Nature：干细胞——令人着迷的潜力！
干细胞是生物学和医学应用中功能最强大的工具。那么科学家们要如何来开发利用这些细胞的惊人潜能呢？患有黄斑变性的患者会进行性地丧失他们的视力。最初，他们只是感觉看到的人和物边缘模糊，逐渐在弱光下无法识别面目，之后阅读和驾车也变得困难，最终直至完全失明。其原因是由于视网膜上的感光细胞受到了损害，丧失了功能。黄斑变性是一种老龄化疾病，是65岁以上老年人视力丧失的主要病因。预计到2020年美国将有将近300万人受累于这一疾病。
相关的疾病还包括一种称为Stargardt病（少年型黄斑营养不良）的遗传性疾病，主要累及青少年。罹患此疾病，会导致视网膜深层脂质堆积，破坏视网膜功能，最终导致视力丧失。如果视网膜中这些坏死细胞能够被修复或替换会怎样呢？科学家们正在检测一种针对黄斑变性和黄斑营养不良的大胆的新治疗策略。开展这项试验Advanced Cell Technology公司利用人类胚胎细胞生成了替换的眼部细胞，并将替换细胞注入到眼底修复视网膜。
干细胞的功能非常强大。干细胞具有多能性，这意味着它们能够转化为人体220种细胞类型中的任意一种。一个干细胞也可以分裂生成数以百万计的干细胞。干细胞自我更新及生成新组织的潜能可以说几乎是无限的。这些特性使得干细胞成为了实验室和医学应用中的重要工具。它们使科学家们对于人类的发育有了更深入的认识，提供了一条不危害人类志愿者的药物测试途径，以及替换受损组织，例如视网膜细胞、肌肉细胞或脊髓细胞的途径。但是我们才能充分利用干细胞？如何才能使这些干细胞在我们期望的地方，以我们期望的方式生长，并替换损伤或病变组织？
要了解干细胞，我们首先必须构建它们的基础生物学。从微小的蠕虫到小鼠和人类，几乎所有的动物都具有干细胞。干细胞可分为三种类型：胚胎干细胞、成体干细胞和诱导多能干细胞(iPS)，每种类型的干细胞均具有自身的性能和局限。胚胎干细胞来自最早期发育阶段生物体。当精子与卵子相遇，生成的受精卵开始分裂，此时每个细胞均具有形成机体所有细胞类型的潜能。这就是多潜能性的本质。直至细胞经过几次分裂后，它们才开始倾向于选择命运，表达某种细胞类型特异的基因。这一过程就称之为分化。
一旦胚胎发育为成熟的生物体，大部分的细胞均会发生分化，但也有少量的特殊细胞。不同于大部分成体细胞，它们保有增殖及形成其他类型细胞的能力。这些成体干细胞定位在某些组织特异的干细胞微环境中，等待来自生物体的指令替换或修复组织。它们通常被发现存在于必须不断补充自身的组织中，例如血液、皮肤和肠。它们也被发现存在于较少频繁更替细胞的大脑中。这些成体干细胞可以说具有多能性，但不同于多潜能细胞，它们不能转化为人类220种细胞类型中的所有类型。例如，大脑中的神经干细胞可以分化为几种脑细胞，但不会形成肝细胞。
在过去的10年里，科学家们学会了如何利用成熟分化的细胞来生成干细胞。科学家们驱使这些达到分化状态的细胞重新获得多能性，将其命名为诱导多能干细胞。例如，通过上调少量基因的表达，科学家们就能够让皮肤细胞从分化信号通路折回，恢复到灵活的多潜能状态。
掌控了操纵细胞命运的能力，让科学家们愈加对这些令人着迷的细胞的潜力感到兴奋。然而干细胞领域是一个新兴的领域，还有大量基础的问题仍悬而未解。例如，3种干细胞类型有何区别？它们又有哪些共同之处？我们能利用这些细胞来治疗疾病吗？我们能否利用它们来重建组织与器官？
(生物通：何嫱） 追溯干细胞的发现史，1868年德国生物学家Ernst Haeckel第一次利用“干细胞”一词来描述受精卵。从1981年起，研究人员长期致力于小鼠胚胎干细胞研究工作，直至1998年研究人员首次分离出小鼠胚胎干细胞，标志着这一研究领域出现腾飞。
