干細(xì)胞的定義、特性、各個(gè)分類及其應(yīng)用范圍

   
干細(xì)胞 (Stem cell，SC) 是指在多細(xì)胞生物體發(fā)育的早期階段產(chǎn)生的一類具有自我更新能力，并可分化為多種細(xì)胞譜系的細(xì)胞 (分化潛能)。干細(xì)胞在一定條件下可以分化成為各種不同的組織細(xì)胞，進(jìn)一步可培養(yǎng)形成人體各種組織和器官 (圖 1)。目前，干細(xì)胞在細(xì)胞治療、器官移植、神經(jīng)退行性疾病建模和藥物篩選等領(lǐng)域得到廣泛^[1][2]。

圖 1. 干細(xì)胞：主要描述干細(xì)胞可根據(jù)起源和分化潛能對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行分類。

 

■ 根據(jù)干細(xì)胞來源劃分

胚胎干細(xì)胞 (ESCs)：胚胎干細(xì)胞 (ESCs) 由于其再分化的能力遠(yuǎn)高于成體干細(xì)胞，擁有分化為三個(gè)胚層的細(xì)胞的多種分化潛能。

Tips: 外胚層可主要形成表皮和神經(jīng)系統(tǒng)，中胚層進(jìn)一步發(fā)育為體內(nèi)的真皮、肌肉、骨骼及其他結(jié)締組織和循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)胚層進(jìn)一步形成各類器官的上皮組織。

 

成體干細(xì)胞 (ASCs)：是體細(xì)胞或組織特異性干細(xì)胞，也是未分化的細(xì)胞，在發(fā)育后的身體各部分中存在，具備分化為體內(nèi)各種細(xì)胞的潛能。
Tips: 成體干細(xì)胞通過細(xì)胞分裂增殖的方式補(bǔ)充死亡細(xì)胞，并能使受損的組織再生，其中包括：造血干細(xì)胞 (HSCs)，生殖干細(xì)胞 (GSCs)，間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSCs)，神經(jīng)干細(xì)胞 (NSCs)，視網(wǎng)膜干細(xì)胞 (RSCs)，心臟干細(xì)胞 (CSCs) 等細(xì)胞類型。

圖 2. 成體干細(xì)胞：主要描述了成體干細(xì)胞在人體內(nèi)的主要類型和終端分化方向

 

■ 根據(jù)分化潛能劃分

全能干細(xì)胞 (Totipotent stem cells) 的全能性是指具有潛能生成組成胚胎以及支持胚胎在子宮生長發(fā)育的全部細(xì)胞和組織，并能繼續(xù)分化一直生長為一個(gè)成熟個(gè)體。

 

多能干細(xì)胞 (Pluripotent stem cells) 如 ESCs，可以分化為三個(gè)胚層的胚胎干細(xì)胞，包括胚泡內(nèi)細(xì)胞團(tuán)來源和胚胎生殖嵴生殖細(xì)胞來源的干細(xì)胞。與全能干細(xì)胞的區(qū)別在于無法分化為胚胎外組織細(xì)胞 (如滋養(yǎng)層形成的胎盤和臍帶組織) 的能力。

 

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSCs) 又稱人工誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，是一種由哺乳動(dòng)物成體細(xì)胞經(jīng)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)錄因子，如 SOKM (Sox2、Oct4、Klf4 和 c-Myc) 組合使體細(xì)胞重新編程回到多能干細(xì)胞狀態(tài)^[5]。

 

 
成體多能干細(xì)胞和寡能干細(xì)胞這些細(xì)胞的分化潛能稍次于多能干細(xì)胞 ESCs。成體多能干細(xì)胞 (Multipotent stem cells)：如造血干細(xì)胞可進(jìn)一步分化形成體內(nèi)血小板和紅細(xì)胞 (圖 3)。單能干細(xì)胞 (Unipotent stem cells) 只能向一種類型的細(xì)胞分化，其發(fā)育潛能最低。

 

 

圖 3. 造血干細(xì)胞的分化^[7]。

巨核造血和紅細(xì)胞生成的分化途徑。巨核細(xì)胞生成的典型特征是細(xì)胞大小成倍的增加，導(dǎo)致最后胞體延伸，長出“假肢”(血小板)，隨后將血小板釋放到血液中。
紅細(xì)胞生成過程需要經(jīng)歷幾個(gè)形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化，最后產(chǎn)生嗜堿、嗜多色和嗜酸的紅細(xì)胞。直到終端成熟期結(jié)束，網(wǎng)狀細(xì)胞被釋放到血液中，才完成對(duì)成熟紅細(xì)胞的成熟。
MK：巨核細(xì)胞；HSC：造血干細(xì)胞；CMP：普通髓系祖細(xì)胞；MEP：巨核細(xì)胞-紅細(xì)胞祖細(xì)胞。
 
 
 
 

 

 

