干细胞是一类特殊的细胞。它们可以自我更新，并且可以分化成特定类型的功能细胞。根据来源的不同，干细胞一般分为胚胎干细胞( embryonic stem cells，ES)和成体干细胞( adult stem cells)。胚胎干细胞可以分化成体内所有类型的细胞，而成体干细胞可以分化成相应器官的所有类型的细胞，如造血干细胞( hematopoietic stem cells，HSC)可以分化成造血系统所有类型的细胞。因此，可以先将干细胞分化成特定类型的功能细胞(如心肌细胞、胰岛细胞、神经细胞等)，再将这些细胞移植到患者体内，替代损伤的组织，这就是再生医学的基本原理。与传统的药物治疗相比，细胞治疗具有以下优势:药物治疗往往通过干预某些信号通路来发挥作用，而细胞治疗则是用健康的细胞替代损伤的组织，更能从根本上治愈疾病;某些疾病尤其是退行性疾病，传统的药物治疗很难发挥作用，只能依赖于细胞治疗。干细胞研究和再生医学给治疗退行性疾病带来全新的手段和希望，引起各国政府的重视和大众的关注，在全球掀起干细胞研究及应用的热潮。随着全球老龄化的问题日益严重，细胞治疗必将成为未来医学的主流。

干细胞这一概念通常作为祖细胞的同义词应用于胚胎学。随后由于成体组织的更新动力学研究，干细胞这一概念才局限于细胞生物学。人们相信:弥补组织细胞的损失基本上依赖相对未分化细胞的有丝分裂活动，而这些干细胞包含有和它们一样特性的后代以及那些增殖能力减弱而分化能力增强的细胞。

干细胞是能增殖、自我更新、产生大量分化的后代及组织再生的未分化细胞，但人们对干细胞的认识也是长期以来逐渐成熟的。最开始由于胚胎具有可塑性，因而通常认为仅ES细胞具有多向分化能力，当然，有大量的资料支持这种假设和ES细胞分化为许多类型的细胞。后来，研究者又发现成体组织中也存在具有多能性的干细胞群体，它们能局限地分化和再生为它们所栖息的组织细胞。如肝切除后肝细胞的增殖; HSC重建致死剂量照射的血液系统;卫星细胞修复损伤的骨骼肌;角化细胞祖细胞参与损伤的修复。除了修复损伤外，干细胞在维持如血液、皮肤的动态平衡中也发挥着关键的作用。

成体干细胞的发现为再生生物学在医学中的应用提供了很好的线索，但起初研究发现它们的分化总是沿着一明确的路线行进。然而，这种成体干细胞的观念现在已受到挑战。骨髓源干细胞不仅能分化为血细胞，而且还能分化为心肌、骨骼肌、神经细胞、肝组织、及血管内皮细胞。一些研究证明，干细胞可沿着相反的方向分化，如肌源、神经源干细胞能产生血细胞。骨髓基质细胞也显示出多向分化能力。尽管在组织损伤中已经观察到这些细胞命运的转变，但是在没有明显损伤的一些研究中也发现截然不同的组织间的转变。这些最近的研究结果表明，干细胞远比人类所认识的更为复杂。

细胞命运的变化是干细胞的本性，这可能涉及整个生命跨度中组织损伤的生理性修复。因此，成体干细胞不仅在它们所栖息的组织表现出作用，而且支持不同组织的再生。然而，根据新的观点，如果在合适微环境中，至少一些成体干细胞是高度可塑的并遵从其变化。我们假设干细胞最准确地涉及在许多截然不同的细胞，甚至分化的细胞能被诱导的生物学功能，而不是离散细胞的统一体。本文将在干细胞概念演变的历史进程上简单介绍干细胞研究与再生医学的现状、干细胞临床应用需要克服的问题及该领域的发展趋势。

人类的发育始于受精卵，在早期发育的胚胎中存在一类多能性细胞，这些细胞将发育成组成人体的各种细胞。1981年，Martin Evans和Gail Martin分别建立了小鼠胚胎干细胞系，而该项成果也让Martin Evans和另外两位科学家获得了2007年的诺贝尔奖。1998年，来自美国威斯康星大学的Thomson JA等人在science杂志上报道首次成功建立了人胚胎干细胞系。由于人胚胎干细胞系可以分化成人体任何一种细胞并应用于移植，为多种困扰人类的疾病提供了全新疗法，因此该研究立即引起科学界巨大轰动，开创了干细胞研究的全球浪潮。2006年，日本京都大学教授山中伸弥( Shinya Yamanaka)等人在Cell杂志上报道通过转染四种转录因子( Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc)将小鼠成纤维细胞重编程为诱导多能干细胞( induced pluripotent stem cells，iPS)。该方法解决了传统方法建立患者特异多能干细胞的致命缺点(效率低，需要大量卵细胞;建立胚胎干细胞系需要破坏胚胎，引起道德伦理争议;目前尚无人的核移植多能干细胞建系成功的报道)，立即在全球掀起iPS研究的浪潮，而山中伸弥也成为诺贝尔奖得主的热门人选。从人胚胎干细胞建系成功之初，科学家们就尝试将这类细胞分化成有功能的细胞。通过模拟体内发育过程，目前科学家们已经可以将人胚胎干细胞分化成多种细胞(如神经元，心肌细胞，胰岛细胞，血细胞等)，甚至可以得到类似体内组织的结构，并在多种动物模型上验证这些分化得到的细胞是有功能的。通过组织工程的手段，即将这些细胞种在生物材料上，可以进一步获得组织甚至器官。目前已经能够成功获得人造皮肤、人造膀胱等。

