莫顯明

(四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療國家重點實驗室干細胞生物學(xué)研究室，四川 成都 610041)

大約在15年前，應(yīng)主編楊志明老師邀請，在《中國修復(fù)重建外科雜志》發(fā)表了“成體干細胞與干細胞疾病”，在文中提出了退行性疾病和增生性疾病可能源于成體干細胞功能障礙，為干細胞疾病。隨著對胚胎發(fā)育探索深入和對干細胞特別是成體干細胞認知深入，對疾病發(fā)病機理理解深入，認識到疾病特別是非營養(yǎng)性和非外因損傷性疾病的發(fā)病基礎(chǔ)均有機體組織器官結(jié)構(gòu)變異。而組織器官結(jié)構(gòu)變異可能是胚胎發(fā)育過程中組織器官結(jié)構(gòu)構(gòu)筑出現(xiàn)變異，也可能是在出生后機體成熟過程中組織器官生長重塑過程出現(xiàn)變異，抑或是在成熟期組織器官維持重塑出現(xiàn)變異，這些變異均可成為疾病的發(fā)病基礎(chǔ)，而這些組織器官的變異基礎(chǔ)均可源于胚胎期的母細胞或成體干細胞變異。本文將梗概探討疾病的干細胞基礎(chǔ)相關(guān)問題，不涉及細胞和分子表型及機制。

1 干細胞概述

正常生命個體在生長發(fā)育、成熟過程中組織器官內(nèi)均存在原始細胞，這類細胞在胚胎發(fā)育時期，分化發(fā)育形成各種細胞，構(gòu)建組裝為機體內(nèi)各種組織器官[1]。在胚胎期發(fā)育成熟個體出生后，繼續(xù)發(fā)育到成熟期個體，在這一過程中，位于各組織器官中的具有多種分化潛能的原始細胞，分化形成各類功能細胞，除補充維持在生長過程中由各種因素導(dǎo)致耗損的組織細胞外，增大組織器官體積，使組織器官到達個體成熟后的體積與大小。在個體成熟后，組織器官內(nèi)多種分化潛能的原始細胞分化形成各類功能細胞維持各種因素導(dǎo)致耗損的組織細胞及個體適應(yīng)性構(gòu)筑所需的組織細胞，維持個體的穩(wěn)態(tài)[2]。這些在生命個體中具有多種分化潛能的原始細胞即為干細胞，干細胞的根本性特征為多向分化能力與自我更新能力[3]。在機體生命周期內(nèi)目前確定有兩類干細胞。一類是胚胎干細胞，是早期胚胎發(fā)育過程中存在的干細胞，具有形成生命個體并能傳代的細胞。一類是組織干細胞或稱為成體干細胞，這類細胞位于各組織器官中，分化形成各類特定組織細胞，構(gòu)筑和維持特定組織器官結(jié)構(gòu)與功能[4-5]。

干細胞與其他具有分化能力的細胞比較，其根本特性為自我更新能力[3]。在細胞進行分裂的時候，形成與分裂前細胞一致的兩個完全一樣的細胞，這種分裂方式即為自我更新。鑒定干細胞自我更新能力的手段是動物體內(nèi)實驗測定。胚胎干細胞的測定是在動物體內(nèi)能夠發(fā)育形成完全的胚胎，并能形成胚胎內(nèi)的生殖細胞，在胚胎發(fā)育成熟后，胚胎干細胞來源的個體具有生殖能力，能夠傳代。成體干細胞需要進行二次動物體內(nèi)移植實驗證明其自我更新的能力。第一次移植后測試的細胞能夠在動物體內(nèi)分化形成相應(yīng)的組織器官，然后分離出具有測試細胞性質(zhì)的細胞，進行第二次動物體內(nèi)移植，測試細胞能夠再次分化形成相應(yīng)的組織器官，證明成體干細胞的自我更新能力[3]。由于人體研究的倫理，不能應(yīng)用人體實驗證明人體干細胞的自我更新能力，通?？梢酝ㄟ^體外單細胞分析實驗以及免疫缺陷性動物體內(nèi)連續(xù)移植實驗證明人體干細胞的自我更新能力。

