞的分化。膜蛋白介導的細胞間相互作用 干細胞的調控也可通過細胞與細胞的相互作用而實現(xiàn)，比如，細胞膜表面分子Notch 通過結合其配體Delta或Jagged，從而在干細胞和周圍細胞間傳遞信號，脊椎動物的胚胎及成年組織包括視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮、骨骼肌和血液系統(tǒng)中，Notch信號起著非常重要的作用：當Notch與其配體結合時，干細胞進行增殖；當Notch活性被抑制時，干細胞進入分化程序，發(fā)育為功能細胞。細胞外基質對干細胞的調控 整合素家族是介導干細胞與細胞外基質黏附的最主要的受體，它通過直接激活多種生長因子受體，從而為干細胞的增殖提供適當?shù)奈h(huán)境，細胞外基質通過調節(jié)1整合素的表達和激活，調節(jié)基底膜成分的變化和干細胞微環(huán)境中分泌因子的濃度，從而影響干細胞的分布和分化方向。3、國外干細胞的研究現(xiàn)狀雖然早在1970年，小鼠胚胎干細胞就可以成功的在體外進行培養(yǎng)，但是干細胞的研究一直未引起人們足夠的重視。20世紀90年代后期，Nature雜志先后發(fā)表了利用成體動物細胞核克隆綿羊“多莉”和克隆鼠的報道，使發(fā)育生物學理論有了革命性的突破。特別是1998年Thomson2實驗室和Shamblott3實驗室分別成功地建立了人體胚胎干細胞系，在全球掀起了繼人類基因組計劃之后的又一次生物醫(yī)學的革命，使干細胞的基礎和應用研究受到了世界各國政府和研究者的高度重視。為搶占這一科技制高點，世界各國紛紛投入大量的人力、物力和財力加緊研究開發(fā)，并取得應用性成果。特別是近年來，國際上干細胞基礎研究領域的新成果層出不窮，其中在若干方面還取得了重大突破，吸引了科技界、產(chǎn)業(yè)界和政府機構關注，并將成為今后相當一段時期的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化熱點。3.1美國干細胞研究現(xiàn)狀在干細胞研究領域，美國保持著絕對領先的地位。從最初的骨髓移植算起，干細胞研究在美已進行了30多年。美國在該領域的進展較快，目前在美國已建立了16株人胚胎干細胞系4，在胚胎干細胞的誘導分化、基因調控以及相關組織工程上均取得了一大批研究成果和專利。2002年4月，美國國家衛(wèi)生研究所決定撥款350萬美元，資助4所機構進行人類胚胎干細胞研究。這是美國總統(tǒng)布什宣布允許有限支持人類胚胎干細胞研究以來，美政府向該領域投入的首筆大額經(jīng)費5。2005年10月，美國食品和藥物管理局(FDA)也已批準將神經(jīng)干細胞移植入人體大腦。2006年財力雄厚的哈佛大學宣布正式啟動通過克隆人類胚胎提取干細胞的研究項目，并投巨資建立美國最大的干細胞研究中心。2011財年，美國國立衛(wèi)生院（NIH）將投入3.58億美金支持成體干細胞研究6。3.2英國干細胞研究現(xiàn)狀2001年1月，英國第一個將克隆研究合法化，允許科學家培養(yǎng)克隆胚胎以進行干細胞研究，并將這一研究定性為“治療性克隆”7。2005年英財政大臣稱將建立全國性干細胞研究網(wǎng)絡，以鞏固英國在該領域的領先地位，2006年，英國批準世界首個干細胞銀行向各國科學家或實驗室提供胚胎干細胞。2006年，歐盟議會通過干細胞研究撥款法案，干細胞研究在歐盟從此擁有“合法身份”，英國首相布萊爾在美國訪問期間，努力推動英國和加利福尼亞洲加強干細胞研究合作。3.3日本干細胞研究現(xiàn)狀日本把干細胞技術視作在生命科學和生物技術領域趕超歐美國家的絕好機遇，在2000年啟動的“千年世紀工程”中，將干細胞工程作為四大重點之一，于第一年度就投入了108億日元的巨額8。