多能干细胞 – 它们有何特殊之处？

多能干细胞可以分化成体内的任何细胞。这些细胞在胚胎形成初期就出现了。它们尚未分化。这使得它们能够分化成所有类型的人类细胞，例如神经元、血细胞和肌肉细胞。科学家认为多能干细胞非常重要。它们可以永久地自我复制。这为研究和医学带来了许多机会。诱导多能干细胞是一项重大发现。它们有助于疾病建模、药物测试和新疗法。这表明它们对人类的帮助巨大。

多能干细胞

定义

多能干细胞 多能干细胞在胚胎早期就被发现。它们来自囊胚（一个非常年轻的胚胎）的内细胞团。这些细胞尚未发育成任何特殊类型。它们几乎可以发育成体内的任何细胞，例如神经细胞、肌肉细胞或肝细胞。美国国立卫生研究院 (NIH) 表示，多能干细胞 干细胞 能够制造成人体内所有类型的细胞。这包括来自三个主要胚层的细胞：外胚层、中胚层和内胚层。这些胚层有助于形成所有组织和器官。多能干细胞也能制造生殖所需的生殖细胞。科学家称它们为“真干细胞”，因为它们功能强大。

独特功能

多能性 干细胞它们具有与其他细胞不同的特殊特性。首先，它们可以自我更新。这意味着它们可以长时间复制自身而不发生改变。其次，它们可以 经过分化这使得它们能够变成三个胚层中的任何细胞。这些能力使它们在研究和医学上非常有用。

它们的特殊性状源于细胞内的某些分子，包括Oct4、Sox2和Nanog等转录因子。这些分子帮助细胞保持干细胞状态，并控制其何时转变为其他类型。科学家通过测试来判断一个细胞是否真正具有多能性。他们会寻找细胞表面的特殊标记。他们还会在实验室中测试这些细胞是否能够形成所有三个胚层。有时，他们还会检查这些细胞在小鼠体内是否会形成畸胎瘤（一种具有多种组织类型的肿瘤）。这些测试有助于证明多能干细胞的特殊性。

主要特点

自我更新

多能干细胞可以自我复制。它们分裂多次后仍保持不变。这些细胞在分裂后仍保留其特殊功能。许多因素帮助它们保持这种能力。来自细胞外的信号、转录因子和细胞周期调控因子都很重要。microRNA 和保护染色体安全的基因也起着重要作用。DNA 甲基化控制基因的开启或关闭。适当的信号平衡是生存和生长所必需的。Myc 是一个关键的转录因子。组蛋白 H3.3 是一个表观遗传调控因子。两者都有助于控制基因活性。Myc 有助于维持干细胞的功能，并有助于产生诱导多能干细胞。但如果 Myc 不受控制，它就会导致肿瘤。科学家们一直在研究这些因素，以使 干细胞治疗 更安全。

差异化

分化意味着多能干细胞会分化成特殊细胞。它们可以分化成三个胚层中的任何细胞。这使得它们在科学和医学领域非常有用。科学家已经证明人类胚胎干细胞可以分化成所有三个胚层。例如，一些研究利用全基因组表达和 ChIP-seq 技术。这些研究揭示了 NANOG、OCT4 和 SOX2 等转录因子如何引导分化。这些因子控制着 EOMES 等基因。EOMES 启动了内胚层细胞的分化过程。EOMES 与 SMAD2/3 协同作用，启动内胚层细胞的分化网络。

实验室采用不同的步骤来指导分化。他们从优质的多能干细胞开始。他们包被培养板，破碎细胞集落，并使用含有抑制剂的特殊培养基。科学家在细胞开始变化之前和之后对其进行观察。定向分化使用细胞因子、培养基和基质来产生某些细胞类型。纯化步骤，例如按表面标志物分选，有助于获得纯细胞。有些步骤简单易行，适用于神经细胞。其他步骤，例如 心脏或肝细胞更难，需要更多努力。专家们齐心协力，不断改进这些方法。了解分化的原理在干细胞研究中仍然非常重要。

转录因子

转录因子是开启或关闭基因的蛋白质。在多能干细胞中，一些转录因子需要维持其功能。Oct4、Sox2、c-Myc 和 Klf4 可以改变细胞的表观遗传状态。它们将抑制性组蛋白标记替换为活性组蛋白标记。这使得细胞具有多能性。组蛋白去甲基化酶和甲基转移酶等酶有助于这些改变。RNA 干扰筛选发现，Esrrb 和 Tbx3 是自我更新所必需的。如果这些基因被阻断，细胞就会开始发生变化。Nanog 可以阻止这种情况，并使细胞保持未分化状态。其他重要因子是 Nac1 和 Zfp281。它们与 Nanog 协同作用，帮助细胞进行自我更新。

