胚胎干细胞：生物学特性及体外培养条件

胚胎干细胞，简称ES细胞，是从囊胚内细胞团中分离获得的一类细胞，具有自我更新的能力和多向分化的潜能（如图5-1）。1981年，Martin Evans首次分离并成功培养小鼠ES细胞，奠定了胚胎干细胞体外研究的技术基础。随后，陆续有猪、牛、绵羊、仓鼠、鸡、斑马鱼、恒河猴等脊椎动物的胚胎干细胞得以成功分离和培养。1998年，James Thomson从体外受精获得的人囊胚内细胞团中，分离培养人胚胎干细胞获得成功，为胚胎干细胞走向临床应用奠定了基础。

图5-1　分离培养人胚胎干细胞

1.存在的位置

胚胎干细胞通常是指存在于囊胚期胚胎中的内细胞团细胞。在囊胚后续的发育过程中，有些类型的细胞在特定的条件下也可表现出类似于ES细胞的特性，即自我更新能力和多向分化潜能等。例如，在胚胎生殖嵴中就含有这种多向分化潜能的细胞，习惯上称其为胚胎生殖细胞（embryonic germ cell，EG cell）。1998年，美国约翰霍普金斯大学John Gearhart从5～9周龄的流产胎儿的生殖嵴中分离培养了这种细胞，并在体外证明了它与来自内细胞团的ES细胞的具有相似的生物学特性。另外，还有一类在胚胎发育过程中由畸胎癌（常为睾丸肿瘤）衍生而来的类多能干细胞，即胚胎癌性细胞（embryonalcarcinomacell，EC cell）。

2.生物学特性

胚胎干细胞是个体发育的起始细胞，它的基本生物学特性是能够有序的分化为三个胚层组织的前体细胞。然而，由于胚胎干细胞在自然状况下的数量较少，存在的时间又较短，故目前对其生物学特性的认识主要来自对体外培养胚胎干细胞的观察与分析。(www.xing528.com)

（1）胚胎干细胞具有原始细胞的形态和生化特征

胚胎干细胞的体积较小、核质比较大、内质网及高尔基体等细胞器不发达。在囊胚中，它们以致密的集落样形式（即内细胞团）生长，并附着于囊胚的内侧壁。在体外培养的条件下，胚胎干细胞以致密的集落样生长，形似鸟巢。各种哺乳动物的胚胎干细胞在体外培养条件下都具有相似的形态特征。

（2）胚胎干细胞具有向三个胚层组织细胞分化的潜能

由于胚胎干细胞体外培养的成功，这一概念已经通过实验得到了充分的证实。目前，评价小鼠ES细胞多向分化潜能的实验一般包括三个方面：①胚状体形成实验。胚状体（embryoid body，EB）是在一定条件下胚胎F细胞自发形成的具有胚层结构的小体，其三个胚层的形成与分化基本模拟了体内胚胎早期发育时组织细胞分化的过程。将ES细胞培养在缺乏白血病抑制因子的条件下，部分细胞能分化形成胚状体，表明ES细胞具有多能干细胞的特性。将ES细胞诱导形成胚状体，然后再从胚状体中分离所需要的目标细胞，进而扩大培养和利用，是ES细胞体外分化研究的一种策略。②畸胎瘤实验。将ES细胞移植到免疫缺陷小鼠的皮下，移植细胞能形成胚胎组织瘤。在瘤组织中能观察到内胚层来源的胃上皮组织，中胚层来源的骨、软骨组织、平滑肌和横纹肌，以及外胚层来源的神经表皮、神经节及复层鳞状上皮组织等，表明ES细胞具有形成外、中、内三个胚层组织细胞的潜能。③嵌合体实验。将体外培养的ES细胞注射到囊胚腔中，使其参与内细胞团的继续发育，进而通过对发育小鼠各个组织的分析，观察植入细胞是否可以分化为各种组织细胞。1984年，Bradley和Nagy首次证明了小鼠ES细胞的多能性，当ES细胞被导入囊胚后可以分化为包括生殖细胞在内的各种组织细胞。后来，在猪、牛、绵羊、仓鼠、鸡、斑马鱼及恒河猴等脊椎动物的ES细胞研究中也得到了相似的结论。然而，由于伦理道德等方面的原因，这种方法不能用于人胚胎干细胞的多能性潜能评价。

目前在实验室里已经实现将胚胎F细胞诱导分化为各种组织类型的细胞，但在分化效率、成熟程度、分离纯度以及在体内是否具有真正的细胞功能等方面仍然还有许多问题需要解决。