第一节“万用细胞”——干细胞
干细胞研究是目前细胞工程研究中最活跃的领域，随着基础研究、应用研究的进一步深化，这项技术将会在相当程度上引发医学领域的重大变革，它已成为21世纪生命科学领域的一个热点。
所谓“干细胞”，是一种未充分分化，尚不成熟的细胞。
干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，尤其是在早期胚胎发育过程中，它可以产生构成身体器官各种类型的组织，生物学家又将它称为“全能性细胞”。
人类很多疾病诸如心肌梗塞、糖尿病、帕金森综合征等，都和细胞(如脑细胞、心肌细胞、胰岛细胞)的死亡有关。干细胞技术最显着的作用就是，能再造一种全新的、正常的甚至更年轻的细胞、组织或器官，用以治疗诸如脑瘫、中风、白血病、心肌梗塞、糖尿病、帕金森综合征等多种用传统方法难以治愈的疾病，具有不可估量的医学价值，给人们带来了希望。
1.干细胞的研究历史
干细胞的研究开始于20世纪60年代，加拿大科学家——恩尼斯特·莫科洛克和詹姆士·堤尔通过研究发现并命名了造血干细胞。
1959年美国首次报道了通过体外受精的动物。
20世纪60年代，科学家通过对几个近亲的小鼠睾丸畸胎瘤的研究，发现其来源于胚胎生殖细胞，这一工作确立了胚胎癌细胞是一种干细胞。
1968年，爱德公地兹和伯维斯特在体外获得了第一个人卵子。
20世纪70年代，畸胎瘤干细胞被注入小鼠胚泡产生杂合小鼠。
科学家还将培养的干细胞作为胚胎发育的模型，虽然它染色体的数目属于异常。
1978年，世界上第一个试管婴儿——路易斯·布朗在英国诞生。
1981年，埃文、考夫曼和马丁从小鼠胚泡内细胞群分离出了小鼠胚胎干细胞。他们建立了小鼠胚胎干细胞体外培养的条件。由这些细胞产生的细胞系有正常的二倍型，像原生殖细胞一样产生3个胚层的衍生物。将胚胎干细胞注入这个小鼠，其能诱导形成畸胎瘤。
1984~1988年，安德鲁斯等人从人睾丸畸胎瘤细胞中产生出多能的、可鉴定的（克隆化的）细胞，称之为胚胎癌细胞。克隆的人胚胎癌细胞在视黄酸的作用下，分化形成神经元样细胞和其他类型的细胞。
1989年，佩拉等分离了一个人胚胎癌细胞系，这个细胞系能产生出3个胚层的组织。这些细胞是非整倍体的（比正常细胞染色体多或少），他们在体外的分化潜能是有限的。
1994年，通过体外授精和病人捐献的人胚泡正处于原核期。胚泡内细胞群在培养中得以保存，其周边有滋养层细胞聚集，胚胎干细胞的样细胞位于中央。
1998年美国有两个小组分别培养出了人的多能干细胞。
2000年，由佩拉、托森邦梭领导的新加坡和澳大利亚科学家从治疗不育症的夫妇捐赠的胚泡内细胞群中分离得到了人胚胎干细胞。
这些细胞体外增殖，保持正常的核型，自发分化形成来源于三个胚层的体细胞系。
2003年，科学家建立了人类皮肤细胞与兔子卵细胞种间融合的方法，这为人胚胎干细胞的研究提供了新的途径。
2004年，美国马萨诸塞州高级细胞技术公司报道了克隆小鼠的干细胞可以通过形成细小血管的心肌细胞，修复心衰小鼠的心肌损伤。这是首次显示克隆干细胞在活体动物体内修复受损的组织。
美国《科学》杂志在1999年将干细胞研究列为世界十大科学成就的第一，排在人类基因组测序和克隆技术之前。
新加坡国立大学医院和中央医院通过脐带血干细胞移植手术，根治了一名因家族遗传而患上严重地中海贫血症的男童，这是世界上第一例移植非亲属脐带血干细胞而使患者痊愈的经典医学案例。
同胚胎干细胞相比，成人身体上的干细胞只能发育成20多种组织器官，而胚胎干细胞则能发育成几乎所有的组织器官。但是，如果从胚胎中提取干细胞，胚胎就会死亡。因此，伦理道德问题就成为了当前胚胎干细胞研究领域的最大问题之一。
美国政府明确反对破坏新的胚胎来获取胚胎干细胞，美国众议院甚至提出全面禁止胚胎干细胞克隆研究的法案。美国的一些科学家则对此提出了尖锐的批评，他们认为将干细胞用于医学研究，在减轻患者痛苦方面很有潜力，如果浪费这样一个绝好的机会，结果将是悲剧性的。
我国的干细胞研究和应用已经具备了一定的基础，早在20世纪60年代就开始了骨髓干细胞移植方面的研究，目前研究和应用得最多的是造血干细胞。1992年，我国内地第一个骨髓移植非亲属提供者登记组在北京成立，“中华骨髓库”也正式接受捐赠。2002年，在北京建立了脐带血干细胞库。
