胚胎与成体干细胞的知识及其在复杂疾病中的应用全解析

近年来，科研领域不断传来令人振奋的消息，诸多疑难病症的治疗取得关键进展。在这背后，干细胞技术的发展功不可没。干细胞，这种神奇的细胞，拥有自我更新和分化为多种细胞类型的能力，成为医学研究的焦点。接下来，我们将从干细胞的基础概念出发，探寻其在复杂疾病治疗中的创新应用。

本章将深入剖析干细胞的基本原理，及其在诸如神经变性、心血管疾病等复杂病症领域的应用。明晰干细胞的生物学特性，对于挖掘其在糖尿病、神经退行性疾病、心血管疾病以及自身免疫疾病治疗方面的潜力而言，有着举足轻重的意义。

以干细胞为基石构建的疗法，犹如为逆转受损组织与器官开辟了一条充满希望的光明大道。它不仅为疾病机理的研究搭建了理想的模型，更为药物研发提供了全新的思路与方向。尤其是在神经退行性疾病的治疗上，干细胞展现出了前所未有的潜力，有望成为革新治疗策略的关键力量，为下一代医学的蓬勃发展注入磅礴动力。

01干细胞简介

干细胞具备自我更新与经多轮分化、分裂产生特定成熟细胞的能力，自我更新及受控分化能力是其重要特性。

胚胎发育时特性渐变，成年后干细胞数量少且分散于各组织。

理解胚胎干细胞起源，需明晰全能性与多能性。

全能性指单个植入细胞再生完整生物体的能力，始于受精卵；多能性指细胞发育为除胎盘滋养层细胞外多种细胞的能力，始于早期胚胎阶段。受精卵独具全能性，胚胎干细胞具多能性，源自囊胚阶段，能产生神经嵴三层的不同细胞。

为了理解全能性和多能性的概念，请读者参考图1。该图描述了胚胎的发育阶段以及从胚胎中分离胚胎干细胞的过程。

多能干细胞（胚胎干细胞）会产生祖细胞，祖细胞是有丝分裂的，没有功能。从谱系的祖细胞中，会形成具有有限寿命的实际功能细胞。该图还显示了单能/多能成体干细胞如何产生诱导性多能干细胞体外。

依 “发育潜能” 分类，受精卵虽可作干细胞来源，但卵裂球自我补充潜力有限，胚胎发育为特定细胞谱系的效率促成胚胎干细胞产生。胚胎干细胞最早被研究，具独特多能性，先从小鼠后从人类胚胎分离，体外特定条件可保持发育成胚层能力。非胚胎干细胞有多能性（如造血干细胞）或单能性（如骨骼肌卫星细胞），胚胎干细胞发育潜能远超单能细胞。

植物发育阶段也有类似干细胞特性组织，即分生组织，分初生和次生。图2展示了植物细胞中几种分生组织的示意图。

部分体细胞如神经元等无法自我补充，干细胞却能持续再生，损伤时补充体细胞，维持组织动态平衡。

成体干细胞从非胚胎组织分离，具多能性，在生理系统有重要作用，可从羊水、脐带等多处获取，在治疗心脏病和神经退行性疾病等复杂病症方面潜力巨大，后续章节将深入探讨。

02为何干细胞至关重要？

干细胞至关重要，原因如下：

强大的分化潜能：干细胞具备发育成完整生物体的能力，能分化为人体众多细胞类型，包括神经元，这为构建和修复人体组织与器官提供了可能。胚胎干细胞曾因巨大分化潜能被视为治疗性细胞/组织工程应用的理想选择，虽存在免疫反应问题，但相关技术发展（如治疗性克隆、诱导多能性技术）在一定程度上解决了难题，使干细胞分化潜能得以更好利用。

显著的再生治疗效果：在多种疾病的细胞治疗中展现出显著效果，像心脏病、神经退行性疾病以及遗传疾病等。通过对体细胞进行重编程或去分化形成的癌症干细胞，也有助于转分化和去分化过程，进一步挖掘干细胞在疾病治疗中的潜力。而且干细胞与癌细胞在特性上有明显差异，干细胞不会破坏免疫系统和发生转移，安全性更高。