2 成體組織干細胞

在發(fā)育完成的組織器官中理論上均存在成體干細胞。在生長期的個體，成體干細胞是組織器官體積增大及適應(yīng)性重塑的來源細胞[1]。成體干細胞經(jīng)過一系列分化過程，最終形成具有功能的成熟細胞，構(gòu)建組織器官。在發(fā)育成熟的個體中，成體干細胞是維持組織器官穩(wěn)態(tài)的細胞，是組織器官損傷、耗損以及適應(yīng)改構(gòu)的來源細胞。在組織器官內(nèi)，成體干細胞分化與自我更新保持平衡，才能夠維持組織器官的穩(wěn)態(tài)與功能[1]。當(dāng)成體干細胞老化，導(dǎo)致其分化與自我更新的能力下降，不能維持組織器官的穩(wěn)態(tài)與功能，組織器官功能衰退，導(dǎo)致組織器官老化，進而導(dǎo)致個體老化。

2.1 骨髓干細胞

1908年俄國組織學(xué)家Alexander Maksimov通過分析骨髓細胞，提出了“干細胞”的概念，他認為在血細胞中有一種類似淋巴細胞的細胞具有形成多種血細胞的能力，這種細胞就是干細胞。1924年他從骨髓間充質(zhì)中分離到一種能夠分化為多種細胞的“前體細胞”，該細胞后來被證實為骨髓間充質(zhì)干細胞?？茖W(xué)家們對血細胞來源的干細胞認識來源于放射線照射的人體和動物。人體經(jīng)過大劑量放射線照射后，導(dǎo)致造血衰竭。在經(jīng)過放射線照射的動物體內(nèi)移植骨髓細胞，可在受體動物脾臟內(nèi)形成包含有紅系、髓系、淋巴系及多核巨細胞的集落，顯示骨髓內(nèi)有形成各種血細胞的細胞。后經(jīng)過一系列的研究證明骨髓內(nèi)有造血干細胞，并建立了干細胞測試體系[6]。在個體發(fā)育過程中，胚胎AGM區(qū)的生血內(nèi)皮細胞[7]，分化形成造血干細胞，在人體中先遷移到肝臟，后遷移到骨髓，成為終身維護機體血細胞的細胞。造血干細胞在骨髓內(nèi)自我更新維持造血干細胞數(shù)量，分化形成所有的血細胞包括淋巴細胞、髓系細胞、紅細胞及巨核細胞及其子代血小板，隨著年齡的增加，造血干細胞自我更新能力下降，分化能力下降，分化譜系發(fā)生改變，導(dǎo)致造血系統(tǒng)老化。最終，造血系統(tǒng)不能維持正常功能而衰竭。

2.2 皮膚干細胞

皮膚干細胞是目前研究較為充分的干細胞?，F(xiàn)已知皮膚的干細胞包括了能夠形成毛發(fā)和表皮的干細胞、能夠形成毛發(fā)的毛囊干細胞以及形成表皮的表皮干細胞三種干細胞。經(jīng)過實驗證實表皮干細胞位于皮膚毛囊與表皮間的漏斗部[8]；毛囊干細胞位于毛囊的穹隆部；具有形成毛發(fā)和表皮能力的干細胞位置目前還沒有完全清晰，有實驗顯示該類干細胞位于穹隆部和漏斗部交界處。目前還沒有證據(jù)證明這三種皮膚干細胞間的關(guān)系。皮膚干細胞是維持皮膚結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵細胞，毛囊干細胞功能不全或有障礙時，毛發(fā)形成不全或不能形成毛發(fā)。在毛發(fā)移植時，如果不能移植毛囊干細胞，則毛發(fā)生長脫落后，就不能再生。如表皮干細胞的功能不能被維持，則表皮結(jié)構(gòu)不能維持，出現(xiàn)缺損。

