盡管"干細胞"這個概念早在數(shù)十年前已經(jīng)為世人所知了，但是直至今天,，干細胞也僅限于功能上的定義, 而沒有形態(tài)學和表型上存在的證據(jù)。干細胞可以自我更新, 繁殖產(chǎn)生更多的干細胞, 同時也可以分化成各種各樣的祖細胞, 后者又可進一步成熟發(fā)展成許多有特定功能的細胞系,。干細胞這種功能特性極大地吸引了來自基礎(chǔ)醫(yī)學和臨床醫(yī)學的研究者,。這些關(guān)于干細胞的基本功能給基礎(chǔ)科學的研究者們提供了一種模式, 利用這種模式,他們可以從細胞的原始階段來研究發(fā)展生物學。干細胞所具有的修復,、替代和再生的能力也為臨床醫(yī)學提供了一個發(fā)展新療法的機會,。
鑒定
因為干細胞僅僅是通過其具有的功能所定義的，所以鑒定和分離這類獨特的細胞群將會成為一種非常具有挑戰(zhàn)性的工作,。胚胎干細胞（ES,，一種從著床前的胚胎內(nèi)細胞群中得到的一種細胞）被認為是最具有多能性的一類干細胞。隨著人多能胚胎干細胞系和胚胎生殖細胞系的成功建立,，這一領(lǐng)域成為熱點,。這些細胞可以在體外環(huán)境下無限制的、無差別的增殖下去,而且還能保留著向許多方向分化的能力,。盡管胚胎干細胞有很大的發(fā)展?jié)摿?但是圍繞著來源于胚胎的細胞及組織的倫理學爭論還是將其從試驗和應用領(lǐng)域排除出去了,。因此，成人干細胞將會成為未來治療手段的首選,。
目前已經(jīng)從成人組織中發(fā)現(xiàn)了多種干細胞系,。其中一種成人干細胞系在人體造血活動中扮演著重要角色,，稱為造血干細胞（HSC）。這種干細胞可以終生增殖和分化,，產(chǎn)生淋巴細胞和骨髓細胞,。骨髓源性干細胞能夠分化成各種細胞：脂肪細胞、軟骨細胞,、成骨細胞,、肝實質(zhì)細胞、心肌細胞和神經(jīng)元,。在生長期和成熟的哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)有一種未分化的,，可以產(chǎn)生多種子代的細胞，稱為神經(jīng)干細胞(NSC),。神經(jīng)干細胞的發(fā)現(xiàn)和其廣泛的發(fā)展前景也極大的激起了研究者的興趣,。利用神經(jīng)干細胞的這種可塑性（即人們常說的nestin positive cells）可以產(chǎn)生出一個譜系，并且可以在神經(jīng)移植上派上用場,，比如替代受傷后或神經(jīng)退行性變后的神經(jīng)組織,。來源于上皮和脂肪組織的多能干細胞也在被逐步認識。因為潛在的倫理學問題和組織相容性問題,，自體成人干細胞移植將會成為今后組織工程戰(zhàn)略中很有希望的方向,。但是成人干細胞能否和胚胎干細胞一樣的有效，依然不能定論,。臍帶血(UCB)可能是替代骨髓或外周血作為HSC的一個有效來源,。關(guān)于臍帶血干細胞的特性和應用潛力，目前還在廣泛的試驗當中,。
分離
理想情況下,，一種真正的干細胞系在體外處理前必須在體內(nèi)環(huán)境下來鑒別出來。但是,，目前大多數(shù)分離干細胞的工作都是在體外模擬環(huán)境中進行的,。體外分離技術(shù)是建立在對細胞表面標記物的識別基礎(chǔ)上。已經(jīng)用來純化干細胞的標記包括CD34,、AC133、STRO-1,、神經(jīng)營養(yǎng)受體p7520等,。分離方法包括熒光標記細胞分選、免疫磁分離和免疫吸附柱分離,。最近發(fā)現(xiàn)了一些新奇的細胞標記物陰性的干細胞,，因此有些人對使用單一細胞標記物來分離干細胞提出了一些異議。例如,，細胞膜上的CD34表達并不總和干細胞的活動有關(guān),。在小鼠身上有大量靜止的干細胞系,，它們?nèi)狈D34的表達，但是卻擁有完全的再建能力,。一種類似的靜止CD34陰性的造血干細胞也在人體上被發(fā)現(xiàn),。因此，利用某些特定成熟細胞的表面標記物來去除成熟細胞而保留干細胞的方法將會在未來占據(jù)更大的優(yōu)勢,。
