成年组织干细胞到底怎么了
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▲自2002年4月始，《Nature》与《Science》上连续刊发了一系列针对成年组织干细胞“可塑性”理论的质疑性文章，其中心问题是：自然界真的存在成年组织干细胞的“可塑性”吗？
▲骨髓细胞在体内不能“横向分化”为神经细胞的最新证据▲成年造血干细胞发育“可塑性”证据不足的最新研究结果
二十世纪九十年代中期有学者报道某些成年组织干细胞可分化成为在发育上无关的其他系列的细胞类型，亦即成年组织干细胞具有“可塑性”(plasticity)、“横向分化”抑或“跨系分化”(transdifferentiation)潜能。此后有关各种成年组织干细胞“可塑性”研究的报道在《Nature》、《Science》及《Cell》上频频出现，尤其在1998～2001年期间，这种报道达到了高潮。
这一惊人发现不仅引起整个生命科学界的极大震动，而且还引起了世界各国政府与经济界的巨大关注，乃至于普通公众也对此产生了浓厚的兴趣与厚望。因为从发育生物学的角度讲，只有ES细胞才能产生不同胚层的各类细胞，而成年组织干细胞在其进化潜能上有更多的局限性，即成年组织干细胞只能向其所在胚层的某些或某类细胞进行分化或转分化，而不能跨胚层或跨系分化。当然，此种理念也正受到以“Dolly”克隆羊为代表的核移植技术等细胞发育再程序化(reprogramme)的巨大挑战。不过应该强调的是，无论是在正常发育进化状况下，还是在病理生理状况中，机体内都不会自然地发生“Dolly”样事件，这种事件也只有在人为的条件下才会发生。然而，自2002年4月始在《Nature》与《Sci-ence》上连续刊发了一系列针对成年组织干细胞“可塑性”这一理论的最新质疑性研究，其中心问题就是：自然界真的存在成年组织干细胞的“可塑性”？ 成年组织干细胞“可塑性”是实验设计不严谨的失误所为？主观判断错误所致？成年组织干细胞的“可塑性”与全能干细胞或胚胎干细胞又有何种关联？结论是：所谓的成年组织干细胞的“可塑性”缺乏科学依据，成年组织干细胞的“横向分化”是成年组织中余存的胚胎原始干细胞所为，或与自发融合相关。
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实质上，对于成年组织干细胞“可塑性”的质疑早在2000年就已有学者提出。如在2000年美国血液学年会闭幕式上有三个特邀报告全都是这方面的，2000年12月28日的《Nature》上就有“是万能药还是潘朵拉盒？”质疑“可塑性”的理论。限于当时人们对于“可塑性”发现的巨大热情，没有人注意这一非主流性的异议和发现。
一、成年组织干细胞与ES细胞自发融合导致“可塑性”的发现首当其冲的是，2002年4月美国遗传学家Gage和Wurmser在《Nature》上以《干细胞：融合引起的混乱》为题对当前举世关注的干细胞“可塑性”问题的评述。起因是同期《Nature》上刊发的英国和美国两组科学家共同的惊人发现。如英国爱丁堡与牛津大学的Ying等人以《自发融合改变的潜能》为题发表了他们质疑成年组织干细胞“可塑性”的最新研究成果，美国佛罗里达大学医学院的Tzerada等人则以《骨髓细胞通过自发细胞融合表达其他细胞的表型》报告了他们有关骨髓造血细胞“可塑性”存有误判的研究结果。他们的结果共同表明，ES细胞在体外与神经或造血干细胞共同培养时，能自发地发生神经或造血干细胞与ES细胞之间的融合，诱导神经干细胞或造血干细胞进行“横向分化”为胚胎样干细胞，然后展现出ES细胞的表型特征与相应功能，由此使所谓的成年组织干细胞具有了“可塑性”潜能。
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二、成年组织中余存一定数量胚胎样原始干细胞的实验依据2002年6月，《Nature》刊发了美国明尼苏达大学Verfaillie教授小组题为《源自成年骨髓的基质干细胞所具有的全能性》的研究结果，他们证实在成年许多组织中余存着一种稀有数量的胚胎样原始干细胞，表达ES细胞的遗传标志如Oct-4、Rex-1以及SSEA-1，体外培养条件也基本类似于ES细胞，曾被命名为多能性成年干细胞(multipotentialadultprogenitorcells，MAPCs)，或多能成年祖细胞，也有称之为成年源干细胞(adultderivedstemcell，ADSC)，或旁群细胞(sidepopulationcell，SPC)以及肌源性干细胞(musclederivedstemcell，MDSC)。单一水平的MAPCs在细胞因子的体外诱导下可以分化为内、中、外各胚层各种组织定向干细胞。由于缺乏特异性形态、表面标志和分化抗原，所以至今还不能高度纯化分离MAPCs。况且这类细胞都处于静止状态，很难实现克隆化。因此，在各种成年组织细胞的体外培养中，必然混杂有MAPCs。所谓的成年组织