但是关于胚胎干细胞的研究，目前我国还没有明确的法律规定。
2.干细胞的特点
通常，在细胞分化的过程中，细胞往往由于高度分化而完全失去再分裂的能力，最终导致衰老而死亡。
而机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞，这就是人们所说的干细胞。
通常干细胞有以下几个特点：
其一，干细胞本身不是处于分化途径的终端。
其二，干细胞能无限地增殖分裂。
其三，干细胞可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态。
其四，干细胞通过两种方式生长：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——由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，使得一个子细胞不可逆地走向分化的终端，成为功能专一的分化细胞。而另一个保持亲代的特征，仍作为干细胞保留下来。分化细胞的数目受分化前干细胞的数目和分裂次数控制。
可以说，干细胞是具有很多潜能和自我更新特点的、增殖速度较缓慢的细胞。
3.干细胞的分化路径
由于用途十分广泛，干细胞被赋予了“全能”的荣誉。那么，干细胞究竟能够分化成什么，怎样进行分化，走哪条路到达分化终点，这些过程又是由哪些因素决定的呢？
传统观点认为细胞在进行分化时，路径和目的地是统一的，是由细胞信号通路决定的。然而来自《自然》杂志的一项新的研究报告表明，干细胞分化路径是通过基因的选择性行为形成的一系列分化网络路径，但分化终点却是相对固定的。研究人员用了一个形象的比喻：就如同山上的一块石头能够通过无限可能的路径下山，但是最终只能到达同一个山谷。
科学家通过详细研究，造血干细胞是分化成白细胞前体还是红细胞前体的各种相关因素，从而得出了结论：细胞的特性决定了其分化目的。
首先他们通过检验典型的血液干细胞群，发现了一种普遍存在于干细胞中的细胞标记Sca-1蛋白，该蛋白在每个细胞中的浓度都不尽相同，甚至有1000倍之多的差距。有人认为Sca-1蛋白含量低的细胞就会进行自动分化。然而当研究人员根据蛋白含量将细胞分为高、中、低三个种类并进行培养研究时发现，不同类型的细胞派生的细胞群落通过9天或9天以上的培养，蛋白含量将趋于相同。
这些细胞的分化方向也相同吗？然而，人们进一步的研究证明它们在分化过程中是明显不同的。研究表明，在红细胞生成素的刺激下，Sca-1蛋白含量低的血液干细胞分化成红细胞前体的机会比Sca-1蛋白含量高的干细胞高7倍。相反，干细胞在粒细胞——巨噬细胞刺激因子（一种白细胞生成刺激因子）的作用下，那些Sca-1蛋白含量高的干细胞更容易变成白细胞。
4.干细胞的分类
干细胞分类是指一群在胚胎发育早期未分化的细胞，理论上具有无限制分裂的能力，可分化成为特定的组织。
干细胞有两种分类方法：一种是根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞大致分为：胚胎干细胞和成体干细胞。
胚胎干细胞是一种高度未分化中细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。
成体干细胞是存在于成年动物中的许多组织和器官(比如表皮和造血系统)，具有修复和再生能力的细胞。在特定条件下，成体干细胞可以产生新的干细胞，或者按一定的程序进行分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。
科学家过去一直认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞，但最近的研究表明成体干细胞普遍存在于机体的大多数组织器官中。
第二种分类方法是根据干细胞的发育潜能来分的：即全能性干细胞、多能性干细胞和单能性干细胞。
全能性干细胞，它具有形成完整个体的分化潜能，可直接克隆人体。如胚胎干细胞（简称ES细胞）是从早期胚胎内的细胞团分离出来的一种高度未分化的细胞系，具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，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、器官，最终发育成一个完整的人。
