到底什麼才是成體幹細胞?

圖1 腸隱窩中的幹細胞：Lgr5細胞（綠色）位於腸隱窩基底，數量多且具有增殖性（圖中紫色部分為膠原蛋白）。

機體組織很可能啟用多種機制來更替喪失的細胞。

自從骨髓移植技術鎖定於造血幹細胞（hematopoietic stem cell， HSC）這種不可思議的多能性實體細胞（可形成幾乎所有的血細胞）之後，它的理論就開始深入人心了。HSC的「自我更新」能力遵循著層次分化路徑進行，包含嚴格編排的事件流。目前，HSC原理作為一種範例，用以解釋其它哺乳動物組織中出現的實驗觀察現象。但是，進化為何會以如此類同的方式來解決組織更新的問題，其中的原因尚不明晰。而人們試圖將實體組織的觀察結果套入HSC的層次模式，結果卻產生了混淆不清的理論、術語、實驗方法和激烈的辯論，而且大多仍無法解決。試想，既然不同大小、結構和功能的器官經受的是完全不同的生物學和生理學挑戰；那麼各種組織也有不同的再生需求，自然也會進化出不同的方式來恢復細胞數量，這樣的說法似乎也有道理。

日本廣島遭受原子彈爆炸事件之後，人們開展了多項實驗，用輻射小鼠建立模型，進行對抗白細胞減少的骨髓移植研究。這種治療性骨髓移植技術使得科學家們減少了對限制性環境（通過異體骨髓挽救血細胞的生成）的關注，轉而研究有形實體物質HSC的特性。同時，人們開發出替代性定量分析方法（脾臟病灶形成分析）來檢測活體中的HSC；隨之又開發出多種體外分析法，用以檢測克隆性HSC和譜系限制型祖細胞。上述成果使得人們對HSC的界定特性及其激發的細胞分化層次產生了共識。

HSC屬於稀有細胞，它本身極少發生分裂（即「靜止」），這是因為DNA複製帶有變異的風險。HSC即便是發生分裂，也是不對稱的，產生一個具有分裂活性的子代祖細胞和一個新的靜止幹細胞。由於HSC具有獨特的限制性自我更新能力，因此壽命很長。而分裂出來的子代祖細胞隨之下移一級，逐漸成為譜系限制性細胞，最終產生各種成熟的血細胞。所以，細胞通過這個等級分層系統單向流動，逐漸背離原有的HSC。其實，人們早就獲知了上述觀點，數十年之後才能夠研究其它哺乳動物組織中的更新。那麼，自此之後，我們又知道了些什麼呢？

幹細胞功能分散化

20世紀70年代，細胞培養技術的發展促使增殖性表皮細胞得以廣泛擴增，形成大片皮膚；藉助自體移植技術，還挽救了眾多燒傷患者的生命。這實在是激動人心的幹細胞潛能範例。然而，迄今為止，表皮幹細胞的身份仍然存在爭議。因為它只產生單種細胞——角化細胞，這一點不符合幹細胞多能性的特點。但是，在這個定義事件的背後，一個更深層次的問題浮現出來了。目前為止，人們還是無法精確識別那種靜止的稀有幹細胞。它潛藏在大量增殖性祖細胞（組成表皮基底層）之中。確實，對這類增殖細胞進行隨機標記，結果產生的表皮克隆產物總是在不斷地改變形狀和大小，並且終生存在。

食管、腸隱窩、胃腺體和睪丸也有類似的情形。這些組織中隱藏著大量具有同等潛能的增殖性類幹細胞，每一個都擁有產生長生譜系細胞後代的固有能力。這些幹細胞不斷地進行擴增，競爭生態位空間；由機遇來決定哪一個細胞將長期存留，其餘則最終消失。然而，這些活性幹細胞卻不符合HSC的界定特性：它們量多（並非稀有），周期循環（並非靜止），且大多呈對稱性分裂（並非不對稱）；而且，它們的壽命並非預先設定，而是隨機決定。因此，儘管上述組織中明確地隱藏著組織更新的功能，卻分散在大量細胞群中。在單體細胞水平，存在著具有原型幹細胞特性的非罕見固有幹細胞。

靜止性

非增殖狀態在實驗上的定義就是具有保留化學DNA標記的能力，該定義廣泛用於界定幹細胞的特性。但是，我們體內的絕大多數細胞都是不發生細胞分裂的，這使得靜止成為一種不具差別化的參數。而且，細胞存在的唯一原因就是產生是子代細胞，若是極少發生分裂，那就顯得有點兒悖於常理。

當然，確實存在靜止幹細胞的範例。毛囊隆突部中首個被界定的幹細胞就是靜止的。此外，橫紋肌中也含有靜止的典型細胞——衛星細胞。我們知道，正常的肌纖維是大塊、長生的非增殖性合胞體，與之親密並存的卻是細小的（僅僅比細胞核稍大）非分裂細胞（即衛星細胞）。這種衛星細胞長年處於靜止狀態，僅在肌肉受損時才會產生行動。它們通過不對稱的細胞分裂進行自我更新，同時也產生子代——收縮性肌纖維。

