全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 19卷 第 4期
2007年 8月
Vol. 19, No. 4
Aug., 2007
干细胞定向分化的基础和临床应用研究
汤其群*，张素春，李华伟，邹云增
（复旦大学生物医学研究院干细胞与组织工程研究所，上海 200032）
文章编号 ：1004-0374(2007)04-0378-04
摘　要：胚胎干细胞具有多向性分化的潜能，
可以分化成为内、中、外三个胚层的所有细胞，存
在于组织器官中的成体干细胞(包括心脏等的前体细
胞)也能分化成为某些细胞，用来修复、补充体内
受损、死亡的细胞。目前干细胞研究的重点是：
干细胞未分化和多向性机制的基础研究；干细胞向
特定细胞群体分化的调控和分化细胞的应用研究，
而后者是连接基础研究和临床研究的必经之路。干
细胞的基础和临床应用研究不但可以了解正常的胚
胎发育过程，而且利用掌握的知识通过体外诱导或
体内激活的方法针对性地治疗某些疾病。目前我们
的研究集中在神经细胞(包括视网膜细胞和内耳前体
细胞)、脂肪细胞和心肌细胞定向分化的分子机
理，并通过疾病动物模型验证这些定向分化的细胞
的功能。希望通过建立人胚胎干细胞以及成体干细
胞向外胚层的特种神经元(包括前脑神经上皮细胞、
GABA和胆碱能神经元、视觉细胞、听觉细胞、多
巴胺能神经元)和中胚层的脂肪细胞、骨细胞以及
心肌细胞定向分化的模型，继而采用蛋白质组学和
基因组学最新技术分析这些建立的模型，研究相关
因子通过哪条信号传导通路导致这些细胞的定向分
化或者通过改变哪个目的基因的表达，或改变目的
蛋白的修饰导致干细胞定向成神经细胞、脂肪细胞
和心肌细胞；研究成年脑内源性干细胞定向诱导成
这些功能性神经元的机理，并进行比较研究。用
Lentivirus转染干细胞高表达、或用 RNA干扰抑制
上述研究得到的目的基因，在细胞模型和动物体内
验证这些信号通路和目的基因在干细胞定向分化中
的作用。
研究的背景：成体干细胞(特别是造血干细胞)
的研究和应用已有相当长的历史。然而，维持并扩
增成体(组织)干细胞的技术至今尚未突破。相对
地，灵长类和人胚胎干细胞已分别在1995年和1998
年由Wisconsin大学的 James Thomson教授建立并维
持至今[1 – 2]。这一成就重新激励了人们对干细胞，
包括成体干细胞研究的广泛兴趣，以及干细胞在再
生医学中应用的潜能的高度期望。　
胚胎干细胞(embryonic stem cells, ESC)是哺乳
类动物囊胚的内细胞团细胞在体外特定培养条件下
得到的特殊细胞，这些细胞具有在体外无限自我复
制和分化为体内任何种类细胞的潜能。早在20世纪
80年代初，小鼠胚胎干细胞系就已成功地建立。20
多年来，小鼠胚胎干细胞被广泛用于基因功能、哺
乳类发育机制和药物筛选的研究。1998年，美国
Wisconsin大学的 James Thomson教授实验室首次利
用体外受精的人类囊胚，从内细胞团细胞建立了人
的胚胎干细胞系，引起国际学术界的巨大轰动和广
泛关注。干细胞因其高度可塑性和在组织器官移
植、细胞治疗、组织工程、新药筛选以及生殖遗
传工程方面的潜在应用价值，近年来已成为生命科
学研究领域中的热点课题之一，并逐渐成为基础医
学和临床研究的新兴领域。
人胚胎干细胞不仅可以用于研究人类发育早期
事件，更为重要的是人胚胎干细胞诱导分化得到的
细胞可以用于人类疾病的治疗，尤其是对于一些目
前临床上尚无有效治疗方法的组织损伤和退行性疾
病，如老年痴呆、糖尿病等。因此， 科学家们对
干细胞的研究表现出了极大的热情，各国政府对干
细胞的应用前景也表示了高度的重视。更令人兴奋