日本科學家在誘導性多能干細胞（iPS）領域處于世界領先地位，日本政府同樣決定加強對日本研究所和大學從事iPS研究的支持，以便讓他們在日本和其他國家為其應用技術方法和思路方面取得專利，保護日本的國家利益。鑒于日本缺少海外專利系統(tǒng)經(jīng)驗，其文部科學省鼓勵聘用精通西方專利系統(tǒng)的知識產(chǎn)權、有海外工作經(jīng)歷的專家，對研究機構提供專利應用戰(zhàn)略咨詢。3.4其他國家（除中國）干細胞研究現(xiàn)狀此外，德國、新加坡、澳大利亞等多個國家也把干細胞研究作為生物高技術研究的重點，不但制定了短期和長期的發(fā)展計劃，而且投資建立了大批專業(yè)化干細胞工程技術研究中心。瑞典、巴西也于2005年通過立法繼續(xù)支持干細胞研究。2000年新加坡、澳大利亞的Pera等也有培養(yǎng)成功人胚胎干細胞的相關報道9。2006年，澳大利亞眾議院通過了一項新法案，通過了克隆人體胚胎干細胞研究的法令，從而令治療性克隆研究合法化。韓國政府大力投資干細胞研究，計劃到2015年，干細胞研究年度經(jīng)費將從3300萬美元提高到9800萬美元，建立至少5個世界級研究團隊。印度藥品管理局（DCGI）批準了干細胞產(chǎn)品的第一個臨床試驗，通過一個聯(lián)合的期和II期臨床試驗，干細胞產(chǎn)品能否使心肌梗塞和重癥肢體缺血患者受益10。4、我國干細胞的研究現(xiàn)狀在這場干細胞研究開發(fā)的國際競爭中，我國的反應較快。自20世紀90年代后期以來，干細胞研究一直受到我國政府和科學界的高度關注。1998年起，國家科技部和國家自然科學基金委員先后把干細胞研究作為我國科技發(fā)展的重點領域，并于2000年以來連續(xù)多年將其列入“863”、“973”、國家自然基金重點項目，投入大量資金資助。根據(jù)PubMed數(shù)據(jù)庫的檢索結果，以我國為第一承擔單位發(fā)表的干細胞相關論文數(shù)由1998年僅占全世界總數(shù)的0.3%上升至2010年的7.5%。截至2010年3月，中國干細胞相關發(fā)明專利申請量和作為專利優(yōu)先權國家的專利數(shù)量分別位居世界第6位和第3位11。1986年，中國醫(yī)學科學院血液學研究所首次實行白血病患者自體干細胞移植12。2001年2月，國家“973”組織工程首席科學家、上海第二醫(yī)科大學整形外科學教授曹誼林教授用干細胞在兔耳上培育出人耳13。2002年7月，中山大學第二附屬醫(yī)院干細胞中心終于在國內建立了第一個中國人胚胎干細胞系14，使我國胚胎干細胞的研究步入了國際先進行列。2009年，中國科學院動物研究所周琪研究員和上海交通大學醫(yī)學院曾凡一研究員在世界上第一次獲得了完全由iPS細胞制備的活體小鼠，有力證明了iPS細胞具有真正的全能性15。尤其是在神經(jīng)干細胞臨床應用領域，干細胞治療糖尿病和股骨頭壞死等方面的研究走在世界的前列。目前，天津血液研究所、上海市第二人民醫(yī)院在血液干細胞技術上也有比較突出的成就，正在開展其他應用的研究。北京中關村生命科技園也將干細胞研究列為首批入園的九大項目之一16。5、我國干細胞的研究與國外相比存在差距近年來，雖然我國通過大力支持干細胞研究，各方面已經(jīng)取得了較大進展，但是對比美國等發(fā)達國家，我國的干細胞研究與產(chǎn)業(yè)化水平還存在較大差距。國內干細胞研究起步較晚， 目前大多在動物實驗階段且鮮有成功的報道，人造血干細胞方面研究較多，從臍帶血中分離干細胞的報道占有相當篇幅，但尚未能進入實用階段。干細胞的研究中還有許多問題亟待解決。例如，成人干細胞的確切定位和功能；它的特定功能狀態(tài)的調控機制；體外操作對干細胞分化特性的影響；干細胞定向分化的誘導因子以及它們作用的機制等等；這些問題的解決對胚胎發(fā)育的研究及臨床疾病的治療必將起到極大的推動作用。