干細(xì)胞培養(yǎng)所需的細(xì)胞因子主要屬于轉(zhuǎn)化生長因子-β 超家族和集落刺激因子兩大類別。

轉(zhuǎn)化生長因子-β 超家族 (TGF-βs)：由近 30 個(gè)成員組成，其中包括 TGFβ (TGF-β1、TGF-β2 和 TGF-β3)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白 (BMP)、激活素 (Activin A) 和抑制素 (Inhibin)等。
受體分為兩大類 (I 型和 II 型)，都是絲氨酸-蘇氨酸激酶。I 型受體的激活導(dǎo)致各種 Smads 蛋白的磷酸化，這些蛋白易位至細(xì)胞核并激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。II 型受體的激活主要促進(jìn) ERK、JNK 和 p38 MAPK 激酶等信號(hào)通路^[8。
常用的培養(yǎng)因子如 BMP-4 和激活素 A (Activin A) 在細(xì)胞的生長和分化過程中發(fā)揮重要作用。
 
集落刺激因子 (CSFs)：包括巨噬細(xì)胞集落刺激因子 (M-CSF)、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子 (GM-CSF)、粒細(xì)胞集落刺激因子 (G-CSF) 和多能集落刺激因子 (multi-CSF/IL-3)，它們被廣泛用于促進(jìn)血細(xì)胞發(fā)育和分化。廣義上講，所有能夠刺激造血過程的細(xì)胞因子都可以統(tǒng)稱為 CSF，例如刺激紅細(xì)胞生成的促紅細(xì)胞生成素 (EPO)、刺激造血干細(xì)胞生成的干細(xì)胞因子 (stem cell factor，SCF)、刺激胚胎干細(xì)胞的生成的白血病抑制因子 (Leukemia inhibitory factor，LIF) 等。

 

 
干細(xì)胞需要生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)共同作用來保持分化和發(fā)育。例如，科學(xué)家已經(jīng)可以使用重組蛋白實(shí)現(xiàn)在體外誘導(dǎo) HSCs 的分化，產(chǎn)生紅細(xì)胞和血小板，并研究出最佳的培養(yǎng)條件，以最大限度地提高每一個(gè)巨核細(xì)胞產(chǎn)生的血小板產(chǎn)量，以及提高在體外獲得的帶核紅細(xì)胞的數(shù)量。
 
重組人 TPO 常用于生成巨核細(xì)胞。血小板成素及其類似物與多種細(xì)胞因子結(jié)合，包括干細(xì)胞因子和白細(xì)胞介素 (例如 IL-3、IL-6、IL-11)，在它們的共同作用下促進(jìn)造血干細(xì)胞產(chǎn)生成熟巨核細(xì)胞群，進(jìn)而形成血小板，同時(shí)無需補(bǔ)充血清或與飼養(yǎng)細(xì)胞共培養(yǎng)^[11][12]。
 

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院袁教授團(tuán)隊(duì)通過體外和體內(nèi)模型證明了聯(lián)合應(yīng)用吡咯替尼(Pyrotinib) 和阿帕替尼 (Apatinib) 治療 ER2 陽性 GC (Gastric Cancer) 具有協(xié)同作用，通過 RNAseq、KEGG 數(shù)據(jù)庫和 Western-blot 等實(shí)驗(yàn)分析 NCI-N87 和 NCI-N87-AR (耐 Pyrotinib) 細(xì)胞中 SCF 的表達(dá)水平存在差異，發(fā)現(xiàn)不同濃度 SCF 通過激活 PI3K/AKT 和 MAPK 信號(hào)通路是產(chǎn)生獲得性吡咯替尼耐藥的潛在機(jī)制，從而為 HER2 陽性 AGC (Advanced Gastric Cancer) 患者的臨床研究奠定基礎(chǔ)。

圖 5. 用不同濃度的SCF (Purchased from MedChemExpress) 處理 NCI-N87 細(xì)胞時(shí)，無論是否添加了 Pyrotinib，SCF/c-kit 的表達(dá)以及下游的 PI3K/AKT 和 MAPK 途徑蛋白表達(dá)都以劑量依賴的方式上調(diào)。
 

 

MCE 提供多種干細(xì)胞研究所用的具有高純度、高活性重組蛋白、細(xì)胞因子以及小分子化合物。

 

表 1：各類干細(xì)胞培養(yǎng)和誘導(dǎo)分化常用的人源細(xì)胞因子

蛋白/ 細(xì)胞因子	造血 干細(xì)胞 (HSC)	胚胎 干細(xì)胞 (ESC)	神經(jīng) 干細(xì)胞 (NSC)	誘導(dǎo)性多能 干細(xì)胞 (iPSC)	間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSC)
FGF-2	√	√	√	√	√
EGF	√	√	√	√	√
TGF-β1	√	√			√
TGF-β3					√
BMP-4		√		√	√
Activin A		√
IL-3	√	√
SCF	√
Flt3-ligand	√
GM-CSF	√
G-CSF	√
M-CSF	√
LIF		√		√
TPO	√
VEGF165	√
FGF-8b			√
IL-6	√
SHH			√
CNTF			√	√
Noggin				√
PDGF-BB					√
R-spondin 1				√
HGF				√
Vitronectin		√		√

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報(bào)，我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)

 

 
 

參考文獻(xiàn)

 

 

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