的是，科学家们已经开始对胚胎干细胞进行基因改
造，将特殊改变的基因转导至胚胎干细胞中，体外
选择后将胚胎干细胞导入机体，使胚胎干细胞中的
收稿日期：2007-07-30
作者简介：汤其群(1966—)，男，博士，教授，*通讯作者，E-mail: qqtang@shmu.edu.cn
379第 4期 汤其群，等：干细胞定向分化的基础和临床应用研究
遗传信息传达给子代[3–5]，这意味着将可以有针对
性地改变人胚胎干细胞的遗传表型，可能有助于克
服出生缺陷，纠正某些遗传性疾病，而且还可将胚
胎干细胞中某个基因敲除或将外来的某个基因导
入，用于研究特定基因对胚胎发育、药物代谢和肿
瘤形成的影响等。最近研究者用 RNAi的方法使人
类胚胎干细胞中某个基因表达下降，获得较稳定的
结果。此外，利用干细胞技术还能生产克隆动物、
生产转基因动物、加快组织工程的发展等，所有这
些重要的技术突破都使胚胎干细胞用于人类疾病的
治疗更接近现实，可以预料，在不久的将来可应用
胚胎干细胞在体外形成的器官取代功能衰竭的体内
器官，为器官移植提供重要的来源保障。
然而，人胚胎干细胞从体外培养进入临床应用
是一项艰巨任务，还有待于一系列相关科学问题的
解决。第一，人们对人胚胎干细胞在体外生长和分
化的最佳条件尚不完全明确，人类胚胎干细胞在目
前的培养条件下很容易发生分化。流式细胞仪分析
显示，正常的人类胚胎干细胞培养中有大约 10％的
细胞是分化的细胞。因此，必须首先阐明人类胚胎
干细胞未分化状态的维持机理，特别是各种信号通
路对维持人类胚胎干细胞未分化状态的维持机理。
第二，虽然人胚胎干细胞具有巨大的发育潜能和复
制能力，从理论上讲，可以无限地提供移植所需要
的特定的各种细胞类型，但目前科学家们还不能有
效地定向诱导人胚胎干细胞向单一方向分化和达到
纯的分化细胞。而未分化的人胚胎干细胞植入人体
内会产生畸胎瘤，影响细胞移植治疗的应用。此
外，目前对胚胎干细胞定向诱导的模型尚不能确
立，成体干细胞的横向分化机制也不清楚。因此，
明确干细胞在体外定向分化的分子机制十分关键。
目前，世界各国政府为解决上述问题投入大量资
金，科学家们也在努力攻克这些难题。无论是明确
人类胚胎干细胞自更新和全能性等未分化状态的维
持机理，还是确定各类信号分子对人类胚胎干细胞
定向分化的调控作用机理，建立人类胚胎干细胞早期
命运决定的模型，都是干细胞研究领域的热点[6–7]。
研究的意义：我们集中研究来自外胚层的神经
干细胞和来自中胚层的脂肪细胞、心肌细胞和骨细
胞的定向分化，是因为心脑(神经)疾病、肥胖、糖
尿病是目前常见的危及人类生命与健康的疾病，对
这些疾病很好的预防和治疗无疑将造福于人类。尤
其是随着我国经济发展，人民生活水平的提高和寿
命的延长，代谢性疾病(肥胖、糖尿病、动脉粥样
硬化)的发病率不断提高，心血管疾病更是人类健
康的第一杀手，在全世界大约有 1.5亿充血性心力
衰竭患者；神经疾病方面, 据美国神经科学会的估
算，仅在美国就有 2 800万听觉缺失患者，带来的
经济损失达 560亿美元；100万帕金森患者(经济损
失 56亿美元)；470万脑溢血患者(经济损失 510亿
美元)；525万脑脊髓创伤患者(经济损失 663亿美
元)。心脑疾病在我国也是最突出的。对于终末期
心脏病的治疗，药物治疗往往是无效的，心脏移植
虽然是有效的治疗手段，但由于缺乏器官捐献者，
使这一治疗方案无法得到广泛实施，心脏辅助装
置、人工心脏、激光打孔心肌血管重建、基因治
疗、组织工程等治疗手段对已坏死或无功能心肌组
织尚无办法。同时，随着人民寿命的提高，创伤
(如脑、脊髓损伤)和退行性疾病(心肌梗死、脑溢
血、帕金森病)的发病率不断提高，而这些疾病涉