这些转录因子在一个网络中协同工作。它们控制哪些基因活跃，使细胞保持未分化状态，还帮助将普通细胞转化为诱导性多能干细胞。它们的协同作用使干细胞特性保持稳定。

笔记： 科学家使用多种方法来检查细胞是否具有多能性。他们在显微镜下观察细胞的形状和结构。他们使用免疫表型分析和流式细胞术来寻找NANOG、OCT4、SSEA3/4和TRA-1-60/81等标记。qRT-PCR等基因检测可以检查重要基因。基因检测可以寻找稳定的染色体。胚状体形成和定向分化等功能测试可以显示细胞是否可以分化成不同类型的细胞。流式细胞术是寻找多能性标记的有效方法。所有这些检测方法可以全面了解干细胞的质量和安全性。

与其他干细胞的比较

全能性

全能干细胞位于干细胞家族的顶端。这些细胞在卵子和精子结合后立即出现。你可以在受精卵和早期胚泡中找到它们。全能细胞可以制造体内的所有细胞。它们还能制造额外的组织，例如胎盘和卵黄囊。这使得它们与其他干细胞不同。全能细胞和多能细胞都使用重要的转录因子，包括Oct4、Sox2和Nanog。但全能细胞具有特殊的标记，例如Zscan4和Eomes。它们的染色质更开放，这意味着它们的DNA更容易被基因利用。

当全能细胞转变为多能细胞时，它们的基因也会发生变化。在这个转变过程中，一些基因被关闭，而另一些基因被打开。

多能

多能 干细胞可以 只能分化成几种类型的细胞。它们不像多能细胞或全能细胞那样拥有那么多的选择。多能干细胞存在于成年人体内。造血干细胞和神经干细胞是两个主要的例子。造血干细胞负责制造所有血细胞。神经干细胞负责制造大脑和神经中的主要细胞。多能干细胞有助于修复和维持组织健康。

多能干细胞在成年人中最为常见。科学家利用造血干细胞治疗血液疾病。神经干细胞有助于修复神经系统。这些成体干细胞在我们衰老的过程中维持组织正常运作。

单能

单能干细胞只能分化成一种细胞。例如，它们可能只能分化成皮肤细胞或肌肉细胞。这些细胞存在于成体组织中，帮助替换衰老或受损的细胞。单能干细胞无法分化成其他类型的细胞，但它们对于维持组织健康仍然至关重要。多能干细胞可以分化成体内的任何细胞。单能干细胞展示了人体如何利用不同的干细胞完成不同的功能。随着细胞从全能干细胞转变为多能干细胞，再转变为专能干细胞和单能干细胞，它们会失去一些能力。成体干细胞，例如专能干细胞和单能干细胞，会在需要时通过分化成新细胞来帮助组织。

注：科学家研究所有这些类型的干细胞，是为了了解人体如何生长和愈合。每种类型的干细胞在人体和医学领域都有其独特的功能。了解这些差异有助于研究人员为每种治疗方法选择最合适的干细胞。

多能干细胞的类型

胚胎干细胞

胚胎干细胞 胚泡（blastocyst）来自囊胚内部。科学家于1981年首次在小鼠胚胎中发现这些细胞。1998年，他们构建了首个人类胚胎干细胞系。这些细胞几乎可以分化成体内任何细胞。它们是多能性的最佳例证。

研究人员使用不同的方法获取胚胎干细胞：

• 机械解剖使用工具拉出内细胞团。这种方法不使用动物产品，但耗时较长。
• 激光解剖术使用激光切除内层细胞团。这种方法非常精确，但成本很高。
• 免疫手术使用抗体和动物血清去除多余的细胞。这种方法不利于临床治疗，因为它使用动物产品。

获得细胞后，科学家会在饲养层或特殊表面上进行培养。这可以防止细胞发生变异。使用这些细胞有严格的规定。捐赠者必须同意，伦理委员会必须审查研究。法律不允许出售人类卵子或胚胎用于研究。有些州允许人们进行此类研究，但有些州则不允许。委员会负责确保所有规定都得到遵守。

人们就胚胎干细胞争论不休，原因在于胚胎的状况以及对其他选择的需要。一些人担心仅仅为了研究而培育胚胎。另一些人则认为，胚胎干细胞研究有利于医学。

诱导性多能干细胞

诱导性多能干细胞 是通过改变成体细胞而产生的。科学家使用Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4等特殊蛋白质来实现这一点。他们使用不同的方法，例如病毒、蛋白质递送或化学物质。例如，将Lin28-30Kc19蛋白添加到皮肤细胞中，一周内可使多能性克隆数量增加1.5倍。这使得整个过程更加有效。

