全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 18卷 第 4期
2006年 8月
Vol. 18, No. 4
Aug., 2006
脐带血干细胞的基础与应用研究
顾东生, 刘 斌, 韩忠朝*
（中国医学科学院中国协和医科大学血液学研究所实验血液学国家重点实验室，天津 300020）
摘　要：作为造血干 /祖细胞(hematopoietic stem cells/hematopoietic progenitor cells, HSCs/HPCs)的另一
来源，脐带血已经应用于临床治疗多种恶性和非恶性疾病。脐带血中 HSCs/HPCs的质与量是决定其临
床应用效果的最重要因素。同时，脐带血中还存在多种非造血的干细胞和前体细胞，如间充质干细胞
(mesenchymal stem cells, MSCs)、内皮前体细胞(endothelial progenitor cells, EPCs)和非限制性体干细胞
(unrestricted somatic stem cells, USSCs)等，这些细胞可能会在未来的细胞治疗和再生医学中发挥重要作
用。本综述还讨论了脐带血的临床应用及 HSCs/HPCs的体外扩增、增加 HSCs归巢和再植能力等提高
其临床应用能力的相关研究。
关键词：脐带血；造血干细胞；移植
中图分类号：R322.2; R323.3; Q813　　文献标识码：A
The research and application of cord blood stem cells
GU Dong-Sheng, LIU Bin, HAN Zhong-Chao*
(State Key Laboratory of Experimental Hematology, Institute of Hematology, Chinese Academy of
Medical Sciences and Peking Union Medical College, Tianjin 300020, China)
Abstract: Umbilical cord blood (UCB), as an alternative source of hematopoietic/progenitor stem cells (HSCs/
HPCs), has been used clinically for a large number of malignant and non-malignant disorders. The quality and
quantity of HSC and HPC may be the most important factors on which the capacity of UCB to perform clinical
function depends. Other non-HSCs/HPCs, such as mesenchymal stem cells (MSCs), endothelial progenitor
cells (EPCs) and unrestricted somatic stem cells (USSCs), also present in cord blood, which may play a future
role in cell therapy and regenerative medicine. This review also covers the efforts to expand HSCs and HPCs ex
vivo and recent studies on attempts to enhance the homing and engrafting capability of HSCs as means to enhance
the clinical utility of UCB.
Key words: umbilical cord blood; hematopoietic stem cells; transplantation
