干细胞是一类具有自我更新和多向分化潜能的未分化细胞，是机体组织再生和修复的种子细胞。根据来源不同，干细胞主要分为胚胎干细胞和成体干细胞。干细胞的发育受内在基因调控和微环境信号的共同影响。目前，人类胚胎干细胞已成功在体外培养，而成体干细胞的可塑性研究为再生医学开辟了新方向。

在胚胎发育过程中，单个受精卵通过分裂分化形成多细胞组织器官。成年动物中，正常生理代谢或病理损伤也会引起组织修复再生。胚胎干细胞具有全能性，可分化为几乎全部组织和器官；而成年组织中的干细胞通常被认为具有组织特异性，只能分化为特定细胞类型。然而，最新研究表明，组织特异性干细胞同样具有跨系分化的潜能，即横向分化，这为干细胞应用提供了更广阔的空间。

干细胞具有自我更新能力，能够产生高度分化的功能细胞。按生存阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。

1.1 胚胎干细胞

胚胎干细胞（Embryonic Stem cell, ES细胞）来源于囊胚内细胞团，具有全能性，可自我更新并分化为体内所有组织。1970年Martin Evans首次从小鼠中分离出胚胎干细胞并体外培养，而人类胚胎干细胞的体外培养直到1998年才由Thomson和Gearhart成功实现。胚胎干细胞是一种高度未分化细胞，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。其研究可追溯到上世纪五十年代畸胎瘤干细胞（EC细胞）的发现。目前，许多研究以小鼠ES细胞为模型，例如德美医学小组成功向试验鼠移植ES细胞培养的神经胶质细胞，密苏里研究人员通过鼠胚细胞移植使瘫痪猫恢复部分肢体活动。人类ES细胞研究虽引发伦理争议，但其在疾病治疗中的潜力巨大。

1.2 成体干细胞

成年动物的许多组织（如表皮、造血系统）具有修复再生能力，成体干细胞在其中起关键作用。在特定条件下，成体干细胞可产生新干细胞或分化形成功能细胞，维持组织动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞，但最新研究发现神经组织中也存在神经干细胞，表明成体干细胞普遍存在。成体干细胞常位于特定微环境中，间质细胞通过分泌生长因子或配体调控干细胞的更新和分化。

1.3 造血干细胞

造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，主要存在于骨髓、外周血和脐带血中。协和医大血液学研究所庞文新在肌肉组织中也发现了具有造血潜能的干细胞。造血干细胞移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病及转移性恶性肿瘤的最有效方法。临床应用始于20世纪50年代的骨髓移植，80年代末外周血干细胞移植（PBSCT）逐渐推广，脐血干细胞移植因来源广泛、HLA配型要求低、不易污染等优势，有望替代自体外周血干细胞移植。

1.4 神经干细胞

神经干细胞研究起步较晚，因胎儿脑组织取材困难及胚胎细胞研究争议，目前仍处于初级阶段。理论上，任何中枢神经系统疾病都可归结为神经干细胞功能紊乱。由于血脑屏障的存在，干细胞移植到中枢神经系统后不易产生免疫排斥，例如向帕金森病患者脑内移植含多巴胺生成细胞的神经干细胞可改善症状。此外，神经干细胞还可用于药物检测。

实际上，人们对干细胞的了解仍存在盲区。2000年初美国研究人员在胰腺中发现干细胞；加拿大研究人员在人、鼠、牛的视网膜中发现“休眠状态的干细胞”；骨髓干细胞可发育为肝细胞，脑干细胞可发育为血细胞。

2. 干细胞的调控

干细胞的调控是指通过适当因子条件，对干细胞的增殖和分化进行调控，使之向指定方向发展。

2.1 内源性调控

干细胞自身含有多种调控因子，可调节其增殖和分化，包括调节不对称分裂的蛋白和控制基因表达的核因子等。例如，果蝇卵巢中收缩体调控干细胞不对称分裂；转录因子Oct4对胚胎干细胞发生至关重要，Oct4缺失突变胚胎只能发育到囊胚期；白血病抑制因子（LIF）促进小鼠ES细胞自我更新，但对人成体干细胞无作用；Tcf/Lef转录因子家族通过Wnt信号通路调控上皮干细胞分化。

2.2 外源性调控

干细胞分化受周围组织及细胞外基质影响。间质细胞分泌的TGFβ家族和Wnt信号通路因子维持干细胞增殖、分化和存活。例如，胶质细胞衍生的神经营养因子（GDNF）促进神经元存活和精原细胞再生。膜蛋白介导的细胞间相互作用也至关重要，如Notch信号通路在果蝇感觉器官前体细胞和脊椎动物多种组织中调控干细胞非分化性增殖。整合素家族介导干细胞与细胞外基质粘附，为干细胞提供适当微环境，如β1整合素功能丧失时上皮干细胞分化成角质细胞。

2.3 干细胞的可塑性

成体干细胞移植后表现出可塑性，即横向分化。1999年Goodell等人将小鼠肌肉干细胞体外培养后与骨髓间质细胞共移植，发现肌肉干细胞分化为各种血细胞系。横向分化的调控机制尚不清楚，可能与微环境密切相关。

3. 干细胞应用平台技术

3.1 技术原理

干细胞是机体保留的未分化原始细胞，充当分化细胞的“预备队”。干细胞具有以下特点：非分化终端、无限增殖分裂、可连续分裂或长期静止、通过对称或非对称分裂生长。干细胞是多潜能、自我更新、增殖缓慢的细胞。

3.2 技术方向

按分化潜能，干细胞分为全能性干细胞（如胚胎干细胞）、多能性干细胞（如骨髓多能造血干细胞）和单能干细胞（如上皮干细胞）。随着生物技术发展，体外分离培养干细胞并构建细胞、组织、器官成为可能。

3.3 技术突破

两大突破：一是人类胚胎干细胞体外培养成功（1998年）；二是成体干细胞横向分化（1999年）。

3.4 干细胞的分离与纯化

干细胞表面有特殊标记，如造血干细胞表面标志Sca-1和c-kit，人造血干细胞CD34+、Thylo+，而CD10、CD14等阴性。利用这些标记和物理特性（如不被Hoechst33324和Rhodamine123染色），可通过荧光细胞分离器分离纯化干细胞。

3.5 干细胞的体外培养

干细胞数量少，需在体外非分化性增殖，常需生长因子和间质细胞共培养。例如，Brustle等人用FGF2、EGF、PDGF等因子培养鼠ES细胞，保持其分化潜能。不同组织来源的干细胞培养条件不同，应用前需定向分化诱导。

4. 干细胞技术的市场前景

研究干细胞增殖和分化机制的最终目的是应用干细胞治疗疾病。理论上，干细胞可用于各种疾病，最适合的是组织坏死性疾病（如心肌坏死）、退行性病变（如帕金森综合征）和自身免疫性疾病（如糖尿病）。

4.1 优点明显

低毒性、无需完全了解发病机理、可自体移植避免免疫排斥。

4.2 革命性的机制转变

横向分化打破了干细胞只能来源于胚胎的限制，为自体成体干细胞治疗提供了新途径。

4.3 体外制造人体器官

干细胞与动物工程结合，通过嵌合体使动物器官来源于人体干细胞，用于临床移植。

4.4 长生不老的希望

科学家已能在体外以干细胞培育组织器官替代病变或衰老组织。造血干细胞移植是目前治愈白血病和某些遗传性血液病的唯一希望。