及特定细胞或组织类型病变或损伤，必须由体内或
体外提供的细胞组织来修复，所以干细胞被认为具
有治疗这些疾病的潜能，来自脂肪组织的干细胞可
以提供原料。
研究的内容：干细胞具有在体外大量增殖和分
化为多种细胞的潜能，是研究细胞生物学基础科学
问题的理想细胞模型，也可以为临床疾病的细胞治
疗提供细胞来源。根据过去20多年小鼠胚胎干细胞
研究的经验，科学家们已成功地在体外将人的胚胎
干细胞分化为神经元，尤其是具有功能的多巴胺神
经元及少突胶质和星状胶质细胞、肝细胞、内皮细
胞、心肌细胞、胰腺 β 细胞和造血细胞[ 8– 1 3]。
目前，人胚干细胞的建系技术已经相当稳定，
许多国家包括我国都已用相似的技术成功建立人胚
干细胞株。所以，干细胞研究的重点是：干细胞
未分化和多向性机制的基础研究；干细胞向特定细
胞群体分化的调控和分化细胞的应用研究，而后者
是连接基础研究和临床研究的必经之路。
过去几年中，已有一系列关于人胚干细胞向多
种特定细胞如血细胞[9]、心肌[14]以及神经上皮[11,15–16]
等主要细胞系列分化的报道。但多数的报道仅限于
在随机分化基础上不同程度的纯化，而非定向诱导
分化。人胚干细胞在含血清的培养基中经常随机分
化成能节律跳动的心肌细胞，心肌细胞的分化几率
可以通过改变细胞培养的条件而有不同程度的提
高。但是，定向诱导人胚(甚至鼠胚)干细胞至心肌
380 生命科学 第19卷
细胞的技术仍未突破，原因之一是人们仍然缺乏对
心肌前体细胞的形态学和免疫学表型的有效标记。
建立诱导心肌细胞定向分化技术并搞清心肌定向分
化的分子机制将不但对胚胎干细胞的应用，而且对
已经在临床上开展的骨髓基质干细胞移植治疗心脏
病研究也会起巨大的促进作用。我校中山医院葛均
波教授在国内率先成功开展了自体骨髓基质干细胞
移植治疗心脏病的临床研究，自 2003年 5月起，开
展了利用微导管经冠脉内自体骨髓单个核细胞移植
治疗急性及陈旧性心肌梗死的临床研究，一共收治
了 204例心肌梗死患者，初步临床研究表明，骨髓
干细胞移植能明显改善缺血心肌血液灌注，提高患
者心脏功能，未见致心律失常等潜在危险性。同步
进行的基础实验研究表明骨髓干细胞的作用机制主
要是通过促进血管新生改善了缺血心肌的血供，通
过心肌再生减少心肌梗死面积[17]。尽管一些接受了
骨髓干细胞移植的患者心功能有一定的好转，但尚
没有充足的证据证明移植的骨髓干细胞分化为新的
细胞。如果能搞清干细胞向心肌分化的机制，我们
就有可能在移植前预先诱导骨髓基质细胞向心肌分
化或在移植后促进心肌分化，从而进一步提高疗
效。因此，我们将建立胚胎和成体(骨髓基质和外
周血)干细胞向心肌细胞分化的技术，通过对定向
分化机制的研究，进一步改进我们已开展的成体干
细胞移植治疗心脏病的疗效。此外，动物实验和临
床试验均发现骨髓干细胞可能会引起冠状动脉微栓
塞，加重再狭窄、钙化及动脉粥样硬化形成，更
有实验显示体外骨髓干细胞长期培养有变成肿瘤细
胞的可能。因此我们还将对骨髓干细胞移植的安全
性进行客观评价。
相对于心肌细胞的定向分化，人胚干细胞向神
经外胚层的诱导分化较为有效。自1998年人胚干细
胞系建立以来，国际上多家实验室报道了向神经上
皮细胞分化的方法，向特定的神经细胞如运动神经
元[19]、多巴胺能神经元[19–20]和少突胶质细胞[21]的分
化也已部分建立起来，但是由于所用标记物比较简
单，对由干细胞分化来的细胞的定性较肤浅。张素
春教授的实验室已建立起一套不含血清等未知成分
的培养系统有效地将人胚干细胞定向诱导到神经上
皮细胞(最早的神经细胞或称神经干细胞)。在此基
础上，继续成功地向中脑的多巴胺能神经元(帕金