收稿日期：2006-04-25
基金项目：“863”计划(2003AA205060) ；“973”项目子项(2001CB5101)
作者简介：顾东生(1981—)，男，硕士研究生；刘 斌(1973—)，男，硕士，助理研究员；韩忠朝(1953—)，男，
博士，教授，博士生导师，* 通讯作者。
文章编号 ：1004-0374(2006)04-0323-05
1988年，Broxmeyer首先以实验证明脐带血
(umbilical cord blood, UCB)中富含造血干细胞
(hematopoietic stem cells, HSCs)。法国 Gluckman
等[1]在巴黎圣路易斯医院为一位患有先天性再生不良
性贫血的儿童实施了世界上首例脐带血移植术，并
取得成功。从此，人们对于一直被当成废弃物丢掉
的胎盘和脐带血有了全新的评价和认识，至今，各
国学者对脐带血的基础研究和临床应用进行了大量
工作并取得很大成绩。本文对脐带血中存在的多种
干 /祖细胞的生物学特性及临床应用研究进行综述。
1　脐带血干细胞
在现阶段，脐带血之所以能够应用于临床治疗
324 生命科学 第18卷
多种疾病，与其含有丰富的HSCs/HPCs直接相关。
除这些造血干 /祖细胞外，其中还存在其他多种干 /
祖细胞，包括间充质干细胞(mesenchymal stem cells,
MSCs)、内皮前体细胞(endothelial progenitor cells,
EPCs)和非限制性体干细胞(unrestricted somatic stem
cells, USSCs)等，在这一部分将以HSCs/HPCs为重
点一一进行讨论。
1.1　造血干 /祖细胞(HSCs/HPCs)
HSCs要具有两个基本特性：(1)高度的自我更
新能力或自我复制能力，这样可以保持干细胞数量
恒定；(2)进一步分化为各系祖细胞及成熟血细胞的
能力，这是HSCs生命意义的体现。HSCs常以CD34
为标记区分为CD34+细胞群和CD34- 细胞群，其中
CD34+细胞群占 95%以上，而 CD34- 细胞群不到
5%，通常所说的HSCs指的就是CD34+细胞群。造
HSCs/HPCs是脐带血中含量最丰富的一种干 /祖细
胞，这也是目前脐带血临床应用的细胞基础。在数
量上，CD34+细胞所占比例与骨髓相似，高于外周
血，约占有核细胞的 1%~3%[2]。但在质量上，脐血
CD34+细胞体外长期培养中的CD34+CD45+细胞明显
高于骨髓，CD34+ CD38- 和 CD34+ CD33- 细胞在脐
带血中 CD34+细胞中的比例均显著高于骨髓，而且
脐带血 CD34+ CD38- 细胞的增殖分化能力高于骨髓
[3]。存在于脐带血CD34+ CD38- 细胞群中的人 SCID
小鼠再植细胞(SCID repopulating cell, SRC)的浓度约
为 1/600，远高于成人骨髓和细胞因子动员后的外
周血[4]。此外，脐带血中 HSC/HPC的含量及增殖
能力(CFU-GM, BFU-E, CFU-GEMM)也均高于骨髓
[5]。这些可能是为什么少量脐带血(50~200 mL)可以
替代大量的骨髓来满足临床移植需要的原因。
在未来的研究中，基因组学与蛋白质组学可能
会成为脐带血HSCs/HPCs研究的主要方向，成为关
于其自我更新、分化调控方面有价值信息的主要来
源。很多实验室已经利用 D N A 芯片 ( D N A
microarray)、基因表达序列分析(serial analysis of
gene expression, SAGE)、消减杂交技术( subtractive
hybridization)等方法对HSCs/HPCs基因表达谱进行了
研究。这些研究有助于鉴定这些干 /祖细胞中哪些
功能已知基因表达，哪些功能未知基因表达。
HSCs/HPCs蛋白质组学的研究是对其基因组研究的
有益补充。很多实验室正通过高表达或低表达的方
法对鉴定出来的基因和蛋白进行研究；但到目前为