在腸隱窩中，可持續性增殖的Lgr5幹細胞（圖1）處於基底部位，「儲備」的靜止幹細胞則居於腸隱窩基底順數+4位。有觀點認為，這類細胞佔據了層級的最高位，產生可增殖的Lgr5細胞。近來，遺傳跟蹤研究揭示了另一種替代機制：+4細胞代表了已出現細胞周期的子代，其目的是最終分化成分泌細胞。Lgr5幹細胞的突發缺失可誘導+4細胞定位於隱窩基底部位，使之重新獲取多能性Lgr5幹細胞表型。這些靜止的+4細胞具有獨特性——壽命短，這是由於它們將會發生分化和凋亡的緣故。但作為一個類別，這些可轉運的細胞扮演著儲備性幹細胞池的角色，違反幹細胞應當以單向層級流動的規則。

可塑性

+4分泌祖細胞可能會被認為能夠展現出某種可塑性。在其它組織中，已經觀察到類似的現象。因此，當基底部位的幹細胞池缺失時，氣道上皮的管腔分泌細胞也能轉化為多能性幹細胞狀態。此外，最終分化的、可產生胃蛋白酶的主細胞位於胃腺基底部位，也以一種緩慢的不易覺察的速度走上多能性幹細胞的命運之路，這個過程極大地加速了增殖性幹細胞池的缺失。在上述例子中，「靜止」細胞在對抗損傷的組織更新方面發揮了關鍵的作用。但是，在非幹擾狀態時，這類細胞會停止分裂，同時進行分化，這個過程的產生並非源於幹細胞的作用。

共存的幹細胞類型

成熟的毛囊是多種幹細胞寄居的大本營，每一種都有其獨佔的居所。在毛囊維護的過程中，這些幹細胞僅產生其特定位置所需要的特化細胞類型。但若是在受損情況下，它們就會展示出明顯的可塑性，產生表皮任一部分的細胞。有兩項關於哺乳動物幹細胞的經典研究採用了HSC原理。研究將單種哺乳動物上皮細胞移植到適合的位置——脂肪墊，識別出了那種稀少細胞，以其力量產生了完整的、具有功能的乳腺，其結構包括兩層：基底（或稱肌上皮）層，以及管腔層。儘管兩項研究都使用遺傳物質在活體內進行標記，並已證實這類多能幹細胞的存在，但另一項研究卻表明基底和管腔中的細胞系都各自通過相互獨立的幹細胞進行維護。而在前列腺幹細胞域中，也出現了類似的困惑情形：有報導稱多能幹細胞位於基底部位，也有報導稱它們其實在管腔層，簡直莫衷一是。而最近的研究表明，長期以來，基底部位和管腔的細胞系都是通過相互獨立的幹細胞進行維繫的。不過，有一點是明確的，上述觀察結果中無一與經典的幹細胞分層完全吻合。

分化細胞也有更新功能

肝臟是哺乳動物組織中的再生之王。在半肝切除術中，殘留肝的實質細胞在未進行去分化的情況下進入了分裂周期。數周之內，原肝臟的質量和功能都恢復了，所有的細胞都恢復到非增殖狀態。只有極少部分啟用了「自我更新」，以利用剩餘的肝細胞迅速取代經手術切除的肝實質細胞。於是，當毒性製劑（例如毒素或病毒）同時影響所有肝實質細胞的正常運轉時，另一種更為普通的替代性肝臟修復機制就被激活了。在肝臟整體受損的情況下，膽管網絡系統中的細胞轉為具有雙重效用的幹細胞狀態（「卵形細胞」），它能使肝實質細胞和膽細胞再生。目前為止，人們已努力識別出肝臟中的「專職」幹細胞——除分化外無其它功能的細胞，但是，正常肝臟中也有可能根本沒有這類幹細胞，只是完全依賴於兩種已分化細胞的增殖能力。同時，對於其它在健康狀態下極少顯示增殖活性的內臟器官——如胰臟和腎臟，類似的考慮也可能適用。

如何定義幹細胞功能？——「恐怕應該從尋找幹細胞的實體轉為尋找幹細胞的功能」

HSC原理的關鍵在於：血細胞數量的維持和再生是通過相互離散、數量稀少的實體物質——HSC單獨完成的。HSC理論的靚麗外表和內在成功簡直是勢不可擋。此後，關於其它組織的研究也幾乎是不可避免地將重點放在發現HSC等效物的課題中。不過，是否適合將HSC理論作為經典範例的爭論卻並未實質性地發生。這兒給出的例子提到了關於哺乳動物組織更新模型的最佳研究，但沒有一個能明確地與HSC理論相匹配。另外，還有一些值得注意的例外，比如肌肉衛星細胞或者隆突部幹細胞，而在大多數組織中，尚未尋找到稀有的固定型專用幹細胞。

如果有更為開放的方法，那麼恐怕人們需要將尋找作為實體存在的幹細胞轉為對幹細胞功能的尋找。這在操作上的定義是：某種器官能夠替代損失組織的能力。在有條件的情況下，應該開展的實驗應以下述問題作為切入點：關注在組織更新過程中出現增殖性活動的細胞群及其起源。或許，幹細胞的功能確實體現於某些組織中固定的專用幹細胞上，但也可能分散在範圍更廣闊的具有中性競爭力、未出現分化的細胞群中。其實，組織更新是可能在兼性幹細胞中完成的，讓機會去選擇那些定向細胞甚至是完全分化的細胞群。不過，組織也有可能會完全避免使用未分化的幹細胞，而讓分化的細胞直接進行增殖，從而取代喪失的組織。最後要說明的是，機體組織到底如何更新，這個問題可能並無一般規律，因為富有創意的進化力量是沒有止境的。（生物谷Bioon.com）

原文檢索：

Hans Clevers. (2015) What is an adult stem cell？. Nature， 350， 1319-1320.

文佳/編譯