森患者中该类细胞病变)和脊髓的运动神经元(脊髓侧
索硬化患者该细胞病变)分化。该研究在国际上处
于领先地位。不过，人胚干细胞向大脑(前脑)各细
胞类型分化的技术尚未建立，而前脑来源的神经元
种类最多，主要的细胞类型有谷氨酸(glutamate)能
神经元、γ-氨基丁酸(GABA)能神经元、胆碱能神
经元和视、听细胞等。许多神经疾病是由这些细胞
病变引起的。
尽管人胚胎干细胞向大脑各细胞类型分化尚未
报道，但已对相应的前脑神经前体细胞开展了深入
的基础和应用研究。我校五官科医院李华伟教授在
听觉前体细胞研究领域进行了开拓型的工作，首先
报道当鼠胚胎干细胞诱导为外胚层前体细胞后，加
入 EGF和 bFGF时，部分鼠胚胎干细胞可以分化为
内耳前体细胞。另外，我们最近的研究结果显示，
骨形态发生蛋白 4 (bone morphogenetic protein 4,
B M P 4 )是毛细胞分化所必需的因子；音猬因子
(Sonic Hedgehog, SHH)可以促进内耳前体细胞分化为
毛细胞和神经节神经元[22–23]。周国民教授于 20世纪
90年代对人胚视网膜的发育进行了比较系统的研
究，并建立了人胚视网膜的体外培养方法；近年来
又对大鼠视网膜前体细胞的分离、建系及生物学特
性进行了初步研究[24–25]。所以，我们将在研究成体
神经干细胞、视、听觉前体细胞的基础上，建立
人胚干细胞向这些具有前脑特性的神经前体细胞定
向分化的技术，并对从人胚干细胞来源的和成体来
源的这些前脑细胞类型的定向分化机制，以及这些
细胞在动物模型中的应用进行比较学研究。
近几年在干细胞如何定向分化为前脂肪细胞以
及前骨细胞方面也已取得很大突破，建立了多能干
细胞(C3H10T1/2)定向分化为前脂肪细胞的模型[26]，
发现骨形态发生蛋白(BMP2/4/7)具有诱导干细胞定向
为前脂肪细胞以及前骨细胞的功能，发现低浓度骨
形态发生蛋白能促进干细胞定向分化为前骨细胞。
随着骨形态发生蛋白浓度的增加，干细胞定向为前
骨细胞的功能被抑制，干细胞定向为前脂肪细胞，
该前脂肪细胞，如植入裸鼠胸壁皮下在 4–6周后可
发育成脂肪组织，形成的脂肪组织和内源性的脂肪
组织基本没有差别，有血管和神经并能对激素产生
良好的反应。
在间充质干细胞向不同细胞定向、分化过程
中，Wnts/β -链蛋白信号促进其向成骨细胞定向，
抑制其向脂肪细胞和软骨细胞等的分化。软骨细胞
特异性表达Wnt14的Col2α1-Wnt14转基因小鼠，在
Wnt14异位表达的软骨细胞形成区发生成骨细胞分
381第 4期 汤其群，等：干细胞定向分化的基础和临床应用研究
化和基质钙化，而软骨细胞分化被抑制。间充质前
体细胞特异性地剔除β-链蛋白导致其向软骨细胞的
分化[27]。通过激活或抑制Wnts/β-链蛋白信号，可
以抑制或促进脂肪细胞的分化。也有研究表明，
Wnts信号可以减少成骨细胞和骨细胞的凋亡，具体
机制可能是通过β-链蛋白和PI3K/Akt两个通路来发
挥作用的。最新的研究发现，Wnt还通过 β-链蛋
白之外的信号系统来促进成骨。Tu等[28]发现，Wnt3a
可以激活G蛋白β-PKCδ信号通路，从而促进成骨；
Wnt7a也可以通过蛋白激酶Cδ (PKCδ)来诱导成骨细
胞的分化。
这些研究干细胞定向为骨细胞和脂肪细胞打下
了很好的基础，为临床防治肥胖、糖尿病、骨质
疏松等疾病提供理论基础。近年来的研究发现，脂
肪组织含有大量的干细胞，体外试验已证明这些干
细胞可在体外被诱导成脂肪、骨、软骨、神经等
细胞，可作为再生医学的材料。
[参　考　文　献]
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