干细胞与发育生物学的研究现状、热点与应用前景

沈 律

1 引  言

生命的诞生与发育是自然界中最神奇的过程之一，从一个单细胞的受精卵逐渐发育成一个复杂的多细胞有机体，其中蕴含着无数的奥秘。干细胞与发育生物学作为生命科学领域的重要研究方向，致力于揭示生命发育的机制以及干细胞在其中所扮演的关键角色。干细胞，作为一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞，为我们理解生命的发育过程提供了独特的视角。在个体发育的早期阶段，胚胎干细胞具有全能性，能够分化为身体内的任何一种细胞类型，从而构建起整个生物体的细胞谱系。随着个体的生长发育，成体干细胞则在维持组织和器官的稳态、修复损伤以及应对疾病等方面发挥着至关重要的作用。例如，造血干细胞能够不断产生各种血细胞，维持血液系统的正常功能；神经干细胞在神经系统的发育和修复中也具有潜在的应用价值。发育生物学则聚焦于研究多细胞生物从受精、胚胎发育、生长到衰老和死亡的整个生命过程中，生命现象发展的机制。它不仅关注个体发育过程中细胞的分化、组织和器官的形成，还涉及生物种群系统发生的机制。发育生物学的研究对于我们理解生命的本质、揭示遗传疾病的发病机制以及开发新的治疗方法具有重要的意义。干细胞与发育生物学的研究紧密相连，相互促进。干细胞为发育生物学的研究提供了理想的模型，通过对干细胞的研究，我们可以深入了解细胞分化、命运决定以及组织器官形成的分子机制。同时，发育生物学的研究成果也为干细胞的应用提供了理论基础，指导我们如何更好地利用干细胞进行疾病治疗和组织修复。这一领域的研究成果对于推动生命科学的发展具有深远的意义。在基础研究方面，它有助于我们深入理解生命的起源和进化，揭示遗传信息如何在发育过程中被精确调控，从而构建起完整的生命发育理论体系。在应用研究方面，干细胞与发育生物学的研究为再生医学、组织工程、药物研发等领域提供了新的技术和方法。例如，通过诱导干细胞分化为特定的细胞类型，我们有望实现对受损组织和器官的修复和再生，为治疗糖尿病、帕金森病、心脏病等疑难病症带来新的希望；在药物研发中，利用干细胞模型可以更准确地评估药物的疗效和毒性，加速新药的开发进程。本研究旨在全面深入地探讨干细胞与发育生物学的相关理论、技术以及应用前景，通过系统地梳理和分析该领域的研究成果，揭示干细胞在发育过程中的作用机制，以及发育生物学研究对干细胞应用的指导意义，为进一步推动干细胞与发育生物学的发展提供理论支持和实践参考。

2 干细胞与发育生物学基础理论 

2.1 干细胞概述

干细胞是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞，在个体发育和组织稳态维持中发挥着关键作用。自我更新是指干细胞能够通过细胞分裂产生与自身相同的子代细胞，从而维持干细胞群体的数量稳定。多向分化潜能则意味着干细胞在特定条件下可以分化为多种不同类型的功能细胞，如神经细胞、心肌细胞、肝细胞等，进而参与组织和器官的形成与修复。根据干细胞所处的发育阶段，可将其分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞来源于早期胚胎的内细胞团，具有全能性，能够分化为身体内的任何一种细胞类型，包括生殖细胞和各种体细胞 ，在胚胎发育过程中，胚胎干细胞是构建整个生物体的基础。成体干细胞则存在于成体组织和器官中，如骨髓、脂肪、皮肤等，其分化潜能相对受限，主要负责维持组织和器官的稳态，在组织损伤时可被激活并分化为相应的细胞类型，参与组织修复。按照干细胞的分化潜能，又可将其分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。全能干细胞具有最高的分化潜能，如受精卵，它能够发育成一个完整的个体，包括胚胎和胚外组织。多能干细胞具有分化为多种细胞类型的能力，但不能发育成完整的个体，胚胎干细胞就属于多能干细胞，它可以分化为外胚层、中胚层和内胚层的各种细胞。单能干细胞只能向一种或几种密切相关的细胞类型分化，如造血干细胞可分化为各种血细胞，包括红细胞、白细胞和血小板等。干细胞还具有一些独特的生物学特性。它们通常处于相对静止的状态，代谢活动较低，这有助于维持其干性和基因组的稳定性。干细胞对微环境信号非常敏感，周围细胞分泌的生长因子、细胞外基质以及细胞间的相互作用等因素，都能精确调控干细胞的自我更新和分化命运。例如，在骨髓微环境中，多种细胞因子和细胞外基质成分共同作用，调节造血干细胞的增殖、分化和自我更新，以维持正常的造血功能。