广泛的临床应用：在临床应用中发挥着重要作用，最常见的是造血干细胞移植用于治疗血友病、白血病和血小板减少症等血液疾病。干细胞库通过收集自体组织，催生了多种应用，为临床治疗提供了更多资源和选择 。

推动医学研究革新：在革新健康与医学研究方面潜力巨大。识别不同组织来源的干细胞，可为基因治疗提供合适靶点，有助于开发新的药物靶点以及建立新的疾病模型，为再生医学领域开辟新前景，如针对自身免疫性β细胞功能障碍、染色体疾病、先天性心脏病和神经退行性疾病等的研究，使未来医学研究在很大程度上依赖于干细胞研究的进展。

03干细胞的特性

干细胞的特性在很大程度上取决于其细胞分裂的性质、功能、发育模式和多样性。干细胞后代还吸收了自我补充和分化的固有潜力；因此，它真诚地致力于任何涉及大量细胞分裂过程以产生功能性细胞、组织或器官的谱系。

根据发育来源（源组织），它们可以根据其后代命名。例如，脐带血由可发育成血细胞和间充质细胞的细胞组成，因此，它们分别被命名为造血干细胞和间充质干细胞。对于谱系分化，可以参考图3中一个有趣的图示。

胚胎的囊胚成为胚胎干细胞的来源，然后通过原肠胚形成三个胚层。从多能胚胎干细胞中，胚层形成了多个器官和器官系统。成体干细胞来自这三个胚层，它们是多能的或单能的。

干细胞的特性：自我更新与分化：干细胞具有自我更新和分化为特定功能细胞的潜力，能够通过多次分裂形成组织或器官。

命名依据：干细胞根据其来源组织命名，例如脐带血中的造血干细胞和间充质干细胞。

干性与可塑性：

• 干性：指单个细胞分化为多种细胞谱系的能力。
• 可塑性：成体干细胞发育为新表型的能力，通常通过转分化（一种已分化细胞转变为另一种细胞类型）实现。

干细胞微环境（干细胞龛）：

• 干细胞位于特殊的微环境中，称为“干细胞龛”，为其提供营养并维持干性。
• 干细胞龛通常具有低氧张力，参与细胞的保护和黏附过程。
• 转录因子（如Oct-4）和厌氧环境对干细胞的干性维持至关重要。

干细胞的增殖与分化调控：

• 干细胞的增殖和分化涉及多种信号通路，如Wnt、PI3K、MAPK、NO和钙信号通路。
• 维持干细胞群体不发生特化的机制对其生命周期至关重要。

干细胞的独特特性：

• 干细胞能够经历多轮细胞分裂和增殖，而大多数体细胞（如心肌细胞、神经元）不具备这种能力。
• 干细胞不具有特定组织的特征，但可以在特定条件下分化为功能细胞。

干细胞的分化过程：

• 分化涉及干细胞经历不同发育阶段，受内部（DNA）和外部（微环境中的物理和化学因子）信号调控。
• 干细胞龛中的分子和细胞信号促使干细胞最终走向分化。

干细胞的致瘤性：

• 某些干细胞具有致畸性，可能发育成良性或恶性肿瘤。

• 畸胎瘤：起源于卵母细胞的良性肿瘤，形成无序的胚胎组织。
• 畸胎癌：睾丸中的恶性实体瘤，是典型的干细胞肿瘤。

总结：干细胞具有自我更新、分化和可塑性等特性，其行为受微环境和多种信号通路调控。干细胞的独特特性使其在再生医学中具有重要应用价值，但也可能引发肿瘤形成。理解干细胞的发育和调控机制对于其研究和应用至关重要。

胚胎干细胞的来源

囊胚的内细胞团：这是胚胎干细胞最主要的来源。在哺乳动物的胚胎发育过程中，受精卵经过多次细胞分裂后，会形成一个由许多细胞组成的囊胚。囊胚大约在受精后的第5-7天形成，其结构包括外层的滋养层细胞和内部的内细胞团。