2009年，美国食品和药物管理局( FDA)批准加州的生物技术公司杰隆( Geron)开展世界上首例基于人胚胎干细胞的临床试验。该公司首先把人胚胎干细胞分化成运动神经元，再将这些细胞移植到10个左右的瘫痪患者体内，并观察这些细胞能否恢复损伤的脊髓的功能。目前，该研究仍在进行中，估计不久的将来该公司会宣布这项试验的结果。最近，FDA又批准另一家公司( Advanced Cell Technology)开展另一项人胚胎干细胞的临床试验。在这项研究中，科研人员将把人胚胎干细胞分化成的视网膜细胞注射到10个患有视力障碍的患者的眼球内。近期，法国批准了该国第一例人胚胎干细胞的临床试验。George Pompidou医院将尝试用人胚胎干细胞分化成的心肌细胞治疗心脏病。未来几年世界范围内将会有更多的基于人胚胎干细胞的临床试验。

然而，要实现多能干细胞的普遍应用，需要解决一系列问题。首先，基于人胚胎干细胞的治疗会引起免疫排斥，虽然iPS技术可以有效解决这一问题，但个体化治疗有成本太高、周期较长等缺点，折中的方案是建立覆盖整个人群的iPS细胞库。其次，现有的人胚胎干细胞的分化方法效率不高，残留的未分化人胚胎干细胞移植到患者体内后有形成畸胎瘤的风险，因此需要进一步优化现有的分化方法。再次，大规模的治疗需要大量细胞，而现有的人胚胎干细胞的培养方法费时费力，需要开发基于生物反应器的批量培养体系。最后，理想的细胞治疗是移植体外培养得到的组织甚至是器官，而目前这方面的报道很少，将来需要将干细胞技术和组织工程结合起来，通过将人胚胎干细胞分化成的细胞种在生物支架上，得到人造组织和器官。

20世纪初就有科学家提出“干细胞”这个概念，然而直到1963年，才由加拿大研究员Ernest A. McCulloch和James E. Till首次通过实验证实干细胞的存在。他们发现小鼠的骨髓细胞中存在可以重建整个造血系统的细胞，即造血干细胞。经过近50年的研究，造血干细胞是目前研究得最清楚的干细胞，为其他干细胞的研究领域提供许多指导性意见。迄今为止，人类陆续在其他器官中发现成体干细胞，如大脑、小肠、皮肤等。最早形式的器官移植从本质上来说其实是干细胞治疗。早在1957年，Edward Donnall Thomas等就通过骨髓移植治疗白血病。经过几十年的发展，造血干细胞移植已经成为治疗白血病的有效手段。

目前另一种很有应用前景的干细胞是间充质干细胞( Mesenchymal stem cells，MSC)，它最早从骨髓中分离出来，后来又被报道可以从其他组织获得。与胚胎干细胞相比，间充质干细胞具有以下优势:可以从患者自身分离，没有免疫排斥的问题;培养比较简单，容易获得大量细胞。间充质干细胞可以分化成脂肪细胞、骨细胞、软骨细胞等，将间充质干细胞分化成的骨细胞和软骨细胞种在生物材料上可以获得人造骨和软骨，并在动物模型上显示良好的治疗效果，估计不久的将来就可以应用到临床。间充质干细胞另一项重要应用是通过调节免疫反应治疗自身免疫性疾病(多发性硬化症、系统性红斑狼疮等)或用于骨髓移植引起的移植物抗宿主反应的治疗，迄今为止已开展几十项这方面的临床研究。从目前得到的结果来看，其临床疗效显著，但仍需要进一步阐明其作用机制。

成体干细胞的研究还处在起步阶段，目前主要集中在发现成体组织内的干细胞及其调控机制。从长远来看，将来有可能做到通过小分子动员组织内静息的干细胞，以治愈损伤的组织。由于某些组织内缺乏干细胞，成体干细胞的应用有一定局限性。今后的趋势是将多能干细胞和成体干细胞的研究结合起来，为临床服务。

