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干细胞:特性、分类、鉴别方法

时间:2025-03-31 09:27:33
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干细胞
简而言之,干细胞是一类具备无限或永久性自我更新能力的特殊细胞,它们能够产生至少一种类型的、高度分化的后代细胞。随着时间的推移,干细胞的定义经历了不断的修订,并从多个角度进行了阐释。目前,大多数生物学家和医学家认同干细胞是一类存在于胚胎、胎儿或成人体内,在特定条件下具有无限制自我更新和增殖分化潜能的细胞。这类细胞不仅能生成与自身基因型和表型完全一致的子细胞,还能分化为构成机体组织和器官的已特化的细胞,并且能够进一步分化为祖细胞。
近期,比利时鲁汶大学的研究团队在实验室中利用干细胞技术成功培育出了一种新型人类细胞。这一突破性进展不仅拓展了我们对干细胞潜能的认识,而且为未来的再生医学和细胞治疗提供了新的可能性。

细胞简介

干细胞(Stem Cell,简称SC)这一术语中的“干”字,源自英文单词“stem”,寓意为“茎干”、“根基”和“起源”。干细胞群的主要功能是掌控和维持细胞的再生过程。通常情况下,在干细胞与其最终分化的子代细胞之间,存在着一类被称为“定向祖细胞”的中间细胞群,这些细胞具有有限的增殖能力和受限的分化潜能。它们的作用在于增加干细胞每次分裂后所能产生的分化细胞的数量。干细胞拥有自我更新的能力,但其分裂过程往往是相对不对称的[1]。
尽管在形态学和分子生物学层面上,干细胞的结构特征有助于定义其身份,但干细胞的定义必须更多地基于其功能性。从功能角度来看,干细胞是具备多向分化潜能和自我更新能力的细胞,它们位于细胞系起源的顶端,是最为原始的细胞类型,能够在体内分化生成特定组织类型的细胞。对于单细胞而言,对这一定义进行严格限定是至关重要的。特别是在复杂的器官中,为了区分干细胞和其他类型的祖细胞,从功能上进行区分可能更为精确和必要。这是因为干细胞和祖细胞的定义主要取决于它们是否具备自我更新的能力。一旦干细胞分化为祖细胞,它们就会失去自我更新的能力,开始进行对称性的有丝分裂。祖细胞的数量只能通过干细胞的增殖和分化来得到补充。尽管如此,祖细胞仍然保持着高度的增殖能力,例如在造血过程中,各系造血细胞的大量扩增主要依赖于造血祖细胞的增殖。
在成体器官中,干细胞可以通过持续分裂来修复受损的组织,或者像哺乳动物的脑组织那样处于一种静止状态。在发育过程中,干细胞能够通过对称性分裂来增加自身的数量,或者通过非对称性分裂来实现自我更新并产生更多不同分化类型的祖细胞。这些机制使得干细胞在组织再生和器官发育中扮演着至关重要的角色。

分类

科学地对干细胞进行分类有助于我们更准确地理解和把握干细胞的概念及其生物学特性。干细胞的分类可以基于不同的标准和方法。

根据发育阶段分类

按照发育阶段,干细胞主要分为两大类:胚胎干细胞和成体干细胞。
  • 胚胎干细胞:在干细胞的研究与应用中,胚胎干细胞尤为引人注目。它们是从胚胎内细胞团或原始生殖细胞中,通过体外抑制培养筛选出的细胞。此外,胚胎干细胞也可以通过体细胞核转移技术获得。胚胎干细胞具有发育全能性,理论上能够诱导分化为机体中所有种类的细胞。在体外,胚胎干细胞可以大量扩增、筛选、冻存和复苏,而不会丧失其原有的特性。
  • 成体干细胞:成体干细胞是指存在于已经分化的组织中的未分化细胞,这些细胞能够自我更新并特化形成组成该类型组织的细胞。成体干细胞广泛存在于机体的各种组织器官中。目前发现的成体干细胞主要包括:造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞、肝干细胞、肌肉卫星细胞、皮肤表皮干细胞、肠上皮干细胞、视网膜干细胞、胰腺干细胞等[1]。