• 滋养层细胞会发育成胎盘等附属结构，而内细胞团则具有发育成各种组织和器官的潜力，将内细胞团细胞分离出来并在体外合适的培养条件下培养，就可以获得胚胎干细胞。

原始生殖细胞：原始生殖细胞是产生精子和卵子的前体细胞，在胚胎发育早期就已经存在。从胚胎的生殖嵴等部位分离出原始生殖细胞，经过特殊的培养和诱导条件，也可以使其转化为具有胚胎干细胞特性的细胞，这类细胞有时也被称为胚胎生殖细胞（Embryonic Germ Cell，简称EG细胞），在功能和特性上与胚胎干细胞有很多相似之处。

体外受精：2010年因体外受精（IVF）技术发展，成为胚胎干细胞研究黄金年。此技术由罗伯特・爱德华兹开发，为分离鉴定人类胚胎干细胞奠基。经IVF产生、用于临床的新鲜或冷冻卵裂期胚胎，获个体同意后获取，是人类胚胎干细胞最佳来源，经培养至囊胚阶段并多次传代，可得多种胚胎干细胞系。

核移植：作为IVF替代法，成体细胞通过核转移至卵母细胞质或与多能细胞融合，可重编程为多能状态。体细胞核移植在动物中成功赋予核基因组发育潜能，如 “多莉” 羊。虽生成人类胚胎干细胞不太成功，但有助于保存体细胞核，为濒危动物再生带来希望，且相比IVF，用于研究时破坏早期胚胎的伦理问题较少。

胚胎干细胞实验室培养

为了解体外胚胎干细胞，需回顾胚胎组织形态。受精卵具全能性，经特定卵裂分裂形成胚胎，从最初2个细胞逐步分裂，16-32个细胞时为桑葚胚，后发育为早、中、晚期囊胚，晚期囊胚后见胚层。应在早期囊胚阶段小心分离内细胞团，用无菌方法培养，胚胎各阶段及胚胎干细胞分离阶段列于表1。

建立小鼠和人类胚胎干细胞系均过程繁琐：

小鼠胚胎干细胞系建立： 

• 来源与培养：源于IVF时，从囊胚内细胞团分离细胞，在经丝裂霉素C处理的胚胎成纤维细胞饲养层及特定培养基中培养超40代；源于核移植时，将卵丘细胞核转移至小鼠卵母细胞后按相同方案培养。 
• 移植准备：用于小鼠移植的细胞，需在明胶包被培养皿培养至少两代以除饲养层。
• 分析筛选：对细胞进行细胞遗传学分析，用吉姆萨染色筛查染色体异常并核型分析。
• 维持繁殖：小鼠胚胎干细胞依赖LIF，可在有丝分裂失活的小鼠胚胎成纤维细胞层或含LIF培养基中维持繁殖。

人类胚胎干细胞培养：  

• 初始培养：将植入前胚胎细胞转移至含营养培养基的无菌培养皿，在特定温度、pH和二氧化碳浓度下，借助饲养层（如小鼠胚胎成纤维细胞或含特定成分的基底膜提取物）附着生长。 
• 避免污染：现开发无饲养层培养法防污染和不良突变。
• 细胞系形成：细胞铺满培养皿后传代培养，保持多能状态至少6个月形成细胞系，批次细胞可冷冻运输。

图4显示了实验室环境中hESC的生长情况。

该过程涉及在无菌条件下从囊胚中分离内质细胞，并与小鼠成纤维细胞饲养细胞一起培养。经过几次传代后，建立了新的胚胎干细胞培养物。

鉴定胚胎干细胞的实验室检测

胚胎干细胞系的建立需对这些细胞系的基本特性进行验证，此过程称为特性鉴定，可通过以下方法进行：

• 长期培养与观察：在实验室无菌条件下将细胞培养数月。每次传代时，通过显微镜观察细胞形态，并使用标准技术确定核型。即便经过多次传代，细胞也必须保持健康且未分化状态。
• 基因表达研究：分析细胞中Sox2、Nanog和Oct4等特定于未分化状态的转录因子的表达。这些转录因子参与细胞分化和胚胎发育过程，能提供有关培养细胞状态的详细信息。要知道，Oct4、Sox2和Nanog是胚胎干细胞表达的一些转录因子，对维持细胞的多能状态至关重要。
• 染色体核型分析与表面标记检测：利用显微镜对染色体进行核型分析，并检查干细胞特有的特定细胞表面标记的存在情况。该过程还有助于确定后续步骤，如重新生长、传代培养等。