2.3 腸道干細胞

在1960年代，通過對腸道上皮細胞更新的研究，顯示腸道上皮存在一類細胞，具有更新腸道各種上皮細胞的能力，即存在腸道上皮干細胞[9]。通過轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)標(biāo)記和特異性的基因敲入與敲出證實，在腸道腸道絨毛隱窩部有Lgr5陽性的細胞[10-11]，具有分化為所有腸道上皮細胞的能力，包括分泌性細胞、吸收細胞、潘氏細胞等，并具有自我更新的能力，為腸道干細胞，表達Bmi1等特異性蛋白。當(dāng)個體老化后，腸道干細胞同樣老化，不能很好的補充腸道上皮細胞的耗損，出現(xiàn)腸道功能的紊亂。

理論上，機體內(nèi)各種組織器官均有成體干細胞，以維持組織器官功能與結(jié)構(gòu)所需細胞的日常耗損、損傷修復(fù)和結(jié)構(gòu)功能重塑[2]。目前已鑒定出的組織器官內(nèi)成體干細胞有造血干細胞、骨骼肌干細胞、神經(jīng)干細胞及肺上皮干細胞等。過去有多種心肌干細胞被報道，然而這些鑒定出的心肌干細胞要么不能被重復(fù)，要么發(fā)現(xiàn)研究結(jié)果造假，到目前還沒有確切的心肌干細胞被發(fā)現(xiàn)。心臟是機體內(nèi)最繁忙的器官，在運行過程中發(fā)生耗損、損傷和結(jié)構(gòu)功能變化等，需要功能細胞快速的補充、修復(fù)和結(jié)構(gòu)功能重塑，以維持心臟功能的穩(wěn)定和機體的穩(wěn)定，需要心肌干細胞參與這些過程，因此，心肌干細胞亟待認真鑒定并獲得充分研究的。

2.4 成體干細胞的特性

成體干細胞在機體內(nèi)是會老化。目前研究顯示，老人的骨髓內(nèi)造血干細胞分化能力、自我更新能力下降，分化譜系改變，淋巴細胞形成能力下降，髓性細胞生成增多，紅細胞形成減少，嚴重時形成重度貧血。神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)神經(jīng)干細胞老化，導(dǎo)致神經(jīng)細胞的再生能力下降，神經(jīng)功能下降，不能維持正常的神經(jīng)功能等。成體干細胞的老化，可能與干細胞本身的自我更新的次數(shù)有關(guān)。成體干細胞老化后，對應(yīng)組織器官功能與結(jié)構(gòu)細胞的日常耗損、損傷修復(fù)和結(jié)構(gòu)功能重塑能力下降或缺失，導(dǎo)致相應(yīng)組織器官衰竭。目前對成體干細胞老化機制認識甚少。