止，由于不能很好地区分开CD34+细胞中的各个细
胞亚群，这些研究还只停留在实验室阶段，并没有
对脐带血干细胞的临床应用提供更多有帮助的信息。
此外，还有很多关于HSCs可塑性的报道，认
为HSCs可以横向分化为很多其他的组织和细胞类
型，但是这些研究结果还存在很大争议，本文未做
讨论。除了实验本身存在着缺陷、实验设计不甚严
谨等问题外，样本中存在的组织特异的前体细胞可
以解释部分 HSCs可塑性的结果[6]。
1.2　间充质干细胞(MSCs)
MSCs是中胚层发育的早期细胞，具备干细胞
的基本特性，如自我扩增和多向分化性，在发育的
不同阶段和特定环境条件下，MSCs可以分化为多
种细胞。实际上，如何定义MSCs仍是一个学术界
争论的焦点。不同物种，甚至不同实验室来源的
MSC s 其特性都不尽相同，至今还没有可以鉴定
MSCs的特异的表面标记，现在主要从形态学、表
面标记、功能特点等多方面对其定义。目前已经在
很多组织中分离得到MSCs，包括脐带血[7~10]。但
并不是所有的脐带血标本都能分离出MSCs，其比
例及脐带血中MSCs含量，不同实验室报道的数据
并不一致[8,10]，但均认为脐带血中MSCs数量少。我
们收集了42份正常足月产妇生产胎儿的脐带血，去
除其中的 CD34+细胞后，只从其中的 4份中分离得
到MSCs[9]。脐带来源的MSCs不但可以分化为骨、
脂肪、软骨[8~10]，还可以转变成带有神经[8 ,10]、肝
脏[7]、骨骼肌[11]特异标记的细胞，并且具有应用到
组织损伤修复、基因治疗载体和造血干细胞共移植
等方面的潜力，但由于单份脐带血样本中可分离得
到的MSCs的数量过低，使其应用受到很大限制。
1.3　内皮祖细胞(EPCs)
从脐带血中可以分离得到 EPCs，这些细胞表
达 CD34、CD133和VEGFR2，约占 CD34+细胞的
2%[12]，这些 CD34+和 CD133+细胞可以在缺血组织
分化成内皮细胞并诱导血管新生。Pesce 等[13]报
道，脐带血富含 CD34和 CD133共表达的 EPCs，
将新鲜提取的人脐带血CD34+细胞注入老鼠缺血的
肌肉中，证实产生了内皮细胞。体外试验发现，
CD34+扩增后仍有向内皮分化的能力。我们实验室
建立了一种脐带血CD133+细胞向EPC分化和扩增的
有效方法，并通过脐带血 EPCs移植治疗鼠肢体缺
血模型的研究，证明脐带血 EPCs能促进缺血肢体
的血管生成[14]。Ingram等[15]根据 EPCs的克隆形成
和增殖潜能，在 EPCs中鉴定出一种新的细胞群并
325第4期 顾东生，等：脐带血干细胞的基础与应用研究
命名为高增殖潜能 EPCs(high proliferative potential-
endothelial colony-forming cells, HPP-ECFCs)。这些
细胞能够完成至少 1 0 0 次群体倍增( p opul a t i on
doublings, PDs)，可以形成二级和三级集落，并保
持很高的端粒酶活性。总之，这些研究表明，脐
带血可以是缺血性疾病治疗性血管新生的较好来
源，具有广泛的应用前景。
1.4　非限制性体干细胞(USSCs)
Kögler等[16]在脐带血中又发现了一种 CD45-
HLAclassII-的细胞，并命名为非限制性体干细胞。
大约只有 40%的脐带血样本中可以得到这种细胞，
而且含量很低，经过 6~25d的培养，平均每份脐带
血标本(有核细胞数量在 2.4~19.4× 108之间)只得到
4个克隆，但可以在体外扩增到至少 1 015个细胞并
保持正常的核型。经诱导这类细胞可以在体外分化
为成骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞和神经细胞。
体外扩增后，在小鼠和胎羊模型中可分化为骨、软
骨、造血细胞以及神经、肝脏、心脏组织，而且
未在动物模型中产生肿瘤。如果能够得到其他实验
室的证实，那么USSCs可能成为未来再生医学很好
的干细胞来源。
可见，脐带血中除HSCs/HPCs外的其他多种