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干细胞″可塑性″很可能是这些细胞所为。
三、骨髓细胞在体内不能“横向分化”为神经细胞的最新证据2002年8月23日《Science》发表了美国贝尔医学院Shine等人题为《骨髓细胞在体内不能横向分化为神经细胞》的研究报告。他们以B6小鼠为移植受体，以构成性表达LacZ标志的Rosa26小鼠为供体，移植其骨髓SP细胞后，虽然受体鼠外周血中80%～95%的白细胞表达LacZ，但其中枢神经系统所有部位(包含嗅觉球及颈髓)均未检测到LacZ基因，即便是在施加脑皮质刺伤后亦是如此。因此，Shine等认为成年骨髓SP细胞或源自SP细胞的子代细胞，在他们的实验条件下是不能发生“横向分化”的。此外，Shine等还证实，移植未经分离的骨髓细胞也不能发生“横向分化”为神经细胞。因此，Shine等认为“骨髓变脑”的“横向分化”可能不是一个共性，而是取决于或者有赖于研究者为了验证某种假设所采用的实验系统。
四、成年造血干细胞发育“可塑性”证据不足的最新研究结果紧随其后，《Science》在9月5日又刊发了当今国际干细胞基础研究领域最具权威的专家、美国斯坦福大学医学院Weissman教授领衔的题为《成年造血干细胞发育可塑性证据不足》的研究报告。为了严谨地证明骨髓HSC在体内的分化命运，他们采用了移植单一一个标志基因的GFP+C-kit+Thy1.1loLin-Sca-1+骨髓HSC的策略，结果表明绝大数非造血组织系统如脑、肾、肠、肝及肌肉中并未发现GFP+非造血细胞，无明确的“横向分化”现象。而单一移植的HSC-GFP+在肝脏细胞中则发现了极低概率的转分化现象，这些细胞在肝细胞中被鉴定出的频率为1/70000。
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GFP+肝细胞始终是以个体或孤立的方式存在，远不像先前所报道的那样形成明显结节状的GFP+肝细胞。为了深入调查这种“可塑性”的可能性，他们又采用GFP+：GFP-间生态鼠模型加以验证显示，尽管有高水平的造血交叉植入，但仍未发现交叉植入的非造血细胞。从而进一步支持单一细胞移植小鼠的实验结果。由此Weissman等认为，无论是骨髓或外周血HSC及其子代细胞的“横向分化”即便发生的话也是极为罕见的事件。因此，HSC向非造血细胞的“横向分化”并非HSC发育程序中的原由共性。
五、国际干细胞研究权威人士对成年组织“可塑性”的评价
9月6日，《Nature》杂志以Weissman教授等人的最新研究为契机，在其《News》专栏以《干细胞遭到重创——阴性结果对干细胞治疗提出了真实的质疑》为标题，专访了包括Weissman教授在内的几位国际干细胞基础研究领域的著名学者，阐明他们对当今“可塑性”研究的观点。Weissman教授指出：“在临床医生实施干细胞相关的治疗前，所有的干细胞实验均需要重复验证。因为人类对于干细胞研究缺乏坚实的科学基础。”
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鉴于目前有些干细胞治疗实验正在临床上实施，Weissman教授说：“我担忧非干细胞专家正在承认并在实施干细胞治疗。为此，对于那些未从事过干细胞研究单位的科研人员的实验要格外仔细慎重。”英国伦敦癌症研究所的Enver教授则认为：“目前出现成年组织干细胞‘可塑性’研究的狂热与不理智，和各学术期刊有着密不可分的责任。因为自首次报道成年组织干细胞‘可塑性’的研究结果后，各大杂志渴求地发表这些热门的论文，在这种内外燥热的环境下，科技人员失去了科学家本该有的科学性、严谨性。”哈佛大学医学院国际著名干细胞生物学家Orkin教授则认为：虽然任何不同实验室所做的研究结果很难加以对比，但是“‘横向分化’的确被过度夸大渲染了”，“对成年组织干细胞‘可塑性’的否定结果并不意味着干细胞疗法的终结，这只是对它提出更为严谨科学的查实”，“骨髓或其他成年组织中可能存在着具有多潜能性的细胞，由于含量极其稀少很难加以纯化分离并用于临床治疗。”更应注意的是，“在体外培养过程中，培养细胞转化成癌细胞的可能性极大，或使其带有其他难以名状的特性。”Orkin教授最后强调：“目前干细胞研究领域中需要的是更为严谨、科学的实验标准，更要冷静反思，做设计周密、严谨科学的实验，而不是华而不实、昙花一现的东西。”
