中文名：胚胎干细胞

外文名：embryonicstemcell

释义：早期胚胎或原始性腺中分离的细胞

简称：ES或EK细胞

最早：1981

举例：仓鼠、大鼠、兔、猪、牛、绵羊

胚胎干细胞

进一步说，胚胎干细胞（ES细胞）是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。ES细胞的研究可追溯到上世纪五十年代，由于畸胎瘤干细胞（EC细胞）的发现开始了ES细胞的生物学研究历程。

目前许多研究工作都是以小鼠ES细胞为研究对象展开的，随着ES细胞的研究日益深入，生命科学家对人类ES细胞的了解迈入了一个新的阶段。在98年末，两个研究小组成功的培养出人类ES细胞，保持了ES细胞分化为各种体细胞的全能性。这样就使科学家利用人类ES细胞治疗各种疾病成为可能。然而，人类ES 细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议，出于社会伦理学方面的原因，有些国家甚至明令禁止进行人类ES细胞研究。无论从基础研究角度来讲还是从临床应用方面来看，人类ES细胞带给人类的益处远远大于在伦理方面可能造成的负面影响，因此要求展开人类ES细胞研究的呼声也一浪高过一浪。

形态特征

ES细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态结构，细胞核大，有一个或几个核仁，胞核中多为常染色质，胞质胞浆少，结构简单。体外培养时，细胞排列紧密，呈集落状生长。用碱性磷酸酶染色，ES细胞呈棕红色，而周围的成纤维细胞呈淡黄色。细胞克隆和周围存在明显界限，形成的克隆细胞彼此界限不清，细胞表面有折光较强的脂状小滴。细胞克隆形态多样，多数呈岛状或巢状。小鼠ES细胞的直径7 微米～18 微米，猪、牛、羊ES细胞的颜色较深，直径12 微米～18 微米。

分化特征

1.全能性

ES细胞的全能性指ES细胞在解除分化抑制的条件下能参与包括生殖腺在内的各种组织的发育潜力，即ES细胞具有发育成完整动物体的能力，可以为细胞的遗传操作和细胞分化研究提供丰富的试验材料。ES细胞发育全能性的标志是ES细胞表面表达时相专一性胚胎抗原（Stage specific embryonicant，SSEA），而且可以检查到OCT4基因的表达，这两种蛋白是发育全能性的标志。ES细胞中AKP及端粒酶活性较高，可用于ES细胞分化与否的鉴定。

全能性是胚胎干细胞与成体内多能干细胞之间的主要区别。在正常的培养条件下，胚胎干细胞在经过多重细胞分裂之后，仍然能保持全能性。

2.多能性

ES细胞的多能性是指ES细胞具有发育成多种组织的能力，参与部分组织的形成。将ES细胞培养在不含分化抑制物的培养基上，可以形成类胚体。将ES细胞在特定培养基进行培养，可以定向分化成特定组织，如ES细胞在含有白血病抑制因子（LIF）和维生素A酸（RA）的培养基上，可以分化形成全壁内胚层，将ES细胞与胚胎细胞共培养或将ES细胞注入囊胚腔中，ES细胞就会参与多种组织的发育。