在细胞经过多次传代仍保持分化状态后，可通过以下方法监测其分化为特定细胞的潜力： 

• 自然分化观察：让细胞在培养过程中自然生长并分化。
• 改变培养基诱导分化：改变培养基，促使细胞分化并经历原肠胚形成，以形成胚胎的三个胚层。 
• 添加生长因子诱导分化：引入特定生长因子，并补充合适的培养基，分析分化细胞谱系的标记物。 
• 畸胎瘤形成实验：将细胞注入具有形成良性肿瘤（畸胎瘤，一种细胞团）倾向的免疫缺陷小鼠体内。由于实验使用的小鼠免疫系统受到抑制，不会出现受体的移植物排斥情况。这些畸胎瘤包含多种分化细胞的混合群体，展示了干细胞的多能性。此方法可用于创建无动物模型的罕见病模型系统，以及各种细胞谱系的药物筛选实验。

除传统检测方法外，还有一些基于新型生物标志物和蛋白质组学的方法来鉴定诱导多能干细胞。基于蛋白质组学方法的质谱分析可识别干细胞标记物，与耗时费力的基因组分析相比，它是一种经济高效且可靠的工具。图5展示了一种使用质谱分析胚胎干细胞的新型基于蛋白质组学的筛选方法。

识别和筛选诱导性多能干细胞的新方法之一是使用质谱法对其进行蛋白质组分析。质谱法获得的蛋白质组用于筛选任何特定于该干细胞谱系的生物标志物。

胚胎干细胞的分化

胚胎干细胞分化有特定特征与阶段，具体如下：

• 分化阶段：分为感受态（细胞能响应特定信号）、特化（去除信号不改变细胞命运）、决定（细胞不受信号影响），信号由周围物理或化学环境因素提供。
• 多能性特点：注入宿主囊胚可促成包括生殖系的成体组织，传代能保持正常核型，多能性在体外培养分 “原始态”（类似植入前囊胚的胚胎外胚层）与 “启动态”（植入后原肠胚形成前外胚层），人类胚胎干细胞系多处于启动态，常聚集成类胚体自发分化。
• 培养与调控：为获特定分化细胞纯培养物需调控分化。小鼠胚胎干细胞生长依赖含 LIF 和胎牛血清的培养基，人类胚胎干细胞则不依赖 LIF 或 STAT3，可在饲养层或用特定包被板及转录因子独立培养。
• 现有方案利弊：已开发多种维持生存因子的方案，培养基成分决定胚胎干细胞发育方向，可形成类胚体或胚层。类胚体在基质细胞等上分化能滋养细胞，但会分泌干扰实验的细胞因子；基质细胞虽支持干细胞生长，却可能分泌干扰细胞谱系定向分化的不良因子。

成体干细胞核心特性与功能

成体干细胞的基本特征

• 静止状态（Quiescence）：多数ASC处于可逆的生长停滞状态（如骨骼肌卫星细胞），受微环境（niche）调控，遇外界信号可激活增殖。  
• 自我更新与分化：终身保持自我复制能力，分化为特定祖细胞→成熟功能细胞（如血细胞、神经元等），维持组织稳态。

成体干细胞的分类与来源

• 造血干细胞（HSCs）：位于骨髓，生成所有血细胞（红细胞、白细胞、血小板）。  
• 非造血干细胞（如间充质干细胞, MSCs）：源于脂肪、软骨、骨等组织，分化为支持性细胞（软骨、纤维结缔组织等）。  
• 分布：遍布全身，包括大脑（如少突胶质细胞、星形胶质细胞）等终末分化器官。

成体干细胞的可塑性（Plasticity）

• 转分化（Trans-differentiation）：ASC可跨谱系分化为其他组织细胞（如血细胞→神经元、骨髓干细胞→肝细胞），为损伤修复提供新途径。  
• 局限性：分化方向受微环境因子（如生存信号、培养基成分）严格调控（如HSCs无法生成神经元）。