诱导性多能干细胞或将助力个性化医疗。医生可以利用患者自身的细胞来制造新组织。但这些细胞可能比胚胎干细胞存在更多遗传问题。它们可能保留了原始成体细胞的一些特征。科学家们正在努力使诱导性多能干细胞对患者更安全、更有效。

胚胎生殖细胞

胚胎生殖细胞源自原始生殖细胞。这些细胞早期出现，后来发育成精子或卵子。胚胎生殖细胞与胚胎干细胞非常相似，因为它们具有多能性。但由于其来源，它们具有特殊的表观遗传模式。生殖细胞会擦除许多DNA标记，从而改变其发育方向。

胚胎生殖细胞和胚胎干细胞都可以分化成多种细胞类型。科学家研究这些细胞是为了了解身体的生长方式和疾病。生殖细胞也很重要，因为它们可以将基因传递给下一代。

应用

研究

多能干细胞在研究中被广泛应用。科学家利用它们来研究疾病及其起源。诱导多能干细胞（iPSC）可以分化成多种类型的细胞用于这些研究。这有助于构建模型，展现真实疾病的发生机制。这些模型可以帮助科学家测试新药。研究人员可以研究遗传疾病，例如先天性心脏病。iPSC 拥有与患者相同的基因。这有助于科学家了解疾病的机制。动物模型并不总是像人类一样运作。iPSC 有助于解决这个问题。它们可以大量增殖，因此测试更容易。利用 3D 培养和特殊蛋白质，科学家可以使细胞像真实组织一样运作。这些用途有助于个性化医疗和基因治疗。多能干细胞为新疗法带来了希望。

• iPSC 有助于模拟心律失常和其他遗传问题等疾病。
• 他们让科学家在与人类细胞类似的细胞上测试药物。
• iPSC 用于观察细胞对不同治疗的反应。

药品

多能干细胞很重要 在再生医学领域，它们可以分化成体内任何类型的细胞，从而修复或替换受损组织。医生用它们来修复心脏、眼睛和神经系统。诱导多能干细胞（iPSC）来源于患者，因此身体不会排斥它们。非病毒重编程等新方法使这些细胞更加安全。生物工程工具有助于培养用于移植的组织。生物打印和生物材料可以制造3D组织和类器官。这些新方法有助于修复许多健康问题的组织。

多能干细胞在医学领域可以造福许多人。它们比成体干细胞更能修复组织。这些应用表明干细胞疗法的功效。

风险

多能干细胞也存在一些风险。其中一个很大的风险是畸胎瘤的形成。如果一些细胞没有发生改变，它们在移植后可能会形成肿瘤。即使10,000个未分化的细胞也可能导致肌肉肿瘤。细胞越多，肿瘤就越大。灵敏的检测可以在使用前发现这些细胞。科学家们使用多种方法来降低这些风险：

• 非整合基因转移系统有助于避免有害的基因改变。
• 化学重编程使该过程更加安全。
• 仅使用安全、完全改变的细胞进行移植。
• 必要时自杀基因可以摧毁肿瘤细胞。
• 特殊药物可以去除未分化的细胞。
• 使用化学药品进行预处理可以降低癌症风险。
• 在用于人体之前，先进行动物测试以检查是否存在肿瘤。

这些步骤有助于提高干细胞治疗的安全性，也有助于组织修复和再生。

多能干细胞对科学和医学来说意义非凡。它们几乎可以分化成体内任何细胞。这意味着它们可用于研究疾病、测试新药以及修复受损组织。山中伸弥发现诱导多能干细胞（iPSC）改变了研究领域。科学家们开始探索将这些细胞用于每位患者的方法。他们还希望利用这些细胞培育新的器官。目前的研究重点是修复心脏、肝脏和大脑。一些 临床试验看起来不错 治疗帕金森氏症等疾病。全球越来越多的公司正在研究这些细胞。由于人们看到了许多新用途和新发现的巨大机遇，该市场正在快速增长。

科学家认为，如果研究继续深入，多能干细胞将以新的方式帮助治愈和修复身体。这给许多患有不同疾病的人带来了希望。

常问问题

多能干细胞可以治愈疾病吗？

科学家利用多能干细胞来研究疾病，也尝试新的治疗方法。这些细胞未来或许有助于修复组织。一些早期研究看起来不错，但在大多数治疗方法成熟之前，还需要更多研究。

使用多能干细胞有风险吗？

是的，存在一些风险。如果多能干细胞不能完全分化，就可能形成畸胎瘤。科学家在将这些细胞移植给人体之前，会使用特殊的检测和安全措施来降低这种风险。

科学家如何测试细胞是否具有多能性？

科学家在细胞外部寻找特殊标记。他们还在实验室中检查细胞是否能够形成所有三个胚层。有时，他们还会使用动物来观察细胞是否能够形成多种组织类型。

多能干细胞从哪里来？