胚胎干细胞具有多能性（Pluripotency），特点是可以通过细胞分化

牛ES细胞

Saito等在加有LIF的培养基中对牛ICM进行培养，分离得到牛ES细胞并进行传代。Sims等使用与一般ES细胞分离完全不同的低密度培养法，使用BRL(buffalo rat liver)条件培养基并添加亚硒酸钠、胰岛素、运铁蛋白和50 mL/L胎牛血清，培养6 d～10 d，得到15个ES细胞系，将其作为核供体进行核移植得到659枚重构胚，卵裂率70%，囊胚率24%，将其中34枚胚胎移植27头假孕母体，13头妊娠，最后生出4头犊牛。而Stice S L等报道，以牛ES细胞为核供体建立的重组胚在移植受体后虽然会出现妊娠现象，但妊娠时间不超过60天，主要是因为胎盘畸形发育，包括缺乏子叶以及子宫阜出血反应。若将重组胚与正常8-细胞胚嵌合，则该嵌合胚可发育至85天，胎儿同样缺乏子叶，DNA分析证实50%的嵌合体胎儿组织来源于ES细胞。Ito等分析比较了牛体内和体外培养的桑椹胚分裂球和囊胚ICM分离ES细胞的效果，结果仅在囊胚组获得了类ES细胞。Cibelli等由49枚7日龄牛胚胎ICM分离到27个ES细胞系，用注射法将β-半乳糖苷酶基因导入ES细胞，选择转染的ES细胞注入8-细胞～16-细胞牛胚，其中18枚胚胎移植7头受体，妊娠5周后，得到12个胎儿。对胎儿进行检测，6个胎儿分别在生殖腺或原始生殖细胞(PGCs)中检测到标记基因，表明ES细胞参与生殖系嵌合。Cibelli等建立应用牛胎儿成纤维细胞核移植生产转基因牛类ES细胞的方法，得到6头嵌合体。Mitalipova等自致密桑椹胚分离牛ES细胞，最高一株ES细胞传至150代，且表达SSEA-1、SSEA-3、SSEA-4和c-kit受体。

国内钱永胜等以PMEF为饲养层，得到传至第 2 代的牛 ES 细胞，杨奇等、安立龙等分别得到传至第 3 代和第 6 代的牛 ES 细胞，并且证明其具有多能性。

羊ES细胞

Handyside等以绵羊皮肤成纤维细胞和胎儿成纤维细胞作饲养层，从7日龄～8日龄绵羊囊胚分离类ES细胞，结果得到内胚层样细胞而无ES细胞出现。Tsuchiya用免疫外科法分离8 天～9 天绵羊囊胚ICM，培养于STO细胞饲养层上，得到2个类ES细胞系，传至4代。Tillmann等用胎牛肝成纤维细胞作饲养层分离得到传至20代的绵羊类ES细胞和40代的山羊类ES细胞。Modinski等将绵羊ES细胞与囊胚嵌合得到2只嵌合体绵羊。Campbell等用第1代～第3代的类ES细胞作核供体进行核移植，得到了4只绵羊。

兔ES细胞

Graves K H等从兔子附植前囊胚分离得到ES细胞，并进行了初步鉴定，证明它们具有在饲养层上保持未分化状态的增殖能力，体外传代培养1年以上，仍具有正常的核型，且能形成包含三胚层分化物的胚体。之后，Niemann等以PMEF为饲养层，建立了9个兔ES细胞系。Schoonjans L等将兔ES细胞注入囊胚获得了包括生殖系在内的嵌合体兔子。陈颖等以PMEF为饲养层培养兔分割囊胚，结果得到传至7代的兔ES细胞，将第2代的兔ES细胞与囊胚进行嵌合，得到1只皮毛嵌合体仔兔，但未证实ES细胞是否参与了生殖系嵌合。

水貂ES细胞

Sukoyan 等从桑椹胚、囊胚和 ICM 建立了8个水貂ES细胞系，其中4个为XX 型，4个为XY型。源于桑椹胚和ICM的ES细胞有2/3其X染色体处于激活状态，而70%～100%的源于囊胚的ES细胞其一条x染色体处于失活状态。在源于桑椹胚和ICM的ES细胞中，XX基因型细胞的G6PD（glucose-6-phosphate dehydrogenase）活性是XY基因型细胞的2倍，而源于囊胚的ES细胞，其XX基因型细胞与XY基因型的细胞的G6PD活性相当。将ES细胞注入免疫缺陷小鼠，源于桑椹胚和ICM的细胞能形成包含三胚层分化物的囊状胚体和畸胎瘤，这些说明源于桑椹胚和ICM的ES细胞的多能性比源于囊胚的ES细胞的多能性高。