根据不同的分化潜能分类

根据分化潜能,干细胞可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞[1]。
  • 全能干细胞:具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力,拥有形成完整个体的分化潜能。例如,胚胎干细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和强大的分化能力,可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型,进一步形成机体的所有组织和器官。
  • 多能干细胞:顾名思义,多能干细胞具有产生多种类型细胞的能力,但失去了发育成完整个体的能力,其发育潜能受到一定的限制。例如,造血干细胞可以分化出至少12种血细胞,骨髓间充质干细胞可以分化为多种中胚层组织的细胞(如骨、软骨、肌肉、脂肪等)及其他胚层的细胞(如神经元)。科学家们倾向于将分化潜能更广的干细胞称为多潜能干细胞,如骨髓间充质干细胞;而将向某一类型组织的不同细胞分化的干细胞称为多能干细胞,如造血干细胞、神经干细胞等。
  • 单能干细胞(也称专能、偏能干细胞):常被用来描述在成体组织、器官中的一类细胞,此类细胞只能向单一方向分化,产生一种类型的细胞。在许多已分化组织中的成体干细胞是典型的单能干细胞,在正常情况下只能产生一种类型的细胞。例如,上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞(也称为卫星细胞)。这些组织通常处于一种稳定的自我更新状态。然而,如果这些组织受到伤害并且需要多种类型的细胞来修复时,则需要激活多潜能干细胞来修复受伤的组织。

 

 

生物学特性

在成年动物体内,许多组织如皮肤、血液和小肠上皮的细胞寿命较短,需要持续被新细胞替换。成熟个体产生新分化细胞的一种方式是通过现有分化细胞的简单倍增,即分化细胞通过分裂产生两个相同类型的子代细胞,例如血管中的新内皮细胞就是通过这种方式生成的。然而,在分化过程中,细胞往往因高度分化而失去进一步分裂的能力,最终走向衰老和死亡。为了弥补这一限制,机体在发育过程中保留了一部分未分化的原始细胞,即干细胞。在生理需求出现时,这些干细胞能够按照发育途径通过分裂产生分化细胞。
多向分化潜能和自我更新是干细胞的两大基本特性。具体来说,干细胞具有以下生物学特点:
  1. 属于非终末分化细胞,终生保持未分化或低分化状态,缺乏分化标记。
  2. 在机体内的数量和位置相对稳定。
  3. 具备自我更新的能力。
  4. 能够无限分裂和增殖,可在较长时间内处于静止状态,干细胞可以连续分裂多代。
  5. 具有多向分化潜能,能分化为各种不同类型的组织细胞;同时,它们还具有分化发育的可塑性,在特定环境下,能被诱导分化成在发育上不相关的细胞类型,其分化过程受到周围微环境,即干细胞壁龛的影响。
  6. 分裂的慢周期性。
  7. 干细胞通过两种方式进行增殖:一种是对称分裂,形成两个相同的干细胞;另一种是非对称分裂,其中一个子细胞保持亲代特征,继续作为干细胞,而另一个子细胞则不可逆地走向分化,成为功能专一的分化细胞。
这些特性使得干细胞在组织修复、再生医学以及细胞治疗等领域具有巨大的应用潜力。

鉴别方法

尽管干细胞广泛存在于多种组织中,但它们的数量相对较少,且在显微镜下难以与其他细胞明确区分。因此,开发一种简便而有效的方法,用以科学、精确地区分这类稀缺细胞,一直是科学家们不断追求的目标。
传统上,干细胞的鉴别主要依赖以下两种方法:①利用干细胞的慢周期性特征,通过标记滞留细胞的分析方法来识别体内处于静息状态的干细胞;②利用干细胞的自我更新能力,观察其在体外培养时表现出的无限增殖能力来识别离体的干细胞。然而,这两种方法在应用时存在一定的局限性。
目前,研究人员更倾向于通过干细胞的表面标志来进行区分和鉴定。干细胞的表面标志是指覆盖在细胞表面的特定蛋白质——受体,这些受体能够选择性地结合或黏附其他信号分子。科学家们已经发现了干细胞表面存在许多不同类型的受体。利用单克隆抗体的特异性和多样性,通过不同抗体的合理组合,可以有效地区分干细胞和其他细胞。此外,根据干细胞的表面标志,还可以分离不同类型的干细胞及其亚群。抗体介导的细胞分离技术主要包括:抗体/补体介导的细胞溶解法、流式细胞仪细胞分选法、平面黏附分离法和免疫磁珠分离法等。
这些方法为干细胞的识别、分离和应用提供了强有力的工具,使得干细胞的研究和临床应用更加精确和高效。随着科学技术的不断进步,未来可能会开发出更多创新的干细胞鉴别方法,进一步推动干细胞研究领域的发展。
名称 货号 规格
人间充质干细胞成骨诱导试剂盒 abs9453-100ml 100ml
肿瘤干细胞成球完全培养基 abs9882-250mL 250mL
人多功能干细胞(PSC) 诱导神经干培养基 abs9822-1kit 1kit
人多功能干细胞(PSC) 诱导神经干培养基 abs9822-1kit 1kit