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六、我们应引以为戒的经验与教训
面对生命科学领域中如此重大而又截然相反的研究结果与结论，我国无论是从事该研究的科技工作者，还是从事国家科技政策方向性工作的管理者都应本着科学、严谨、求实的学风，沉下心来，冷静思维，审慎应对有关成年组织干细胞“可塑性”的“热”与“冷”，且不可急功近利，更不要大兴炒作之风。就干细胞而言，时至今日，无论是胚胎干细胞或是成年组织干细胞，人类对于它们的认知还仅是初步的，远远未达到穷尽的程度。我们所面临的细胞基础性研究的内容，实在是太复杂了，道路还很遥远。正如著名发育生物学家Zon在2000年12月28日《Nature》中所言：“对于干细胞科学，我们还处在黑暗的年代(theDarkAges)。”从应用研究方面来看，实事求是地说，在不远的将来，10年也好，50年也罢，乃至于更漫长的时期内，试图仅采用干细胞(无论是胚胎干细胞还是组织干细胞)通过在体外的诱导培养，就能获得人们所期望的人体各种实质器官，如心、肝、脾、肺等，都是不真实的。即便是一些所谓简单的脏器，如膀胱、大肠、小肠等，以及相应的多种组织，如皮肤、肌肉等也绝非现实。最新一期的《Science》上刊发了瑞典政府、科技界等强烈质疑高强度资助干细胞研究的评论，值得我们一读和借鉴。
作者 奚永志：军事医学科学院附属医院免疫学研究室及国家生物医学分析中心免疫学研究室主任、研究员、教授、博士后导师
吴祖泽：军事医学科学院放射医学研究所实验血液学研究室及全军实验血液学重点实验室, 百拇医药
▲自2002年4月始，《Nature》与《Science》上连续刊发了一系列针对成年组织干细胞“可塑性”理论的质疑性文章，其中心问题是：自然界真的存在成年组织干细胞的“可塑性”吗？
▲骨髓细胞在体内不能“横向分化”为神经细胞的最新证据▲成年造血干细胞发育“可塑性”证据不足的最新研究结果
二十世纪九十年代中期有学者报道某些成年组织干细胞可分化成为在发育上无关的其他系列的细胞类型，亦即成年组织干细胞具有“可塑性”(plasticity)、“横向分化”抑或“跨系分化”(transdifferentiation)潜能。此后有关各种成年组织干细胞“可塑性”研究的报道在《Nature》、《Science》及《Cell》上频频出现，尤其在1998～2001年期间，这种报道达到了高潮。
这一惊人发现不仅引起整个生命科学界的极大震动，而且还引起了世界各国政府与经济界的巨大关注，乃至于普通公众也对此产生了浓厚的兴趣与厚望。因为从发育生物学的角度讲，只有ES细胞才能产生不同胚层的各类细胞，而成年组织干细胞在其进化潜能上有更多的局限性，即成年组织干细胞只能向其所在胚层的某些或某类细胞进行分化或转分化，而不能跨胚层或跨系分化。当然，此种理念也正受到以“Dolly”克隆羊为代表的核移植技术等细胞发育再程序化(reprogramme)的巨大挑战。不过应该强调的是，无论是在正常发育进化状况下，还是在病理生理状况中，机体内都不会自然地发生“Dolly”样事件，这种事件也只有在人为的条件下才会发生。然而，自2002年4月始在《Nature》与《Sci-ence》上连续刊发了一系列针对成年组织干细胞“可塑性”这一理论的最新质疑性研究，其中心问题就是：自然界真的存在成年组织干细胞的“可塑性”？ 成年组织干细胞“可塑性”是实验设计不严谨的失误所为？主观判断错误所致？成年组织干细胞的“可塑性”与全能干细胞或胚胎干细胞又有何种关联？结论是：所谓的成年组织干细胞的“可塑性”缺乏科学依据，成年组织干细胞的“横向分化”是成年组织中余存的胚胎原始干细胞所为，或与自发融合相关。
