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这篇综述聚焦了过去二十年间干细胞研究领域的重大突破，展示了科学家如何将成体细胞重编程为具有多向分化潜力的多能干细胞（PSCs）。文章系统梳理了五种主要干细胞类型——胚胎干细胞（ESCs）、极小型类胚胎干细胞（VSELs）、核移植干细胞（NTSCs）、重编程干细胞（RSCs）和成体干细胞，分别阐述了它们的来源特征与临床潜力。核心进展包括：利用病毒、RNA和化学物质优化重编程策略；开发无动物源成分的培养体系；以及新兴的3D生物打印技术，为未来可移植组织与器官的构建提供可能。
干细胞研究最新突破：从实验室到临床
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引言
过去二十年，尤其是近十年来，干细胞研究经历了革命性发展。该领域始于1961年，加拿大科学家James A. Till与Ernest A. McCulloch首次在小鼠骨髓中发现可分化多种细胞类型的干细胞，奠定了多能干细胞（PSCs）的概念——即能发育为体内任何细胞类型的细胞。
此后，多个里程碑相继涌现：1996年体细胞核移植（SCNT）技术克隆出多利羊，1998年首次分离人胚胎干细胞（hESCs），2006年利用四种转录因子将成体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）。这些突破的重要性获诺贝尔奖认可——山中伸弥与约翰·格登因证实成熟细胞可重编程为多能状态而荣获2012年生理学或医学奖。
通过系统综述，研究人员将干细胞归纳为五类：胚胎干细胞（ESCs）、极小型类胚胎干细胞（VSELs）、核移植干细胞（NTSCs）、重编程干细胞（RSCs）和成体干细胞。每类细胞在临床应用中各具优势与挑战。目前仅NTSCs被用于生成完整生物体（如2018年中国克隆猴），其余类型多用于构建组织与器官。
干细胞（尤其是ESCs和iPSCs）在四大领域展现出巨大潜力：再生与移植医学、疾病建模、药物筛选及发育生物学研究。尽管该领域正不断向临床应用拓展，仍面临诸多挑战——尤其在iPSCs技术尚新，对细胞增殖与分化的精细调控仍是当前难点。
多能干细胞的来源
多能干细胞（PSCs）具备两大基本特性：自我更新（持续增殖）和多能性（分化为外、中、内三个胚层来源的特化细胞）。其多能性主要通过三类小鼠实验验证：
畸胎瘤形成实验将细胞移植至免疫缺陷小鼠体内，观察其自发分化为三胚层组织的能力；嵌合体形成实验将干细胞注入早期胚胎（2N囊胚），检测供体细胞能否形成功能性配子并维持染色体完整；四倍体（4N）互补实验则将细胞注入4N胚胎，评估其发育为完整生物体的潜力，关键看移植干细胞（而非胚胎本身）能否形成胚外谱系。
胚胎干细胞（ESCs）
人胚胎干细胞（hESCs）取自早期囊胚（受精后4–5天）或胎龄三个月内的后期组织。作为最早被研究的干细胞，hESCs至今仍广泛用于临床试验（据clinicaltrials.gov记录）。
hESCs被视为多能性的“金标准”，但因涉及胚胎破坏而存在伦理争议，且移植后可能引发免疫排斥。尽管如此，它们持续为发育机制研究提供关键参照，并为新干细胞技术设立基准。
极小型类胚胎干细胞（VSELs）
自2006年发现以来，极小型类胚胎干细胞（VSELs）作为一种新型多能干细胞备受关注。全球超20家实验室已验证其存在，尽管仍有团队对其效能存疑。这类细胞体积微小，表达多能性标志物，存在于成体组织中。
小鼠VSELs直径约3–5微米，人类约5–7微米（略小于红细胞）。它们表达SSEA、核Oct-4A、Nanog、Rex1等胚胎干细胞标志物，以及Stella、Fragilis等原始生殖细胞迁移标记。其起源可能与胚胎发生期间的种系沉积有关。
2019年提出的模型显示，VSELs源自原始生殖细胞，可分化为三类细胞：间充质干细胞（MSCs）、成血管细胞（含造血干细胞和内皮祖细胞）及组织定向干细胞。作为多能干细胞，VSELs或能跨胚层分化，有望成为成体中单能干细胞的替代来源。
VSELs可能规避ESCs的伦理问题与iPSCs的畸胎瘤风险，因此在受这些因素制约的研究与临床场景中潜力显著。