3 組織器官構(gòu)筑變異導(dǎo)致非營養(yǎng)障礙和非外因損傷性疾病

3.1 組織器官構(gòu)筑變異與心血管疾病的關(guān)系

動脈粥樣硬化癥波及大血管，導(dǎo)致受累器官出現(xiàn)缺血性病變，是目前最主要發(fā)病與死亡的疾病。動脈粥樣硬化癥經(jīng)典病理描述已經(jīng)有上百年歷史，對于該病變的發(fā)病機制的認識近期才有所進展。動脈粥樣硬化癥發(fā)病起始現(xiàn)在已經(jīng)明確是由于動脈血管內(nèi)皮細胞功能與結(jié)構(gòu)變異而引起的[12]。動脈血管內(nèi)皮細胞是高度可變的，在受到血液壓力、高脂、氧化脂蛋白、細菌、病毒、炎性因子等各種系統(tǒng)性和局部性刺激可導(dǎo)致血管內(nèi)皮細胞損傷，改變內(nèi)皮細胞的結(jié)構(gòu)與構(gòu)筑方式。當(dāng)血管內(nèi)皮細胞受到刺激損傷后，來自血管壁和血液的干細胞分化形成功能性的內(nèi)皮細胞，修復(fù)替代功能和結(jié)構(gòu)變異的內(nèi)皮細胞，維持血管壁內(nèi)皮層的完整性，保障血管的結(jié)構(gòu)和功能的完整性，以適應(yīng)環(huán)境的變化。在受到刺激損傷后，血管內(nèi)皮細胞修復(fù)功能障礙，不能維持保障血管的結(jié)構(gòu)和功能的完整性，來自血液的物質(zhì)如脂蛋白等進入到血管壁，誘導(dǎo)一系列的炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致泡沫細胞形成、血管平滑肌增生等病理改變，繼而進一步發(fā)展為粥樣斑塊，誘導(dǎo)一系列的繼發(fā)病變?nèi)缪ㄐ纬傻?，?dǎo)致相應(yīng)組織器官出現(xiàn)缺血性病變[13]。

3.2 組織器官構(gòu)筑變異與腫瘤的關(guān)系

腫瘤包括白血病是由腫瘤細胞和支持組織構(gòu)筑而成，白血病的腫瘤組織位于其發(fā)生部位骨髓。腫瘤組織內(nèi)含有與成體干細胞性質(zhì)一致的腫瘤細胞[14]，該類細胞在動物模型中能夠形成與來源腫瘤高度一致或相似的腫瘤組織并具有自我更新的能力。分離的胃癌、結(jié)直腸癌、肝癌和肺癌的腫瘤干細胞在動物模型中可以形成血管和神經(jīng)等關(guān)鍵的支持組織，顯示腫瘤細胞可能形成其本身所需的支持組織[15]。雖然在動物體內(nèi)獲得人腫瘤細胞能夠形成支持組織不能排除是由于腫瘤細胞適應(yīng)性所致，這一結(jié)果提示腫瘤細胞具有潛在能力形成腫瘤細胞外的其他組織細胞，構(gòu)成腫瘤組織，維持腫瘤的生長。上述結(jié)果也顯示目前對腫瘤發(fā)生和增長的認知可能與人體內(nèi)腫瘤發(fā)生與生長有明顯的差距，需要更多的探索。從成體干細胞維持組織器官的穩(wěn)定性方面入手，可能更好的尋求腫瘤發(fā)生與生長的內(nèi)在驅(qū)動力；也有可能腫瘤本身就是組織器官構(gòu)筑變異形成的。

3.3 組織器官構(gòu)筑變異與精神疾病的關(guān)系

目前認為精神障礙類疾病如精神分裂癥、抑郁、心境障礙等由神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性變異導(dǎo)致的[16]。由中腦腹側(cè)被蓋區(qū)的多巴胺能神經(jīng)元投射到腹側(cè)紋狀體部的伏隔核構(gòu)成的獎賞回路結(jié)構(gòu)構(gòu)筑變異可能導(dǎo)致心境障礙。精神分裂癥涉及到大腦神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)變異；神經(jīng)元的突起-軸突與樹突形成變異、突觸連接變異、神經(jīng)元間回路變異、神經(jīng)元分化形成變異、膠質(zhì)細胞形成變異、神經(jīng)髓鞘變異、小膠質(zhì)細胞變異等導(dǎo)致神經(jīng)連接回路變異可導(dǎo)致精神分裂癥。中樞神經(jīng)內(nèi)的局部炎癥可導(dǎo)致精神障礙類疾病。這些神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)與功能變異包括大腦局部炎癥反應(yīng)，可由神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)育過程和成體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)維持中出現(xiàn)變異導(dǎo)致。如大腦內(nèi)如果血腦屏障的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑變異，可導(dǎo)致炎性細胞進入到大腦組織內(nèi)，導(dǎo)致無感染性炎性反應(yīng)；神經(jīng)細胞分化功能改變，可導(dǎo)致其子代細胞比例發(fā)生改變，導(dǎo)致神經(jīng)元與小膠質(zhì)細胞比例發(fā)生改變，誘導(dǎo)大腦局部炎癥等。因此，認識精神障礙類疾病需要認識神經(jīng)組織的構(gòu)筑，尋找疾病的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，才能更好的認識這類疾病。