多能性干细胞，这种干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，可直接复制各种脏器和修复组织。但却没有发育成完整个体的能力，因此，其发育的潜能受到一定的限制。骨髓多能造血干细胞就是一个典型的例子，它可分化出至少11种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其他细胞。
单能性干细胞也称专能、偏能干细胞，这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞都属于单能干细胞。
5.人体干细胞的奥秘
人类寄希望于利用干细胞的分离和体外培养，在体外繁育出组织或器官，并最终通过组织或器官移植，实现对临床疾病的治疗。
全功能干细胞具有经培养不定期地分化，并产生特化细胞的能力。在正常的人体发育环境中，它们得到了最好的诠释。
人体发育起始于卵子的受精，产生一个能发育为完整有机体潜能的单细胞，即全能性的受精卵。在受精后的最初几个小时内，受精卵分裂为一些完全相同的全能细胞，这意味着如果把这些细胞的任何一个放入女性子宫内，都有可能发育成胎儿。实际上，当两个全能细胞分别发育为单独遗传基因型的人时，也就出现了各方面都完全相同的双胞胎。
大约在受精后4天，经过几个循环的细胞分裂之后，这些全能细胞开始特异化，形成一个中空环形的细胞群结构，人们称之为胚囊。
胚囊由外层细胞和位于中空球形内的细胞簇(称为内细胞群)构成。
精子与卵子相遇，外层细胞继续发展，形成胎盘以及胎儿在子宫内发育所需的其他支持组织。内细胞群细胞也继续发育，形成人体所需的全部组织。
尽管内细胞群可形成人体内的所有组织，但它们不能发育为一个单独的生物体，因为它们不能形成胎盘以及子宫内发育所需的支持组织。这些内细胞群细胞是多能性的，即它们能产生许多种类型的细胞，但并非胎儿发育所需的全部细胞类型。因为它们不是全能性的，不是胚胎，没有完全的发育潜能。如果将内细胞群放入女性子宫，就不会发育成胎儿。
多能性干细胞经历进一步的特异分化，发展为参与生成特殊功能细胞的干细胞。如造血干细胞，它能产生红细胞、白细胞和血小板。
如皮肤干细胞，它能产生各种类型的皮肤细胞。这些更专门化的干细胞被称为专能干细胞。
6.干细胞技术的发展
干细胞技术，又称为再生医疗技术，是指通过对干细胞进行分离、体外培养、定向诱导甚至基因修饰等过程，在体外繁育出全新的、正常的甚至更年轻的细胞、组织或器官，并最终通过细胞组织或器官的移植实现对临床疾病的治疗。
干细胞技术是生物技术领域中最具有发展前景和后劲的前沿技术，它目前已经成为世界高新技术的新亮点，势将导致一场医学和生物学的革命。
干细胞技术最显着的作用就是：能再造一种全新的、正常的甚至更年轻的细胞、组织或器官。其实我们每个人的体内都有一些与自己终生相伴的干细胞。但人的年龄越大，干细胞就越少。为了弥补干细胞的不足，一些科学家建议从胚胎或胎儿以及其他动物身上获取干细胞，进行培养和研究。
干细胞的用途非常广泛，涉及医学的多个领域。目前，科学家已经能够在体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞，并以这样的干细胞为“种子”，培育出一些人的组织器官。
干细胞及其衍生组织器官在临床上的广泛应用，将产生一种全新的医疗技术，也就是再造人体正常的甚至年轻的组织器官，从而使人能够用上自己的或他人的干细胞，或由干细胞所衍生出的新的组织器官，来替换自身病变的或衰老的组织器官。假如某位老年人能够使用上自己或他人婴幼儿时期，或者青年时期保存起来的干细胞及其衍生组织器官，那么，这位老年人的寿命就可以得到明显的延长。
同时，干细胞技术还可以广泛用于治疗传统医学方法难以医治的多种顽症。现在，利用造血干细胞移植技术，已经逐渐成为治疗白血病及各种恶性肿瘤化疗后，引起的造血系统和免疫系统功能障碍等疾病的一种重要手段。
相信在不久的将来，那些患有失明、帕金森综合征、艾滋病、老年性痴呆、心肌梗塞和糖尿病等绝大多数疾病的病人，都可望借助干细胞移植手术获得康复。