干细胞基础知识
1.引言:什么是干细胞，为什么它们很重要?
干细胞具有显著的自我更新潜能。在生命早期和生长期间，它们可以在体内发育成许多不同的细胞类型。研究人员研究了许多不同类型的干细胞。有几个主要类别:“多能”干细胞(胚胎干细胞和诱导多能干细胞)和非胚胎或体细胞干细胞(通常称为“成体”干细胞)。多能干细胞具有分化成成人体内所有细胞的能力。成体干细胞存在于组织或器官中，可以分化为该组织或器官的特化细胞类型。
多能干细胞
哺乳动物胚泡期的早期胚胎包含两种类型的细胞——内细胞群细胞和滋养外胚层细胞。滋养外胚层细胞形成胎盘。内部细胞群最终将发展成整个生物体的特殊细胞类型、组织和器官。先前对小鼠胚胎的研究在1998年发展了一种方法，从植入前人类胚胎的内部细胞群中提取干细胞，并在实验室中培养人类胚胎干细胞(hESCs)。2006年，研究人员发现了一些条件，可以使一些成熟的人类成年细胞被重新编程为类似胚胎干细胞的状态。这些重新编程的干细胞被称为诱导多能干细胞(iPSCs)。
成体干细胞
在生物体的整个生命过程中，成体干细胞群作为一个内部修复系统，为因正常磨损、损伤或疾病而丢失的细胞产生替代品。成体干细胞已经在许多器官和组织中被发现，并且通常与特定的解剖位置有关。这些干细胞可能在很长一段时间内保持静止(不分裂)，直到它们被正常需要更多的细胞来维持和修复组织而激活。
2．所有干细胞都有什么独特的特性?
干细胞具有自我更新和再造功能性组织的独特能力。
干细胞有自我更新的能力。
不像肌肉细胞、血细胞或神经细胞——这些细胞通常不会复制——干细胞可以复制很多次。当一个干细胞分裂时，产生的两个子细胞可能是:1)两个干细胞，2)一个干细胞和一个分化程度更高的细胞，或3)两个分化程度更高的细胞。是什么控制着这些类型的分裂之间的平衡，以维持给定组织中干细胞的适当水平，目前尚不清楚。
发现自我更新背后的机制可能使我们有可能理解细胞命运(干细胞与非干细胞)在正常胚胎发育和出生后是如何被调节的，或者在衰老过程中是如何被错误调节的，甚至在癌症的发展过程中也是如此。这些信息也可能使科学家在实验室中更有效地培养干细胞。使多能干细胞保持未分化的具体因素和条件引起了科学家们的极大兴趣。经过多年的反复试验，人们才学会在实验室中获得并维持多能干细胞，而不会让这些细胞自发地分化成特定的细胞类型。
干细胞具有重建功能性组织的能力。
多能干细胞未分化;它们没有任何组织特异性特征(如形态或基因表达模式)使它们能够执行特定功能。然而，它们可以产生人体所有的分化细胞，如心肌细胞、血细胞和神经细胞。另一方面，成体干细胞分化产生其所在组织或器官的特化细胞类型，并且可能具有反映该组织的定义形态特征和基因表达模式。
不同类型的干细胞具有不同程度的效力;也就是说，它们可以形成的不同细胞类型的数量。在分化过程中，细胞通常要经历几个阶段，每一步都变得更加特化。科学家们开始了解触发分化过程每一步的信号。细胞分化的信号包括其他细胞分泌的因子、与邻近细胞的物理接触以及微环境中的某些分子。
3。如何在实验室培养干细胞?
干细胞是如何在实验室中培养的?
在实验室中培养细胞被称为“细胞培养”。干细胞可以在实验室环境下的培养皿中增殖，培养皿中含有一种被称为培养基的营养液(这种培养基针对不同类型的干细胞进行了优化)。大多数干细胞附着、分裂并在培养皿表面扩散。
当细胞分裂时，培养皿会变得拥挤，因此在继代培养过程中需要重新镀上培养皿，这一过程在几个月内周期性地重复多次。每个周期被称为一个“通道”。原始细胞可以产生数百万个干细胞。在这个过程的任何阶段，成批的细胞都可以被冷冻并运送到其他实验室进行进一步的培养和实验。
你如何“重编程”正常细胞来制造iPSCs?
分化的细胞，如皮肤细胞，可以重新编程回到多能状态。重编程是在几周内通过强制表达基因来实现的，这些基因已知是多能性的主要调节因子。在这一过程的最后，这些主控者将重塑整个基因网络的表达。分化细胞的特征将被与多能状态相关的特征所取代，从本质上逆转了发育过程。
如何刺激干细胞分化?
只要多能干细胞在适当的条件下培养，它们就可以保持未分化状态。为了产生特定类型分化细胞的培养物，科学家可能会改变培养基的化学成分，改变培养皿的表面，或者通过强迫特定基因的表达来修饰细胞。经过多年的实验，科学家们已经建立了一些基本的方案，或“配方”，将多能干细胞分化成一些特定的细胞类型(见下图1)
哪些实验室测试用于识别干细胞?
在生成干细胞系过程的不同阶段，科学家们对这些细胞进行测试，看它们是否表现出使它们成为干细胞的基本特性。这些测试可能包括:
验证多个基因的表达，这些基因已被证明对干细胞的功能很重要。
检查扩散速度。
通过检查选定细胞的染色体来检查基因组的完整性。
通过移除导致多能干细胞自发分化的维持细胞未分化状态的信号，或通过添加诱导成体干细胞分化为适当细胞表型的信号，来证明细胞的分化潜力。
干细胞如何用于生物医学研究和治疗?
鉴于其独特的再生能力，人类干细胞被用于生物医学研究和治疗开发的方法有很多。
了解疾病的生物学和测试药物
科学家们可以利用干细胞来了解人类生物学和开发治疗方法。更好地了解干细胞中调节细胞分裂、特化和分化的遗传和分子信号，可以提供有关疾病如何产生的信息，并提出新的治疗策略。科学家可以使用从病人身上提取的多能干细胞，并对这些多能干细胞进行分化，以制造“类器官”(小型器官模型)或组织芯片，用于研究患病细胞和测试药物，并获得个性化的结果。
细胞疗法
一个重要的潜在应用是生成细胞和组织，用于基于细胞的治疗，也称为组织工程。目前对可移植组织和器官的需求远远超过了现有的供应。干细胞提供了再生的可能性。每个组织中通常只有非常少量的成体干细胞，一旦从体内取出，它们的分裂能力就受到限制，这使得产生用于治疗的大量成体干细胞变得困难。相比之下，多能干细胞较少受到起始材料和再生潜力的限制。
为了实现干细胞治疗疾病的希望，科学家必须能够操纵干细胞，使它们具有成功分化、移植和植入的必要特征。科学家还必须开发干细胞群管理的程序，以及诱导血管化(供应血管)，以再生和修复三维实体组织。
为了用于移植目的，干细胞必须可重复地制造:
广泛增殖并产生足够数量的细胞来替换丢失或受损的组织。
分化成所需的细胞类型。
移植后在受体体内存活。
移植后与周围组织融合。
避免被受体免疫系统排斥。
在接受者的生命周期内适当地发挥作用。
虽然干细胞为未来的治疗提供了令人兴奋的希望，但重大的技术障碍仍然存在，可能只有通过多年的深入研究才能克服。
注:目前，美国食品和药物管理局(FDA)批准在美国使用的唯一基于干细胞的产品包括来自脐带血的造血干细胞(造血祖细胞)。这些产品被批准有限地用于影响参与血液生产的身体系统(称为“造血”系统)的疾病患者。