核移植干细胞（NTSCs）
体细胞核移植（SCNT）技术自1996年成熟后，被用于制备核移植干细胞（NTSCs）。该技术将分化体细胞（如成纤维细胞）的细胞核植入去核卵母细胞，由卵细胞触发供体核的重编程。
经有丝分裂发育为囊胚（约100细胞）后，可生成与供体基因几乎一致的生物体——即克隆个体。该过程分治疗性克隆与生殖性克隆两类。
多利羊为首例克隆哺乳动物，迄今已有二十余物种被克隆。2018年1月，中国上海团队利用SCNT技术，通过胎儿成纤维细胞成功克隆两只雌性猕猴，成为首批克隆灵长类动物。
克隆灵长类动物有望革新人类疾病研究。遗传一致的模型可减少变异干扰，降低实验动物需求，结合CRISPR-Cas9基因编辑还能构建帕金森病、癌症等疾病的灵长类模型。
制药界对克隆猴用于药物测试需求强烈。上海正优先建设国际灵长类研究中心，旨在为全球供应克隆研究动物。SCNT独特性在于能生成活体生物，而不仅是细胞或组织，因此在生理功能研究上优于ESCs和iPSCs。
重编程干细胞（RSCs）
自2006年山中伸弥团队首创iPSCs以来，重编程技术飞速发展。直接重编程策略——通过转录因子、RNA修饰或小分子在体外或体内诱导特定谱系——尤为突出。
该方法跳过iPSC阶段，直接产生目标细胞类型（如诱导神经祖细胞iNPCs），更接近终末细胞谱系。重编程干细胞（RSCs）泛指通过非SCNT实验室手段重编程原代细胞所得的干细胞。
为克服hESCs的伦理与免疫原性限制，iPSCs成为理想替代方案。其来源广泛（血液、皮肤、尿液等），且自体移植可避免排斥反应。
从尿液肾小管细胞获取hiPSCs的方案简便、快速、成本低、普适性强：仅需30毫升样本，经2周培养与3–4周重编程即可获得高产量、高分化潜能的iPSCs。
尿液来源iPSCs经仙台病毒递送系统制备后显示正常核型，并在畸胎瘤实验中成功分化为三胚层组织。尿液细胞亚群表达c-Kit、SSEA4、CD105等祖细胞标志物，区分膀胱细胞谱系（尿路上皮、平滑肌等），成为有潜力的细胞来源。
成体干细胞
成体干细胞遍布人体组织，与多能干细胞不同，通常为多能性——仅能分化为来源组织相关的特定细胞类型。
常见来源包括骨髓、脂肪、牙髓及多种器官。间充质干细胞（MSCs）是研究最深入的成体干细胞，在抗炎、组织修复和免疫调节中展现潜力。
虽多能性不及PSCs，但成体干细胞伦理争议小、致瘤风险低，已应用于骨髓移植等临床场景。当前研究正深入探索其机制与全面应用价值。
临床应用与未来方向
干细胞研究已从基础走向临床，多项试验正在进行。重编程因子组合、实验方法与信号解析的进步，推动了视网膜与脊髓细胞移植的首批临床试验。
领域仍面临增殖与分化调控的挑战。研究者重点关注以下方向：基因组修饰诱导多能性、新型重编程载体构建、小分子与信号通路优化iPSC多能性、微RNA提升重编程效率、化学诱导多能性、特定细胞分化及基因组稳定性维持。
这些议题对最大化iPSC效能与临床转化至关重要。细胞培养技术亦不断升级：无饲养层培养、无异源成分培养基、生物材料增强技术相继涌现。3D生物打印、PSC库及体内直接重编程代表未来最具前景的方向。
干细胞研究的长期目标是开发安全有效的疗法，用于神经退行疾病、脊髓损伤、心脏病、糖尿病等可通过细胞替代或组织再生的疾病。
伦理考量
干细胞研究持续面临伦理挑战，尤其在胚胎干细胞与克隆领域。破坏胚胎获取hESCs的做法在多国仍存争议，监管政策各异。
iPSCs等新技术提供了无胚胎破坏的多能细胞来源，缓解了部分伦理顾虑，但基因操纵、捐赠同意及疗法可及性公平性等新问题随之产生。
国际科研界正持续制定指南与规范，力求在符合伦理的前提下，最大化干细胞研究为患者带来的潜在效益。
来源信息
原文标题：多能干细胞研究进展：历史、机制、技术与应用
作者：Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler
期刊：《干细胞评论与报告》（2020年）16卷3–32页
数字对象标识符：https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x
本文基于同行评审研究撰写，在保留原文核心发现与数据的前提下，对复杂科学内容进行了患者友好型解读。