总的来说，与很多成熟的领域相比，干细胞研究还处在初期阶段，离常规应用还有很长的一段路要走。鉴于再生医学的诱人前景和干细胞技术的飞速发展，相信干细胞治疗在不久的将来一定可以实现。

干细胞与其周围组织细胞及细胞外基质等相互作用、相互影响。其中基质是由基质细胞成分和非细胞成分组成，后者包括由基质细胞产生分泌的细胞因子和被称为细胞外基质的生物大分子等成分组成的支持和调节干细胞定居、增殖分化发育和成熟的微环境。

虽然目前的研究已经提示不同干细胞的微环境在结构、功能上是不同的，但仍有一些共同的组织原则:①基质为干细胞的生存提供不可缺少的物质支柱。②通过基质的黏附结构固定干细胞，如造血干、祖细胞表达的有关细胞黏附分子与细胞外基质中和基质细胞上相应的配体形成“配体-整合蛋白-细胞骨架跨膜系统”，从而影响造血主质细胞的形态，调控基因表达、控制细胞的分化、决定细胞的运动。③基质细胞通过产生和分泌多种细胞因子(如干细胞因子、GM-CSF、G-CSF、M-CSF、酸性和碱性成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、β型转化生长因子和其他活性物质)对造血干、祖细胞的增殖、分化和发育起重要的调控作用。这些细胞因子不但直接作用于造血细胞，而且作用于基质细胞，能改变基质细胞的增殖和分泌状态，诱导其他细胞因子生成。同时，基质细胞表面有许多细胞因子受体，能结合和聚集游离的细胞因子于局部。当基质细胞表面的各种黏附结构通过特异和非特异的结合把造血干细胞固定于局部时，干细胞的分化方向就受局部高浓度因子的作用而增殖与分化。④基质细胞直接与干细胞相互接触调控干细胞增殖分化:基质细胞除通过分泌造血生长因子及细胞外基质调节造血外，还通过与造血细胞的相互接触调节造血的增殖、分化以及淋巴细胞的发育成熟。如Fukushima等建立了基质细胞与造血细胞的长期共培养体系。另外，基质细胞产生的负调控因子对于维持机体造血的动态平衡起着重要的作用。⑤干细胞的增殖分化还涉及干细胞之间的互相影响，如造血细胞间的相互影响，其中特别是淋巴细胞对造血的调节，乃至于干细胞间的转化。⑥干细胞表面有许多特异的标志，以造血系统为例，干细胞的表面标志有Sca-1、c-kit和CD34等，最近发现CD34( -)细胞同样具有造血干细胞的特性。因此CD34可能并非造血干细胞的标志，它可能与造血干细胞的功能状态有关，其他各种成体干细胞还有各自独特的标记物，这些特异的标记物可能与其分化调控有关。如上皮细胞有β1整合素的高表达，而β1整合素可介导细胞外基质与黏附，从而抑制其分化。

可见，为实现对干细胞的调控，除了细胞外基质、基质细胞及其产生分泌的因子、干细胞调控基因及其反式作用因子、干细胞之间的交互作用外，各种因子的产生、生物学作用、受体表达、相互调节等均具有网络特性。在微环境中，干细胞所接受的主要信号经常控制着干细胞的活动，这些信号可能来自于特化的细胞。然而，微环境实际的信号环境比我们已认识的更为复杂。

尽管不同干细胞间有细微的差别，但微环境对调控胚胎干细胞和成体干细胞的表达谱却是相似的。因此当在微环境中引入干细胞，它们在对新的微环境里的促进信号做出反应时必经历重排和分化的过程。目前虽然对这些信号的特性仍不清楚，但有研究提示来自于如骨髓、肌肉等不同组织的干细胞如果处于既定的培养环境则能产生具有相似特性的细胞。有研究表明肌肉的再生部位显示有来自于其他来源的祖细胞的迁入，以及在免疫缺陷小鼠移植的骨髓来源的细胞能迁移到这些部位，分化并产生肌纤维。人们还观察到骨髓干细胞能导致实验性诱导损伤的小鼠心肌再生。基于以上的认识，最近不同的实验室报道骨髓源干细胞不仅能分化为血细胞而且还能分化为心肌、骨骼肌、神经细胞、肝组织、及血管内皮细胞;神经干细胞也能产生神经细胞、肝组织、血细胞、骨骼肌或心肌;间质干细胞( MSC)能分化为软骨细胞、成骨细胞、脂肪细胞、心肌细胞及骨骼肌细胞和神经细胞。这充分说明干细胞与其周围微环境组成密不可分、相互作用的系统，从而大大拓宽了我们以往对干细胞的认识。