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实质上，对于成年组织干细胞“可塑性”的质疑早在2000年就已有学者提出。如在2000年美国血液学年会闭幕式上有三个特邀报告全都是这方面的，2000年12月28日的《Nature》上就有“是万能药还是潘朵拉盒？”质疑“可塑性”的理论。限于当时人们对于“可塑性”发现的巨大热情，没有人注意这一非主流性的异议和发现。
一、成年组织干细胞与ES细胞自发融合导致“可塑性”的发现首当其冲的是，2002年4月美国遗传学家Gage和Wurmser在《Nature》上以《干细胞：融合引起的混乱》为题对当前举世关注的干细胞“可塑性”问题的评述。起因是同期《Nature》上刊发的英国和美国两组科学家共同的惊人发现。如英国爱丁堡与牛津大学的Ying等人以《自发融合改变的潜能》为题发表了他们质疑成年组织干细胞“可塑性”的最新研究成果，美国佛罗里达大学医学院的Tzerada等人则以《骨髓细胞通过自发细胞融合表达其他细胞的表型》报告了他们有关骨髓造血细胞“可塑性”存有误判的研究结果。他们的结果共同表明，ES细胞在体外与神经或造血干细胞共同培养时，能自发地发生神经或造血干细胞与ES细胞之间的融合，诱导神经干细胞或造血干细胞进行“横向分化”为胚胎样干细胞，然后展现出ES细胞的表型特征与相应功能，由此使所谓的成年组织干细胞具有了“可塑性”潜能。
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二、成年组织中余存一定数量胚胎样原始干细胞的实验依据2002年6月，《Nature》刊发了美国明尼苏达大学Verfaillie教授小组题为《源自成年骨髓的基质干细胞所具有的全能性》的研究结果，他们证实在成年许多组织中余存着一种稀有数量的胚胎样原始干细胞，表达ES细胞的遗传标志如Oct-4、Rex-1以及SSEA-1，体外培养条件也基本类似于ES细胞，曾被命名为多能性成年干细胞(multipotentialadultprogenitorcells，MAPCs)，或多能成年祖细胞，也有称之为成年源干细胞(adultderivedstemcell，ADSC)，或旁群细胞(sidepopulationcell，SPC)以及肌源性干细胞(musclederivedstemcell，MDSC)。单一水平的MAPCs在细胞因子的体外诱导下可以分化为内、中、外各胚层各种组织定向干细胞。由于缺乏特异性形态、表面标志和分化抗原，所以至今还不能高度纯化分离MAPCs。况且这类细胞都处于静止状态，很难实现克隆化。因此，在各种成年组织细胞的体外培养中，必然混杂有MAPCs。所谓的成年组织
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干细胞″可塑性″很可能是这些细胞所为。
三、骨髓细胞在体内不能“横向分化”为神经细胞的最新证据2002年8月23日《Science》发表了美国贝尔医学院Shine等人题为《骨髓细胞在体内不能横向分化为神经细胞》的研究报告。他们以B6小鼠为移植受体，以构成性表达LacZ标志的Rosa26小鼠为供体，移植其骨髓SP细胞后，虽然受体鼠外周血中80%～95%的白细胞表达LacZ，但其中枢神经系统所有部位(包含嗅觉球及颈髓)均未检测到LacZ基因，即便是在施加脑皮质刺伤后亦是如此。因此，Shine等认为成年骨髓SP细胞或源自SP细胞的子代细胞，在他们的实验条件下是不能发生“横向分化”的。此外，Shine等还证实，移植未经分离的骨髓细胞也不能发生“横向分化”为神经细胞。因此，Shine等认为“骨髓变脑”的“横向分化”可能不是一个共性，而是取决于或者有赖于研究者为了验证某种假设所采用的实验系统。
四、成年造血干细胞发育“可塑性”证据不足的最新研究结果紧随其后，《Science》在9月5日又刊发了当今国际干细胞基础研究领域最具权威的专家、美国斯坦福大学医学院Weissman教授领衔的题为《成年造血干细胞发育可塑性证据不足》的研究报告。为了严谨地证明骨髓HSC在体内的分化命运，他们采用了移植单一一个标志基因的GFP+C-kit+Thy1.1loLin-Sca-1+骨髓HSC的策略，结果表明绝大数非造血组织系统如脑、肾、肠、肝及肌肉中并未发现GFP+非造血细胞，无明确的“横向分化”现象。而单一移植的HSC-GFP+在肝脏细胞中则发现了极低概率的转分化现象，这些细胞在肝细胞中被鉴定出的频率为1/70000。