干细胞同样具有很大的临床应用潜力。
2　临床应用研究
目前，脐带血的主要临床应用是HSCs移植治
疗各种疾病，并针对脐带血干细胞的利用率进行了
大量研究和临床试验。此外，脐带血中的非造血
干/祖细胞在未来细胞治疗和再生医学中具有广阔的
应用前景。
2.1　HSCs移植
异基因骨髓和外周血造血干细胞移植治疗在多
种血液系统恶性和非恶性疾病中的广泛应用，与造
血干细胞供者来源日益缺乏形成尖锐矛盾，而脐带
血造血干细胞移植(umbilical cord blood transplantation,
UCBT) 作为一种治疗策略的出现为解决这一矛盾带
来了希望。与骨髓和外周血干细胞移植相比，脐带
血干细胞移植具有来源丰富、再生能力强、即时
性、纯净(病原体感染可能性小)、HLA相容性要求
低、GVHD 的发生率低且程度轻、成本低廉等优
点。自首例 HLA相和同胞脐带血移植以来，全球
已超过 5 000例患者实施了脐带血移植[17]。这些病
例中多数为部分HLA相和无关供者造血干细胞移植
的儿童患者，只有少数成人单份脐带血移植成功病
例的报道。由于单份脐带血中造血干细胞数量不
足，大大限制了 UCBT 应用于成人，这也是脐带
血移植的主要缺点，下面主要针对目前这方面的研
究现状进行论述。
目前，针对提高脐带血利用率的研究方向有：
(1) HSCs使用前的体外扩增；(2)同时使用多份脐带
血移植；( 3 )改变干细胞注射方式，如股骨内注
射；(4)对HSCs某些表面分子进行修饰，提高HSCs/
HPCs的归巢能力。
2.1.1　体外扩增　进行体外扩增的目的是增加脐带
血有效细胞数，从而降低移植物植入时间，减少移
植风险。目前，体外扩增的策略包括以下几种[18] ：
(1)液体培养扩增：筛选出 CD34+或 CD133+培养于
含有能使原始造血前体细胞增殖和自我更新的细胞
因子的培养基中；(2)共培养扩增：未经处理的脐
带血与造血微环境的基质成分，特别是MSCs在含
有生长因子的培养基中共培养；(3) 持续灌注扩增：
脐带血HPCs不是在静态的培养基中而是在含有生长
因子的生物反应器中培养、扩增。应用到造血原始
细胞体外扩增的生长因子组合主要包括：SCF、IL-
3、IL-6、G-CSF [19] ；SCF、TPO、G-CSF [20] ；
FL(Flt-3配体)、SCF、IL-3、IL-6、G-CSF[21]。
具体操作上，既可以先对整份脐带血进行体外扩增
然后移植，也可以先对一份脐带血的一部分进行扩
增，然后与同一份脐带血未经处理的部分同时移植
或在未处理部分移植一段时间后再移植。体外扩增
UCB后移植的临床试验已经开展。Shpall等[20]进行
了 37例患者的临床试验，分选出部分脐带血(单份
脐带血的 40%或 60%)中的 CD34+细胞，在 SCF、
TPO及G-CSF (浓度均为 100 ng/mL)存在的条件下
体外培养 10d，移植前总有核细胞数平均增加 56倍
(1.03~278)，总 CD34+细胞数平均增加 4倍(0.1~20.
0)，而且结果表明，扩增后的细胞与未处理的脐带
血共移植的患者与移植未处理脐带血 10d后再移植
扩增细胞的患者，在中性粒细胞和血小板植入时间
上没有明显差异。McNiece等[22]发展了 14d两步体
外扩增脐带血的方法，利用这种方法的临床试验正
在进行中。总之，虽然已经进行了大量的体内外研
究，但我们还尚未掌握维持HSCs自我更新和扩增
的关键细胞因子和细胞内信号途径，这方面的研究
还有待于更加深入。
2.1.2　多份脐带血共移植　由于脐带血体外扩增研
究的临床应用还有待时日，研究人员将目光投向双
326 生命科学 第18卷
份脐带血移植来克服单份脐带血细胞数的局限。目
前的临床研究表明[23]，双份脐带血移植的植入时间
平均为 23d，与单份脐带血移植相比，双份脐带血
移植的急性GVDH发生率并没有明显增加；双脐带
血移植后三周开始，受者的持续造血来自于其中一
份供者的脐带血，这可能与脐带血中 CD3+细胞数
有关，即 CD3+细胞多的脐带血支配受者移植后造