成体干细胞的生理与临床意义

• 组织修复：通过补充损伤/病变细胞维持器官功能（如骨髓HSCs持续更新血液）。  
• 临床应用
• 细胞治疗：分离自骨髓、脂肪等组织，用于再生医学（如修复神经、心脏组织）。  
• 研究模型：体外培养探究分化机制（见图6分离流程）。

将成体干细胞从源组织中无菌取出，用适当的缓冲液冲洗，然后切碎成小块或在消化前进行轻度均质化。在合适的缓冲液中对组织块进行轻度酶消化，然后在适当的培养基或培养皿中培养这些组织块。

总结：成体干细胞是组织稳态的关键调节者，兼具自我更新与转分化潜能，其功能受微环境精确调控，在再生医学中具有广阔应用前景。

成体干细胞的细胞定位

确定成体干细胞的细胞定位并对其进行识别，对于研究它们的特性至关重要。同时，在阐明维持其增殖和分化等基本特性的调控通路方面开展研究，为再生医学治疗领域开辟了新的前景。

如前所述，成体干细胞（ASCs）常存在于干细胞龛中，干细胞龛在调节过程中发挥着重要作用，决定了干细胞的位置、黏附、迁移、静止或激活、细胞分裂、分化以及其他多种特性。

人们通过干细胞及其干细胞龛中表达的蛋白质标记，或者使用氚标记的胸腺嘧啶核苷或溴脱氧尿苷等标记技术来识别这些干细胞龛。由于干细胞的（细胞）周期时间缓慢，它们能够保留这些标记。干细胞的另一个特性也有助于这种标记保留。

干细胞存在一种被称为“选择性DNA分离”的策略性现象（图7以示意图形式进行了解释），这使得它们能够在较长时间内保持干性。凯恩斯及其同事将这一过程解释为 “不朽链假说”，即干细胞总是将（每条染色体中的）一条DNA链指定为模板链。在复制过程中，只有模板链及其拷贝会进入仍作为干细胞的子代细胞中。

在细胞分裂过程中，干细胞始终为子细胞保留模板链，子细胞也继续继承母体干细胞的永生性。这种DNA选择性分离可以合理地解释干细胞在其微环境内识别时循环时间缓慢和标记保留的原因。

• 过渡放大细胞：在微环境的细胞中，有一些细胞被称为“过渡扩增细胞”或定向祖细胞。这些细胞增殖速度快，但自我更新能力有限，主要作用是增加分化细胞的数量。它们的存在依赖于干细胞龛中特定标记的表达，如c-kit、Sca-1等。
• 成体干细胞的来源与特性：成体干细胞存在于多种组织中，如骨髓、大脑、肝脏等。它们保留了多能性或未分化状态，并涉及多种信号通路，如Wnt、Notch和Hedgehog。
• 间充质干细胞（MSCs）：MSCs是成体干细胞的典型代表，最初在骨髓中发现，后来也在其他组织如脐带血、胎盘等中分离得到。它们具有强黏附能力，并表达多种细胞表面标记（如CD44、CD29等），但不表达造血干细胞标记（如CD45、CD34等）。
• MSCs的免疫特性：MSCs表面表达低水平的HLA和MHC I类抗原，不表达MHC II类抗原，这使它们在免疫调节中具有潜在应用价值。

总结来说，成体干细胞，尤其是MSCs，具有多能性和特定的表面标记，广泛存在于多种组织中，并在再生医学和免疫调节中具有重要应用潜力。

成体干细胞鉴定实验室检测

了解ASC的性质将有助于我们更好地识别、分离和培养它们体外在没有实际细胞发挥功能的情况下，ASC在再生能力方面发挥着非常重要的作用。

• ASCs的重要性：ASCs 主要存在于骨髓，具单能或多能性，在组织再生中起关键作用。因其数量少，分离需精细方案。

• MSCs与HSCs的比较：

• 造血干细胞（HSCs）：增殖能力强，能再生整个造血细胞群体。
• 间充质干细胞（MSCs）：数量更少（比HSCs少10 倍），可分化为骨、软骨和脂肪细胞。

• 鉴定与分离：运用荧光标记和流式细胞术等先进分子方法，对 ASCs 进行标记与鉴定，以追踪其分化和组织来源。分离出的细胞可培养、标记后回植动物体内，研究其再生潜力。
• 富集与分选：干细胞富集有助于分化和谱系定向。利用HSCs能通过膜转运蛋白（ATP 结合盒蛋白）外排染料的特性，采用染料排除法（如Hoechst 33342）分离HSCs。在荧光激活细胞分选（FACS）分析中，静止干细胞表现为 “旁群细胞”。有关详细图示，请参阅（图8）。