仓鼠ES细胞

Doetschman等从叙利亚金黄仓鼠（mesocricetus auratus）囊胚建立了4个ES细胞系，都具有正常的核型和44条染色体，1个为XX型，3个为XY型，它们能够在PMEF（primarymouse embryonic fibroblast）饲养层上增殖并保持未分化状态，悬浮培养时，能形成包含胚胎外胚层组织和心肌组织的类胚体，但未证实仓鼠ES细胞是否能够参与形成生殖系嵌合体。仓鼠是第二个继小鼠之后建立ES细胞系的哺乳动物。

灵长类和人类ES细胞

Thomson等从恒河猴囊胚分离并建立了一个ES细胞系（R278.5），并证明该细胞系持续培养一年仍能维持未分化状态和正常的XY核型，表达细胞表面抗原标记AKP、SSEA-3（stage-specific embryonic antigen-3）、SSEA-4、TRA-1-60、TRA-1-81等，与hEC细胞相似。在缺乏小鼠成纤维细胞层，即使还存在LIF因子，R278.5细胞也能分化为多种细胞类型。该分化物分泌CG（绒毛膜促性腺激素），并表达α-CG及β-CG的亚单位和α-胎蛋白mRNA，当注入SCID小鼠，能分化形成三胚层衍生物。这是首次成功分离灵长类ES细胞。之后，Thomson等又从美洲长尾猴（callithrix jacchus）囊胚ICM建立了8个ES细胞系，它们表达hEC和恒河猴ES细胞的一系列细胞标记，如AKP（alkaline phosphatase）、SSEA-3、SSEA-4、TRA-1-60、TRA-1-81，8个细胞系都有46条染色体，其中7个是XX型，1个是XY型，2个细胞系（Cj11和Cj62）持续传代培养1年多仍能维持未分化状态和保持正常染色体结构。去掉胎儿成纤维细胞饲养层后（即使LIF还存在），这些细胞系能分化形成多种细胞类型，分化的细胞分泌CG（chorionic goNADotrophin）并表达α-CG、β-CG、α-胎蛋白mRNA，证明这些细胞属于滋养层细胞和内胚层细胞。在高密度培养时，该细胞系能形成类胚体，类似于附植后的早期胚胎。在人类，Bongso等利用人类输卵管上皮细胞做饲养层，培养基为Earle’s，另外补加10%的人类血清，体外培养21枚人类2细胞胚胎至囊胚期，结果出现了19个完整的ICM，其中2个ICM分化为成纤维细胞，其余17个ICM在随后的2次传代过程中表现典型干细胞集落特征，AKP呈阳性，核型正常。这是人们首次成功分离人类ICM细胞并体外培养至少2代。随后Thomson小组报道从14个人类体外授精囊胚的内细胞团分离得到了5个ES细胞系，培养5～6个月后，仍高度表达端粒酶活性，具有正常的核型（2个XX，3个XY），表达细胞表面抗原标记SSEA-3、SSEA-4、TRA-1-60、TRA-1-81、AKP等，其中4个ES细胞系注入SCID（severe combined immuNOdeficient）小鼠能生成畸胎瘤，经肿瘤组织学证实畸胎瘤中包含有3个胚层的衍生物。体外分化能形成滋养层细胞及肠上皮、软骨、骨、平滑肌、横纹肌、神经上皮等三胚层分化物。此外，Reubinoff等也从囊胚ICM分离得到2个能够在体外培养增殖并传代的人类多能性ES细胞系，且具有灵长类ES细胞的特征，表达转录因子Oct-4，当移植于SCID小鼠，2个hES细胞系都能形成包含3个胚层组织的畸胎瘤。在体外培养条件下，两个hES细胞系能分化形成胚外细胞即分泌α-胎蛋白和绒毛膜促性腺激素的滋养层细胞和各种体细胞，同时从hES细胞的分化产物中还可分离出神经祖细胞，并诱导其进一步成熟为神经元。

国内，目前只见到徐令等、卢光秀等从体外授精桑椹胚分离到人类ES细胞。

生产克隆动物

ES细胞从理论上讲可以无限传代和增殖而不失去其正常的二倍体基因型和表现型，以其作为核供体进行核移植后，在短期内可获得大量基因型和表现型完全相同的个体，ES细胞与胚胎进行嵌合克隆动物，可解决哺乳动物远缘杂交的困难问题，生产珍贵的动物新种。亦可使用该项技术进行异种动物克隆，对于保护珍稀野生动物有着重要意义。

