成体干细胞系统是什么?有什么作用?

2021-04-06 16:48:42 193

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即使没有像蛛螺那样再生手足的能力,人体各个组织为了维持其稳定性,都或多或少具备自我修复能力。造血系统的组织或者皮肤上皮系统的组织细胞每天都在更新,具有较强的再生及储备能力以维持其结构稳定性和应对受伤等意外情况。例如,从人体抽取400毫升的血液,红细胞能够及时恢复到原来的水平,或者皮肤受了点轻伤,也能不留疤痕地痊愈:但是,如果大量出血的话就会危及生命,很深的伤口会形成瘢痕组织,留下称为“疤痕”的印记。 

在内脏中,尤其是肝脏,其再生能力是超强的即使外科手术切除2/3的肝脏,也能再生成原来的大小:但是胃肠如果切除1/3,就不能再生成原来的大小了。同时,胃肠的黏膜每天都在更新,只观察其黏膜的话再生能力还是很强的。也就是说,虽然在肝脏和胃肠中都存在着再生能力较强的细胞,但是就脏器整体来说,各个组织的再生能力是不一样的。

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 也有像骨骼那样,看起来并未改变,实际上却是不间断地进行着骨组织吸收和骨组织再生:还有,20多年前认为脑的神经细胞和心脏的肌肉在出生后就基本不进行细胞分裂,所以不能再生°但是在发现神经干细胞和心脏干细胞后,推测脑和心脏也可以进行某种程度的再生:但是即使有干细胞的存在,也不能说在受到伤害后一定能进行充分的组织修复,因此,对于脑卒中和心肌梗死的仍是临床上极具挑战的。

组织的干细胞系统

每个组织都有其各自的特殊功能,发挥其功能的实际单位则是“分化(differentiation)”后的特殊细胞。我们称这种细胞为终分化细胞,因为其不能再生,因此消耗之后组织的功能就会下降.受到损伤后就会发生死亡。

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通常情况下终分化细胞不具有增殖能力,因此需要一个补充这种细胞的系统而在必要的时候进行增殖来生成这种终分化细胞的细胞就是前体细胞(progenitor cell,precursor cell)。在不断地丢失分化细胞的组织中存在着数量相当多的前体细胞,能够不断地、活跃地进行细胞分裂。前体细胞如果能够很好地发挥作用,新旧交替就能很顺利地进行,就能很好地维持细胞数目的稳定。

但是,前体细胞的增殖能力是有限的,在经过几次分裂之后就不能再增殖了。因此,有一个能够适当提供前体细胞的机制就显得尤为重要,而发挥这种作用的就是成体干细胞(adult stem cell,tissue stem cell):也就是说,在各个组织中存在着成体干细胞分化成前体细胞,前体细胞再分化成终分化细胞的“等级制度”,我们称之为干细胞系统。

 这个干细胞系统调控严格,关于其调控机制的研究是一项重要的课题,但是仍然有很多不甚明了的地方。例如,造血干细胞系统中存在着干细胞在自我更新的同时产生前体细胞,前体细胞再产生终分化细胞:以前一直认为分化的方向是单向的,但是如果改变条件的话,分化后的细胞也能反向回到未分化的状态,

红细胞、淋巴细胞等各个细胞的前体细胞,这种等级制度很明确,将分化阶段分成多个阶段后,就有多种前体细胞:但是在其他脏器中,就不一定有这么明确的等级制度了。 


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另一方面,如果这个干细胞系统失去控制的话,就可能形成了“癌”。同时,以前一直认为干细胞系统是从干细胞开始单向分化的,已经分化的细胞是不能回头再形成未分化的细胞的:但是诱导多能性干细胞(induced pluripotent stem cell,iPS细胞)的成功发现提示我们,如果改变条件的话,已分化细胞也是可以转化为未分化细胞的,此过程称为去分化(dedifferentiation)

那么,干细胞和前体细胞有什么不同呢?能很明确地区分出来吗?我们已经明确两者在增殖能力和分化程度上的不同之处,但是这些是否是其本质区别还有待研究。

如果干细胞向前体细胞分化是一个连续过程的话,那么要确定哪一刻是两者的分界线就不是一件容易的事了。如果有多阶段分化过程的话,就不能否认有中间细胞的存在。这些中间细胞如果只是短时间存在,那么要检测出来是很困难的。再考虑分化的程度,离终分化细胞远的、原始未分化的细胞,就可以追溯到能生成所有细胞的受精卵:胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES细胞)也是由早期发育阶段的细胞分化而来的,就其具有分化成各种各样细胞的能力来说,胚胎干细胞毫无疑问是一种未分化细胞。从受精卵开始,在发育过程中细胞慢慢地进行分化,形成各种组织。可以认为在成体干细胞中有向某种组织分化的开关,但与ES细胞比起来,其分化能力相对较低。

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所以,成体干细胞和前体细胞分化程度的不同是相对而言的。前体细胞是只能分化成一种组织的细胞,而干细胞则是可以分化成两种以上组织的细胞。就这一点来说,两者是有很大不同的。只是近年来,发现在某些情况下分化细胞可能变回前体细胞或干细胞,因此就不能简单地对两者本质上的区别下定论了:例如,在毛发特定的区域里有干细胞的存在,这种干细胞通常情况下向皮肤的深处移行,增殖生成被称为毛发根源的毛母细胞,分化成构成毛发的多种不同的上皮细胞:因此,可以说区域的细胞具有毛囊上皮干细胞的性质,这一点在之后还会提及。

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创伤导致表皮丢失及毛发脱离时,成体干细胞会向表皮也就是皮肤的方向移行,并分化成表皮细胞:在类似创伤这种特殊情况下,成体干细胞会优先生成表皮,待表皮再生结束后开始分化成毛发细胞。这一现象说明,成体干细胞能够根据当时的具体情况,灵活地运用其分化能力进行组织再生。