染料排除法和侧群分析是一种识别干细胞群的通用技术。ABC膜转运蛋白的固有性质可作为染料（如Hoechst）的药物流出机制，在FACS机器中，侧群出现在面板的左侧末端。

总之，ASCs的鉴定、分离和富集依赖先进分子与荧光技术，助力研究人员探索其再生能力及医学应用潜力。该流程旨在从动物获取并鉴定成体干细胞（ASC）：

• 获取与处理：无菌条件下取ASC组织，经无菌生理盐水或冰冰冷PBS清洗，用培养基匀浆并以胶原酶处理去纤维组织，再经100和40微米无菌滤器过滤贴壁细胞。
• 分选与培养：轻柔离心后，用荧光激活细胞分选仪区分死活细胞，将活细胞以50,000 – 100,000个/孔接种于含血清、抗生素的六孔培养板，在二氧化碳培养箱培养，几代后扩增为原代细胞系。
• 鉴定方法：传代三次使细胞达80-90%汇合度，染色检测干细胞表面 CD标记物，用流式细胞术分选，需全面了解细胞表面抗原。也可将表达绿色或红色荧光蛋白的报告基因插入干细胞，由特定标记物启动子驱动荧光蛋白表达，借助荧光激活细胞分选仪识别分选。

下表（表2）列出了用于识别干细胞的干细胞标记物的完整列表。

WBC—白细胞；HSC—造血干细胞；MSC—间充质干细胞；NSC—神经干细胞。

成体干细胞的分化

分化概述：成体干细胞凭借其多能性的固有特性，发育为多种细胞谱系的过程称为分化。该过程复杂，遵循细胞正常分子通路。若用于组织修复或治疗，其分化特性在生物学和生理学上意义重大。当出现如组织损伤修复等生理触发时，成体干细胞开始分化为具有特定细胞形状和结构特征的成熟细胞。

骨髓成体干细胞分化路径：骨髓中的成体干细胞包含造血干细胞和基质干细胞。造血干细胞可产生淋巴样和髓样祖（前体）细胞。淋巴样祖细胞可分化为T细胞、B细胞和自然杀伤细胞，髓样祖细胞则分化为红细胞、白细胞和血小板。同样，基质（间充质）干细胞可产生成骨前体细胞、破骨前体细胞，进而形成构成骨骼的主要细胞 —— 成骨细胞和破骨细胞，也可分化为脂肪细胞和软骨细胞等其他细胞。

分化诱导因素：可通过多种技术，利用生物或药理试剂（如激素）诱导分化。分化还受机械信号调控，如改变细胞形态和基质弹性。环境因素如氧张力也会促使干细胞分化。此外，低强度超声等外部电和机械力也可用于调节其分化。似乎多种物理化学分化因子共同控制成体干细胞向特定细胞类型的转分化，为促进这些干细胞在组织工程或再生医学中的应用，需优化相关方案。

分化的信号机制：外部因素通常在这些细胞中引发信号级联反应，促使它们定向分化。例如，血管内皮生长因子（VEGF）和剪切应力协同诱导内皮祖细胞分化为内皮细胞，而液压协同诱导间充质干细胞向软骨分化。多种分子通路，如丝裂原活化蛋白激酶（MAP）激酶信号通路、钙信号通路、G蛋白偶联受体（GPCR）通路等，参与干细胞向特定细胞类型的分化。