机体内的每个细胞都具有相同的一组基因。眼细胞不同于干细胞是因为它们开启和关闭的基因存在差异。在视网膜细胞中，感光的基因被开启，编码消化蛋白的基因被关闭。在肝细胞中，情况则正好相反。科学家们在利用胚胎细胞治疗失明以前，就已经知道了患者所需的视网膜细胞中哪些基因需要被开启，哪些则需要关闭。利用化合物和蛋白培育胚胎干细胞使它们分化为视网膜细胞，研究人员获得了无限供应的细胞。
能够做到这一点，是研究人员数十年科研努力的结果。追溯干细胞的发现史，1868年德国生物学家Ernst Haeckel第一次利用“干细胞”一词来描述受精卵。从1981年起，研究人员长期致力于小鼠胚胎干细胞研究工作，直至1998年研究人员首次分离出小鼠胚胎干细胞，标志着这一研究领域出现腾飞。
当来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的James Thomson及研究团队成功从胚泡中获得一群称为“内细胞团”的细胞时，标志着取得了突破性的进展。胚泡是一种极早期的胚胎，此处研究人员是通过在实验室中操控精子和卵子的受精而获得的。在临床上，辅助生殖中心的科学家们通常会制造出比预备受孕父母预期的更多的胚胎，按照父母的意愿，受孕后剩余的胚胎通常会被冻存起来或丢弃。在这种情况下，父母可以将多余的胚泡供科学研究。如果将胚泡植入到子宫内，内细胞团将会形成胎儿或滋养外胚层，并最终形成附组织例如胎盘。在不植入子宫的情况下，研究人员可将内细胞团转变为细胞培养物。
为了做到如此，研究人员需分离出内细胞团，并这些细胞置于平底皿中培育成细胞系。营养丰富的培养液和一些小鼠细胞作为滋养或支持细胞，是培育这些细胞的必要条件。
分离的细胞持续地生长。事实上，干细胞的部分定义就是它能够几乎无限地分裂，生成越来越多的干细胞。相比之下，普通细胞受到端粒的限制，在经历一定次数的分裂后就会死亡。细胞的DNA复制机器无法达到DNA链的最顶端，因此随着每次细胞分裂端粒会逐渐缩短。而干细胞中包含一种端粒酶，能够构建端粒备份，使细胞获得永生。
然而，除了能够永久分裂，干细胞还必须即具备多能性，能够形成所有的细胞类型。在胚胎发育过程中，机体所有的器官和组织都是分别由三个胚层：内胚层、中胚层和外胚层发育形成。多能细胞能够形成所有三个胚层。只能形成一个胚层的细胞就已经走上了分化的道路，而不再具多能性。
科学家们通常利用将细胞注入小鼠的方法来检测细胞的多能性。一旦进入小鼠体内，多能干细胞会形成畸胎瘤（包含三个胚层的细胞团）。Thomson的细胞通过了检测。他们发现了生成胚胎干细胞的机制。
科学家们现在获得了大量可无限分裂，并具有多能性的胚胎干细胞。他们知道如何分离这些细胞，如何在实验室操作这些细胞，他们知道如何在适当的培养条件下使细胞维持健康。但是为什么他们还不能将胚胎干细胞转变为治疗疾病所需的细胞类型呢？
不幸的是，这并非是件容易的事情。就治疗黄斑变性所需的视网膜细胞来说，研究人员已经确定了哪些分子能够诱导干细胞形成眼睛移植所需的正确细胞类型。然而它们还不知道诱导干细胞转变为我们体内所有220种细胞所需的特殊条件和移植技术。不同的细胞类型需要不同的条件和分子指令。除了受到细胞培养技术的限制，由于并非人人都支持开展胚胎干细胞研究，伦理文化也是科学家们面临的重要障碍。
（生物通：何嫱）
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