转基因动物

用ES细胞生产转基因动物，可打破物种的界限，突破亲缘关系的限制，加快动物群体遗传变异程度，可以进行定向变异和育种。利用同源重组技术对ES细胞进行遗传操作，通过细胞核移植生产遗传修饰性动物，有可能创造新的物种；利用ES细胞技术，可在细胞水平上对胚胎进行早期选择，这样可以提高选样的准确性，缩短育种时间。

器官组织移植

作为一种被称之为“种子细胞”的ES细胞，为临床的组织器官移植提供大量材料。人ES细胞经过免疫排斥基因剔除后，再定向诱导终末器官以避免不同个体间的移植排斥。这样就可能解决一直困扰着免疫学界及医学界的同种异型个体间的移植排斥难题。

用于细胞治疗

人类胚胎干细胞群

干细胞最诱人的前景和用途是生产细胞和组织用于“细胞疗法”为细胞移植提供无免疫原性的材料。现今已从ES细胞诱导分化出心肌细胞、骨细胞、软骨细胞、肝细胞、造血细胞、脂肪细胞、胰岛素细胞、神经细胞、内皮细胞等。这些诱导后的细胞有望为器官移植、损伤器官的修复提供原材料,因而具有十分广阔的临床应用前景。

胚胎干细胞研究一直是一个颇具争议的领域，支持者认为这项研究有助于根治很多疑难杂症，是一种挽救生命的慈善行为，是科学进步的表现。而反对者则认为，进行胚胎干细胞研究就必须破坏胚胎，而胚胎是人尚未成形时在子宫的生命形式。因此，如果支持进行胚胎干细胞研究就等于是怂恿他人“扼杀生命”，是不道德的，违反伦理的。

布什坚决反对

美国参议院在2006年7月17日就增加政府对胚胎干细胞研究经费拨款的议案进行了辩论。新法案要求，增加联邦政府用于干细胞研究的经费，用于对那些将被遗弃的、处于冷冻状态的临床胚胎进行胚胎干细胞研究。当天进行的辩论可谓相当激烈，正反双方都带着强烈的感情色彩讨论这一议案的利弊。不过，从现在的情形看来，参议院通过此项法案的难度不大。

但让很多人头痛的是总统布什的态度。布什此前已经表示，如果这项议案在参议院获得通过，他将不惜动用总统否决权来阻挠议案付诸实施。17日，白宫再次发表了类似声明，称“他（总统）将对议案行使否决权”。

科学家过去研究胚胎干细胞，都必须在胚胎上“大动手脚”，有人认为这样做就牺牲了胚胎，即间接牺牲了一个未来的小生命，所以惹来了很多伦理上的反对和斥责。白宫的声明说：“这项议案将强迫美国的纳税人为人类胚胎干细胞研究提供经济支持，而我们不应使用公众的钱来支持摧毁生命的行为。”

当然，布什也有很多同盟军，他们也都认为，胚胎是一个未来的生命，不能因为进行科学研究而扼杀生命。再者说，对胚胎干细胞的研究现在还只是停留在最初阶段，距离临床试验还有很长一段路要走，更不用说用于治疗疾病了。“我们不能仅仅因为有的胚胎不能发育成生命就残忍地在它们上面做试验。”共和党参议员吉姆·伯恩宁说。“有谁知道在这一研究领域取得实质性进展之前需要破坏多少胚胎呢？”

据理力争

支持者，特别是一些温和派的共和党人认为，美国人民需要扩大干细胞研究。他们指出，根据自愿的原则，利用一些废弃的胚胎扩大干细胞研究是为美国人所做的正确的事情。干细胞研究被认为是找到老年性痴呆症、帕金森症等神经和大脑疾病新疗法的希望。