胚胎干细胞与成体干细胞的相同点和不同点

相同点

• 发育潜能：胚胎干细胞（ESCs）和成体干细胞（ASCs）都具备发育潜能，这是干细胞特性的重要体现，决定了它们能够分化形成不同类型的细胞 。

• 体外培养：二者都能够从组织中分离出来，并在体外以未分化的纯细胞群体形式培养多代，在此过程中都需要精心准备培养基和相关试剂。

• 静止与分化：ESCs和ASCs均可长时间处于静止状态，当受到特定刺激后，会表现出分化或特化的特性，朝着特定的细胞谱系进行分化 。 

• 致瘤性：两种细胞都具有一定的致瘤性，都有可能形成畸胎瘤，不过这种情况在胚胎干细胞中更为常见。

• 治疗价值：在基于细胞的治疗领域，胚胎干细胞和成体干细胞都因其独特的性质而具有重要价值，是细胞治疗研究的重要对象。

不同点 

• 来源：胚胎干细胞来源于胚胎，通常是从早期胚胎的囊胚内细胞团中分离得到；而成体干细胞存在于成体组织中，如骨髓、大脑、肝脏等多种组织 。
• 分化能力：胚胎干细胞具有多能性，能分化为生物体中除胎盘滋养层细胞以外的任何类型的细胞；成体干细胞一般具有单能性或多能性，多能性的成体干细胞其分化方向相对胚胎干细胞更为局限，例如造血干细胞主要分化为各类血细胞，间充质干细胞可分化为骨、软骨和脂肪细胞等。 
• 伦理争议：胚胎干细胞的获取涉及对胚胎的破坏，因此引发了诸多伦理争议；成体干细胞的获取则不涉及此类伦理问题，相对而言伦理争议较小。

04干细胞在心血管疾病中的潜在应用

心血管疾病是全球发病和死亡的主要原因，心肌细胞再生能力极低，心脏难以应对心肌梗死等疾病导致的心肌组织严重损失，心脏移植昂贵且成功率不高，干细胞移植有望成为治疗心力衰竭的替代策略。

用于心脏再生的干细胞类型

• 胚胎干细胞：存在固有致瘤性、易形成畸胎瘤、有免疫细胞排斥风险及向所需心肌细胞分化效率低等问题，不太适合用于心脏再生治疗。
• 骨髓源性干细胞：尚未被证明能独立分化为有功能的心肌细胞。
• 骨骼肌成肌细胞：虽已取得一定进展，能在体内形成肌管，但存在与现有心肌电整合的挑战，功能受限。
• 心脏干细胞和心脏祖细胞：是治疗心力衰竭的细胞治疗的有希望的候选细胞类型。干细胞在心脏细胞替代治疗中的多功能性如图9所示。

心脏干细胞是治疗心脏病的有希望的候选细胞，因为它们可以发育成不同类型的心脏细胞，如心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞。

人类干细胞在心血管疾病中的潜在用途

心血管疾病治疗现状及干细胞应用的必要性：心血管疾病是全球发病和死亡的主要原因，心肌细胞再生能力极低，心脏无法在心肌梗死后弥补心肌组织损失，心脏移植昂贵且成功率不高，干细胞移植有望成为治疗心力衰竭的替代策略。

各类干细胞在心脏再生中的研究情况

• 胚胎干细胞（ESCs）：ESCs具有多能性，可分化为心肌细胞、内皮细胞和平滑肌细胞等多种细胞类型，对受损心肌再生有用。但存在固有致瘤性、形成畸胎瘤风险、免疫细胞排斥问题及向所需心肌细胞分化效率低等问题，临床应用受限。
• 骨髓源性干细胞：未被证明能独立分化为有功能的心肌细胞。
• 骨骼肌成肌细胞：可在体内形成肌管，但存在与现有心肌电整合的挑战，功能受限。
• 心脏干细胞和心脏祖细胞：是心力衰竭细胞治疗的有希望的候选细胞类型，可从心脏分离，在体外培养后用于体内心脏细胞替代，能分化为平滑肌细胞、心肌细胞和内皮细胞，部分试验显示出良好的补充和功能能力。
• 间充质干细胞（MSCs）：可分化为多种心脏细胞，在临床试验中，同种异体和自体MSCs治疗缺血性心脏病安全有效，同种异体MSCs不引发特异性免疫反应。细胞注射途径影响其行为和命运，心肌内注射是最常用且最成功的途径，其免疫调节和分化潜能高，有助于心肌细胞对抗损伤和启动组织修复，但在动物模型有效，在临床试验中的效果未达预期。
• 多能干细胞：多能干细胞衍生的心肌细胞在猪、豚鼠和灵长类动物中显示出作为生物起搏器的潜力，可用于梗死心肌组织移植，但在临床应用中存在致瘤性、遗传不稳定、伦理问题及细胞纯度等限制，目前正在开发可靠方案以解决干细胞衍生心肌细胞的物理和功能成熟问题。