血的可能性大。尽管双脐带血移植是否真正可以提
高植入在临床上还有待于更大规模的临床试验进行
验证，但可能是解决脐带血细胞数有限这一问题很
有希望的方法，从而使脐带血移植的受益人群大大
增加。
2.1.3　注射方式的改变及表面修饰　临床上，HSCs
移植通过静脉途径，注射的细胞进入受者体内后需
要通过归巢到达其骨髓的造血微环境才能存活、自
我更新、增殖、分化，进而重建造血系统，但是，
并不是所有植入的细胞都有同等的归巢能力。
Mazurier等[24]将人 CD34+细胞通过股骨内注射的方
式移植到 N O D - S C I D 鼠，发现一新的 L i n -
CD34+CD38loCD36-造血干细胞亚群，这类细胞可以
快速产生高水平的髓系和红系细胞，并命名为快速
SRC(rapid SRC)。
某些细胞表面分子可以调节HSC的归巢能力。
Christopherson等[25]发现去除或抑制 CD26，细胞表
面的一种二肽基肽酶(dipeptidylpeptidase)，可以提高
鼠HSC在致死量放射后小鼠体内的归巢和再植。使
用骨内注射的方式或改变经静脉注射的细胞的表面
成分可以提高脐带血内部分细胞再植能力，提高单
份脐带血的利用效率。
2.2　脐带血的其他临床应用研究
前面我们已经提到了脐带血来源的MSCs可以
在体外诱导分化为多种实体器官组织特异性细胞。
在动物试验中发现，移植人脐带血的NOD-SCID鼠
的肝脏、胰脏、中枢神经系统、内皮中可发现脐
带血来源的器官特异性细胞。临床上，在移植男性
供者骨髓的女性患者体内发现带有Y染色体的消化
道上皮细胞和中枢神经系统特异细胞。这些非造血
细胞产生的生物学机制并不清楚，主要有以下四种
推断：(1)循环中的干细胞定向分化为实体器官特异
的细胞；(2)HSCs在非造血微环境中横向分化为其
他组织细胞；(3)脐带血中可能存在极为稀少的更为
原始的多能干细胞，类似于在骨髓中发现的多潜能
成体干细胞(multipotent adult progenitor cell, MAPC) ；
(4)造血组织来源的细胞或干细胞与实体器官的细胞
融合。
目前脐带血组织损伤修复的研究还处在动物试
验阶段。在肝损伤、脑卒中、心梗、脊髓半切等
动物模型中移植人脐带血细胞后可对相应组织进行
修复，其中脐带血细胞促进损伤局部血管新生可能
是其中很重要的一个方面。我们实验室从脐带血中
分离出内皮祖细胞并进行了体外扩增，扩增后的细
胞移植至小鼠的缺血下肢，促进局部血管新生[14]。
脐带血在组织损伤修复中的应用有很大潜力，
但目前还面临很多困难：首先，脐带血中原始细胞
的总数很低，特别是应用CD34-或CD133-细胞进行
细胞治疗；其次，还要克服免疫排斥这一问题；
另外，整合到损伤部位的供者细胞的功能状况还没
有在临床水平得到说明。
3　脐血库
脐带血在未来的临床中具有巨大的应用潜力，
这一点已勿庸置疑。继首次脐带血移植成功以来，
脐带血移植成功的报道不断增多，加之HSCs体外
扩增技术和细胞治疗研究的不断完善，在很大程度
上促进了世界各地脐血库的建设。脐血库的建立又
为脐带血移植的临床治疗及实验研究奠定了良好的
基础。我国的脐血库虽然已经开始运营，但建设远
落后于西方发达国家，我们还应加强这方面建设，
加强脐带血知识的宣传，增加我国脐血库存，以使
更多的患者受益。
4　小结
与骨髓相比，脐带血来源丰富，其中的HSCs/
HPCs含量多，质量高，可以通过脐带血移植对一
些恶性或非恶性疾病的造血系统进行恢复。但与骨
髓移植相比，脐带血移植存在的主要问题是单份脐
带血中HSCs数量有限，随着对HSCs增殖、分化、
归巢等研究的深入，这一问题有望通过提高脐带血
的利用率得到解决。除HSCs外，脐带血中还可分
离出其他多种干 / 祖细胞，这方面的研究还在深
入，相信在不久的将来，脐带血来源的干细胞将在
组织工程和细胞治疗中发挥重要作用。
[参　考　文　献]
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