3.4 組織器官構(gòu)筑變異與其他疾病的關(guān)系

非營養(yǎng)性不良與非外因損傷性的其他疾病如老年性不明原因貧血、老年性糖尿病、甲亢、骨質(zhì)增生、老年癡呆癥、糖尿病、自身免疫性疾病以及各類罕見病等均可能由組織器官結(jié)構(gòu)變異引起。感染性疾病如病毒感染疾病的發(fā)生與發(fā)展依賴機體免疫反應(yīng)與組織器官反應(yīng)與維持。乙型肝炎導(dǎo)致肝臟病變的基礎(chǔ)除機體對病毒的免疫反應(yīng)外，肝臟的構(gòu)筑變異是主要病理改變基礎(chǔ)。2019-nCoV導(dǎo)致的肺部病變除病毒性炎癥反應(yīng)外，II型肺泡細胞功能變異可能是關(guān)鍵的病理變異基礎(chǔ)。

透過疾病的病理基礎(chǔ)，認為非營養(yǎng)性與非外因損傷性疾病的發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)是組織器官構(gòu)筑變異。在胚胎發(fā)育過程中，由于胚胎期前體細胞變異，可導(dǎo)致組織器官構(gòu)筑變異，形成先天性疾病或機體成熟后的相應(yīng)疾病如血管瘤等。在個體出生后，由于成體干細胞功能變異，不能維持和重塑體積、功能細胞數(shù)量與結(jié)構(gòu)性細胞的數(shù)量，以維持與機體狀態(tài)一致的組織器官構(gòu)筑，可導(dǎo)致各類關(guān)聯(lián)性疾病包括腫瘤。由于這些組織器官構(gòu)筑變異的基礎(chǔ)是源于胚胎期的前體細胞與出生后的成體干細胞功能變異，可以將這類疾病歸為干細胞疾病[3]。胚胎期特異胚胎細胞分化發(fā)育構(gòu)筑特定功能組織器官時出現(xiàn)變異；在成熟過程中，由組織器官內(nèi)的成體干細胞分化及重塑發(fā)育為成熟組織器官出現(xiàn)變異，形成發(fā)育性疾病；成體內(nèi)成體干細胞分化及重塑維持特定功能的組織器官發(fā)生變異；在成年個體內(nèi)成體干細胞分化及重塑并維持正常組織器官內(nèi)細胞數(shù)量和功能，當(dāng)成體干細胞自我更新減弱與分化能力減弱，可導(dǎo)致功能細胞的形成減少，不能滿足組織器官功能的需要，導(dǎo)致相應(yīng)組織器官的功能衰竭均導(dǎo)致非營養(yǎng)不良和非外因性損傷性疾病。當(dāng)成體干細胞的自我更新能力增強，和/或分化障礙時，細胞增殖能力變強，引起增生性疾病[3]；當(dāng)成體干細胞的自我更新減弱，提前老化，或分化不全時，可導(dǎo)致功能細胞的形成減少，不能滿足組織器官功能的需要，導(dǎo)致相應(yīng)器官的功能衰竭，形成退行性疾病[3]。要認知干細胞疾病，需要更好的認識胚胎期組織器官構(gòu)筑過程與機制；需要建立分離成體干細胞的技術(shù)體系，獲得足夠的與機體內(nèi)特性與功能一致的成體干細胞，充分探索成體干細胞的形成、分布、維持與老化機制，探索個體的成熟過程與機制、成熟個體維持與重塑過程與機制，認識成熟個體老化過程與機制，才能尋找到控制干細胞疾病的方案。