目前，我國干細胞基礎研究發(fā)展水平與國外仍存在較大差距。據(jù)ISIWebofScience數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，2009年，我國干細胞研究文獻發(fā)表數(shù)量雖居世界第五位，而平均引用頻次僅2.40次/篇，排名第九，遠低于排名第一美國的5.30次/篇。據(jù)統(tǒng)計，2009年全球約有100多個重要干細胞中心，美國和加拿大有50個先進中心，英國大約有20個，歐洲其他地區(qū)大約25個，亞太地區(qū)約30個，主要集中在日本和韓國。我國基礎研究能力和取得的成果不足以支撐該領域的迅速發(fā)展。對20002010年收錄的干細胞文獻進行分析發(fā)現(xiàn)，美國發(fā)表的文獻占干細胞研究總文獻量的比例超過39%，以絕對的優(yōu)勢穩(wěn)居全球干細胞研究領域的首位。這表明，盡管美國在奧巴馬執(zhí)政前一直限制政府研究經(jīng)費資助干細胞的研究，但這絲毫沒有降低美國研究人員對干細胞研究的興趣。亞洲共有3個國家進入前10位，分別為日本、中國和韓國，其中中國位居全球第6位，亞洲第2位17。近些年來，我國干細胞研究在iPS和胚胎干細胞、腫瘤干細胞與干細胞分化潛能等方面研究和世界主流方向一致；但在成體干細胞研究方面如神經(jīng)干細胞、造血干細胞等方面，我國基礎研究的工作還不夠全面；在臨床結合較緊密的領域如心臟病的治療方面，研究還不夠深入；在一些新興領域如干細胞的調控網(wǎng)絡方面，還沒有大范圍開展工作。深入尋找干細胞自我更新及分化機制，并更為安全地用于臨床，我國還有相當多的工作要做。6、干細胞的研究前景及展望目前，干細胞、尤其是胚胎干細胞的識別、分離、增殖、定向分化已成為細胞生物學乃至整個生命科學的主攻熱點之一。在人類基因組工作框架完成之后，干細胞研究、組織工程研究將與后基因組計劃相輔相成，成為21世紀生命科學研究領域的重中之重。從理論上講，干細胞可以用于各種疾病的治療，但是它的應用卻受到社會倫理學的制約18。雖然到目前為止，有關干細胞的研究已經(jīng)做了大量的工作，但干細胞的研究中還有許多問題亟待解決19。目前，干細胞的識別、分離、增殖、定向分化已成為細胞生物學乃至整個生命科學的主攻方向之一，干細胞的醫(yī)學應用更是對傳統(tǒng)治療方式的一場革命。正因為如此，以干細胞應用為主體的眾多生物技術公司在西方國家迅速成立并得到人們的普遍關注?？梢灶A見，干細胞特性的逐步闡明將把我們帶入一個醫(yī)學的新紀元。參考文獻1施渭康.干細胞工程學研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景J.中國科學院院刊.2002,2:95.2ThomsonJA,Itskovitz-EldorJ,ShapiroSS,etal.Embryonicstemcelllinesderivedfromhumanblastocysts.Science,1998,28(5391):11451147.3ShambolttMJ.AxelmanJ.WangS,etal.Derivationofpluripotentstemcellsfromculturedhumanprimordialgermcell.ProcNat1AcadSciUSA,1998,95(23):1372613731.4VogelG.Embryonicstemcellsnotsostealthyafterall.Science,2002,297:175177.5楊志鵬，周浙閩.國內外干細胞研究現(xiàn)狀及趨勢綜述J.福建醫(yī)藥雜志,2003,25（05