前美国第一夫人南希·里根就是一位积极推动此议案形成的热心人士。她的丈夫、前总统里根2004年死于阿尔茨海默氏痴呆症，而如果干细胞研究取得突破，这种疾病以后就有望治愈。“她依然在为此事而到处奔波。”民主党参议员埃德华德·肯尼迪说。“我们都知道，正是由于她的努力，这项议案才有今天，也才有可能取得一个理想的结果。”

参议院司法委员会主席斯佩克特本人是一位癌症患者，而癌症也是一种可以依赖干细胞研究获得治疗的疾病，因此，他也是此议案的拥趸之一。他还把这项议案的反对者比喻作阻挠科学车轮前进的阻力，称他们是“愚蠢的，不理智的，绝对荒谬的。”

而参议院多数党领袖弗里斯特也持有这种观点。他说：“我们将团结起来，使得科学在伦理道德的界限之内继续前进。”

2006年7月19日，美国总统布什上任5年来首次动用总统否决权，否决了参议院一项旨在资助胚胎干细胞研究的提案，此举引起了社会各界的广泛争论和关注。与此相对的是，7月24日，欧盟25国负责科研的部长在布鲁塞尔开会决定，将继续资助欧盟科研人员有限度地开展人类干细胞研究。道德层面的争议已经成为制约干细胞研究的瓶颈，科学与伦理再次成为对立的两方。

获法律支持

美国一家联邦上诉法院2011年4月29日作出裁决，允许美国联邦政府继续资助人类胚胎干细胞研究。这是美国人类胚胎干细胞研究支持者取得的一个重要阶段性胜利。

哥伦比亚特区巡回上诉法院当天在裁决书中宣布，撤销美国一地方法院法官去年发布的人类胚胎干细胞研究临时禁令。判决书还认为，联邦资金资助人类胚胎干细胞研究似乎并不违反美国相关法律。

去年8月23日，哥伦比亚特区地方法院法官罗伊斯·兰伯思针对两位美国干细胞研究人员提起的诉讼发布临时禁令，以违反法律等为由禁止联邦资金资助人类胚胎干细胞研究。兰伯思认为，国会曾经通过的一份修正案 “明确禁止”用联邦资金资助所有需要破坏人类胚胎的研究，而所有人类胚胎干细胞研究都会包含破坏胚胎的步骤，因此美国国家卫生研究院颁布的人类胚胎干细胞研究规范违反了该修正案。

但哥伦比亚特区巡回上诉法院在最新裁决中指出，上述修正案存在“模糊”之处，美国国家卫生研究院有理由认为，该修正案虽然禁止从胚胎中提取干细胞的破坏性行为，但并未禁止联邦资金资助那些仅使用人类胚胎干细胞的研究项目。上诉法院据此宣布兰伯思去年发布的临时禁令无效。

美国白宫一名发言人当天表示，上诉法院的裁决对美国科学家和全世界的患者来说是一个“胜利”，患者们将会从干细胞研究所带来的医学突破中受益。

人类胚胎干细胞研究在美国颇受争议。2001年，美国前任总统布什规定联邦资金仅准许用于资助已经存在的胚胎干细胞研究。现任总统奥巴马2009年通过行政命令解除了上述限制，奥巴马认为“之前美国在人类胚胎干细胞研究上采取了错误的选择，导致一些最好的科学家被迫到其他国家从事相关研究。奥巴马的政策坚定地支持科学家们开展胚胎干细胞的研究，充分体现了科学政策应建立在科学基础之上，从而使美国有望在生命科学领域处于领先地位。美国国家卫生研究院随之于当年出台胚胎干细胞研究规范。

研究新方向

由于胚胎干细胞在医学应用上存在着免疫排斥以及伦理窘境等壁垒，科学家正在尝试其他途径代替胚胎干细胞。科学家试图通过细胞重编程的方法让病人的体细胞转化为干细胞供自身使用，主要的几个分支包括细胞核移植，患者体细胞与供体胚胎干细胞的细胞融合，以及诱导多能干细胞。其中诱导多能干细胞在近五年内新兴并迅速得到学术界的高度关注。