擴增
為克服干細胞數(shù)目少的局限性,研究人員致力于開發(fā)干細胞體外擴增技術(shù).然而,要使干細胞在長期擴增中保持未分化狀態(tài)和多系分化潛能,研究人員尚面臨著巨大挑戰(zhàn),。含已知細胞因子和生長因子的無基質(zhì)無血清體外培養(yǎng)物最終目的是應用于臨床,而造血細胞在臨床上有廣泛應用前景。目前科學家已成功開發(fā)體外培養(yǎng)人造血干細胞(HSC)技術(shù)以獲得大量HSC,。IL-3,、干細胞因子(SCF)和Flt-3配體(FL)具有早期效應和細胞系非特異性造血刺激功能, 因而在干細胞擴增中頗受青睞。但目前為止,還沒有獲得這方面HSC體外擴增的確鑿證據(jù),。在加入FL,、TPO(thrombopoietin) 、IL-6 和IL-11條件下,臍血HSC得以最大程度地擴增,。PDGF-BB和EGF則使人BMSC最大程度地擴增,。神經(jīng)元祖細胞已從人皮質(zhì)培養(yǎng)物中成功分離,并在EGF和FGF-2條件下擴增,200天不到的時間內(nèi)細胞數(shù)增加了150萬倍。過去十年內(nèi)這些體外干細胞和祖細胞擴增實驗的開展歸功于重組細胞因子和細胞篩選技術(shù)的進展,因此,發(fā)現(xiàn)新細胞因子和已有細胞因子的新功能可促進干細胞擴增研究,。另外, 系統(tǒng)性分析生長因子受體的表達有助于設(shè)計干細胞體外擴增培養(yǎng)的新方法.
干細胞能增殖并產(chǎn)生其它干細胞,也能分化為各種祖細胞,進而發(fā)育為特定細胞系的成熟細胞.
分化
干細胞研究的主要方向是使之分化為一個特定的目標細胞群,近年來有大量關(guān)于體外和體內(nèi)干細胞分化為各類型成熟細胞的報道(圖1).其中控制干細胞分化的細胞外信號之一是生長和分化因子的分泌. TGF-β家族成員對胚胎干細胞和神經(jīng)原干細胞的分化有明顯的導向效應. Wnt家族成員也在干細胞分化中發(fā)揮重要作用,但由于不能純化Wnt功能蛋白,使得進一步研究其具體功能受到限制,。除了分泌因子外,膜蛋白和細胞外基質(zhì)構(gòu)成了決定干細胞分化的微環(huán)境。
曾有體外ES細胞分化實驗證明:使用FGF-2,、 VitC,、SHH(sonic hedgehog) 和FGF-8能從小鼠ES細胞獲得大量多巴胺能和5-羥色氨能神經(jīng)元。也有體內(nèi)和體外從小鼠ES細胞分離胰島素表達細胞的報道,。這些研究表明了在一定條件下從ES細胞獲取具有一定功能的成熟細胞的可行性,。同時這些實驗模型有助于研究帕金森氏綜合癥和糖尿病等疾病發(fā)病的分子機制和治療方案。還有體內(nèi)體外實驗證明, 某一組織來源的成人干細胞可以被誘導分化為另一種組織,。這些發(fā)現(xiàn)說明在特異的環(huán)境下,組織特異性成人干細胞和ES細胞并無本質(zhì)區(qū)別,。
鑒別和分離干細胞的一些常用標志
當干細胞更適合作為一種功能學上的概念時，一些分子標志物已經(jīng)被用來給不同的干細胞群體定性,。盡管這些早期標志物的作用還有待確定,，細胞獨特的隨發(fā)展階段而變化的表面標志為初步鑒定并分離干細胞提供了有用的工具。現(xiàn)總結(jié)以下標記物單獨或聯(lián)合應用于干細胞研究以鑒別和分離細胞:
胚胎干細胞標記物:Oct-4 ,SSEAs (特異性胚胎抗原)
造血干細胞標記物:CD34,CD133,Sca-1 (干細胞抗原1, Ly-6A/E), ABCG2 (ATP-binding cassette superfamily G member 2)
間質(zhì)/基質(zhì)干細胞標記物 : STRO-1
神經(jīng)干細胞標記物：Nestin, PSA-NCAM (多唾液酸-神經(jīng)元黏附分子), p75 Neurotrophin R (NTR)