干细胞在神经退行性疾病中的应用

干细胞在脑损伤和神经退行性疾病治疗中的作用：干细胞的多能性使其在脑损伤再生和恢复中通过调节局部组织环境和与周围细胞相互作用发挥关键作用，涉及干细胞移植的疗法已被探索和评估。

相关临床研究情况：过去十年，各国超15项临床试验研究了源自骨髓、脐带血、外周血和脂肪组织的自体干细胞治疗脑损伤和神经退行性疾病的有效性，其中间充质干细胞（MSC）疗法在减轻过度炎症和减轻脑损伤方面有希望。

此外，MSC和MSC衍生的外泌体对早产儿脑健康有潜在益处，但建立标准化通用方案仍是重大挑战，细胞类型、递送方法、给药方案和患者耐受性等关键因素需仔细考虑，需继续进行临床前和临床研究以确定干细胞疗法对其他复杂疾病的有效性。

05人类干细胞在神经退行性疾病（NDD）中的潜在应用

神经退行性疾病是干细胞治疗的一个潜在领域。许多研究都探索了ESC在治疗某些生理疾病方面的效用。研究人员已经探索了替换大脑受影响区域受损神经元的可能性。

• 胚胎干细胞（ESCs）：众多研究探索了ESCs在治疗神经退行性疾病生理状况方面的作用，其有分化为特定神经元亚群的潜力，分别适用于治疗帕金森病（PD）中的多巴胺能异常和阿尔茨海默病（AD）中的胆碱能异常。
• 间充质干细胞（MSCs）：在帕金森病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）和AD的临床前研究中，MSCs已被证明具有重要作用，其作用机制可能是促进神经元存活、激活小胶质细胞和释放神经营养因子。MSC移植成功改善了ALS患者的运动神经元功能并减少了泛素。
• 诱导多能干细胞（iPSCs）：iPSCs是神经退行性疾病疾病建模的重要工具，通过CRISPR/Cas9进行基因编辑以产生同基因移植物或类器官是NDD领域的持续研究方向。由于自体移植免疫排斥和伦理问题较小，iPSCs在NDD治疗中是较理想的选择，但临床疗效仍有待验证。
• 神经干细胞（NSCs）：神经干细胞移植是治疗中风、精神疾病的有力手段，研究发现NSCs具有再生潜力，涉及免疫调节、神经保护、释放神经营养因子和减轻神经炎症等机制。临床评估显示，接受NSC脊髓内注射的患者疾病进展减缓，在PD的临床试验中也观察到临床症状改善且无明显副作用。
• 联合移植策略：过去尝试了联合移植策略，如将MSCs和NSCs在可控培养条件下联合，可使其分化为多巴胺能神经元，改善PD患者的空间学习能力。

写在最后：综上所述，胚胎干细胞与成体干细胞的基础知识搭建起了一座通往医学新时代的桥梁。它们在复杂疾病治疗中展现出的潜力，犹如破晓的曙光，为众多深受病痛折磨的患者带来了希望。

随着科技的飞速发展，我们有理由相信，未来干细胞疗法将取得更多突破性进展。或许在不久的将来，心血管疾病不再是健康的 “头号杀手”，神经退行性疾病也能得到有效控制。干细胞技术有望重塑医学格局，为人类健康事业铸就新的辉煌，让我们拭目以待这一充满希望的未来。

参考资料：Verma G, Ravichandran S. Fundamentals of Stem Cells and Application in Complex Disorders [Internet]. Stem Cell Transplantation [Working Title]. IntechOpen; 2025. Available from: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.1008567

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