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GFP+肝细胞始终是以个体或孤立的方式存在，远不像先前所报道的那样形成明显结节状的GFP+肝细胞。为了深入调查这种“可塑性”的可能性，他们又采用GFP+：GFP-间生态鼠模型加以验证显示，尽管有高水平的造血交叉植入，但仍未发现交叉植入的非造血细胞。从而进一步支持单一细胞移植小鼠的实验结果。由此Weissman等认为，无论是骨髓或外周血HSC及其子代细胞的“横向分化”即便发生的话也是极为罕见的事件。因此，HSC向非造血细胞的“横向分化”并非HSC发育程序中的原由共性。
五、国际干细胞研究权威人士对成年组织“可塑性”的评价
9月6日，《Nature》杂志以Weissman教授等人的最新研究为契机，在其《News》专栏以《干细胞遭到重创——阴性结果对干细胞治疗提出了真实的质疑》为标题，专访了包括Weissman教授在内的几位国际干细胞基础研究领域的著名学者，阐明他们对当今“可塑性”研究的观点。Weissman教授指出：“在临床医生实施干细胞相关的治疗前，所有的干细胞实验均需要重复验证。因为人类对于干细胞研究缺乏坚实的科学基础。”
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鉴于目前有些干细胞治疗实验正在临床上实施，Weissman教授说：“我担忧非干细胞专家正在承认并在实施干细胞治疗。为此，对于那些未从事过干细胞研究单位的科研人员的实验要格外仔细慎重。”英国伦敦癌症研究所的Enver教授则认为：“目前出现成年组织干细胞‘可塑性’研究的狂热与不理智，和各学术期刊有着密不可分的责任。因为自首次报道成年组织干细胞‘可塑性’的研究结果后，各大杂志渴求地发表这些热门的论文，在这种内外燥热的环境下，科技人员失去了科学家本该有的科学性、严谨性。”哈佛大学医学院国际著名干细胞生物学家Orkin教授则认为：虽然任何不同实验室所做的研究结果很难加以对比，但是“‘横向分化’的确被过度夸大渲染了”，“对成年组织干细胞‘可塑性’的否定结果并不意味着干细胞疗法的终结，这只是对它提出更为严谨科学的查实”，“骨髓或其他成年组织中可能存在着具有多潜能性的细胞，由于含量极其稀少很难加以纯化分离并用于临床治疗。”更应注意的是，“在体外培养过程中，培养细胞转化成癌细胞的可能性极大，或使其带有其他难以名状的特性。”Orkin教授最后强调：“目前干细胞研究领域中需要的是更为严谨、科学的实验标准，更要冷静反思，做设计周密、严谨科学的实验，而不是华而不实、昙花一现的东西。”
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面对生命科学领域中如此重大而又截然相反的研究结果与结论，我国无论是从事该研究的科技工作者，还是从事国家科技政策方向性工作的管理者都应本着科学、严谨、求实的学风，沉下心来，冷静思维，审慎应对有关成年组织干细胞“可塑性”的“热”与“冷”，且不可急功近利，更不要大兴炒作之风。就干细胞而言，时至今日，无论是胚胎干细胞或是成年组织干细胞，人类对于它们的认知还仅是初步的，远远未达到穷尽的程度。我们所面临的细胞基础性研究的内容，实在是太复杂了，道路还很遥远。正如著名发育生物学家Zon在2000年12月28日《Nature》中所言：“对于干细胞科学，我们还处在黑暗的年代(theDarkAges)。”从应用研究方面来看，实事求是地说，在不远的将来，10年也好，50年也罢，乃至于更漫长的时期内，试图仅采用干细胞(无论是胚胎干细胞还是组织干细胞)通过在体外的诱导培养，就能获得人们所期望的人体各种实质器官，如心、肝、脾、肺等，都是不真实的。即便是一些所谓简单的脏器，如膀胱、大肠、小肠等，以及相应的多种组织，如皮肤、肌肉等也绝非现实。最新一期的《Science》上刊发了瑞典政府、科技界等强烈质疑高强度资助干细胞研究的评论，值得我们一读和借鉴。
作者 奚永志：军事医学科学院附属医院免疫学研究室及国家生物医学分析中心免疫学研究室主任、研究员、教授、博士后导师
吴祖泽：军事医学科学院放射医学研究所实验血液学研究室及全军实验血液学重点实验室, 百拇医药