2.2 发育生物学概述

发育生物学是一门研究生物体从精子和卵子发生、受精、发育、生长到衰老、死亡规律的科学，它是生物科学重要的基础分支学科之一，与遗传学、细胞生物学、分子生物学等学科紧密相关。在精子和卵子发生阶段，研究聚焦于生殖细胞的形成过程，包括减数分裂、染色体的重组和分离，以及生殖细胞特有的基因表达调控机制。例如，精子发生过程中，精原细胞经过多次分裂和分化，最终形成具有运动能力和受精能力的精子，这一过程涉及到一系列基因的有序表达和调控。卵子发生则更为复杂，卵子不仅要积累大量的营养物质和母源 mRNA，还要建立独特的细胞质结构和信号通路，为受精后的早期胚胎发育奠定基础。受精过程是发育生物学研究的关键环节之一，它涉及精子和卵子的识别、融合，以及受精后合子基因组的激活。受精引发了一系列复杂的生物学事件，如卵母细胞的减数分裂完成、皮质反应的发生以阻止多精入卵，以及合子中母源和父源基因组的相互作用和重编程，这些过程对于胚胎的正常发育至关重要。胚胎发育阶段是发育生物学研究的核心内容，从受精卵开始，经过卵裂、囊胚形成、原肠胚形成等一系列复杂的过程，逐渐分化形成各种组织和器官原基。在卵裂过程中，受精卵通过快速的细胞分裂，形成多个细胞组成的胚胎，细胞数量不断增加，但总体积基本不变。囊胚形成时，胚胎内部出现囊胚腔，细胞开始分化为内细胞团和滋养层细胞，内细胞团将发育为胚胎本体，而滋养层细胞则参与胎盘的形成。原肠胚形成是胚胎发育的一个重要里程碑，此时胚胎细胞发生大规模的迁移和重排，形成三个胚层：外胚层、中胚层和内胚层，这三个胚层是后续各种组织和器官形成的基础。外胚层将发育为神经系统、皮肤表皮等；中胚层将发育为肌肉、骨骼、心血管系统等；内胚层将发育为消化系统、呼吸系统的上皮组织等。随着个体的生长，组织和器官不断发育成熟，其结构和功能逐渐完善。在这个过程中，细胞的增殖、分化和凋亡受到精确的调控，以保证组织和器官的正常形态和功能。例如，在骨骼发育过程中，成骨细胞和破骨细胞的活动相互协调，共同调节骨的生长和重塑，使骨骼能够适应身体的生长和力学需求。个体发育到一定阶段后，便开始逐渐走向衰老。衰老过程涉及细胞功能的衰退、组织和器官的萎缩以及生理机能的下降。发育生物学研究衰老的机制，包括细胞衰老的分子机制、端粒缩短与衰老的关系、氧化应激对衰老的影响等，旨在揭示衰老的本质，为延缓衰老和预防衰老相关疾病提供理论依据。发育生物学还研究生物种群系统发生的机制，从进化的角度探讨生物个体发育过程的演变和适应性变化，通过比较不同物种的发育过程，揭示发育机制的保守性和多样性，以及进化过程中发育程序的改变如何导致生物形态和功能的多样性。

2.3 干细胞在发育生物学中的作用机制

在胚胎发育的早期阶段，干细胞，尤其是胚胎干细胞，扮演着至关重要的角色。受精卵作为最初的全能干细胞，具有无限的分化潜能。在受精后的第一次细胞分裂后，形成的两个细胞仍然具有全能性，它们可以各自发育成一个完整的个体，这就是同卵双胞胎形成的原理。随着细胞分裂的继续进行，胚胎进入卵裂期，细胞数量迅速增加，但细胞体积逐渐变小，此时的细胞被称为卵裂球，它们依然保持着较高的分化潜能。当胚胎发育到囊胚阶段时，内部细胞团的细胞分化为多能的胚胎干细胞。这些胚胎干细胞具有分化为身体内各种细胞类型的能力，它们是构建整个生物体的基础。在囊胚进一步发育的过程中，胚胎干细胞开始受到各种信号通路的调控，逐渐分化为不同的胚层细胞，即外胚层、中胚层和内胚层细胞，这个过程被称为细胞命运决定。细胞命运决定是一个高度复杂且精确调控的过程，受到多种因素的影响。其中，信号通路在细胞命运决定中起着关键作用。例如，Wnt 信号通路在胚胎发育过程中参与了多个重要事件，包括细胞增殖、分化和组织器官形成。在胚胎干细胞向中胚层和内胚层分化的过程中，Wnt 信号通路的激活能够促进这一分化过程。当 Wnt 信号通路被激活时，细胞内的 β- 连环蛋白会积累并进入细胞核，与相关转录因子结合，调控一系列与中胚层和内胚层发育相关基因的表达，从而引导胚胎干细胞向相应的胚层分化。另一个重要的信号通路是 Notch 信号通路，它在细胞间的相互作用和分化过程中发挥着重要作用。Notch 信号通路通过细胞与细胞之间的直接接触来传递信号，调节细胞的增殖、分化和凋亡。在神经干细胞的分化过程中，Notch 信号通路可以抑制神经干细胞向神经元的分化，维持其干细胞状态。当 Notch 信号通路被抑制时，神经干细胞则会向神经元分化，参与神经系统的发育。转录因子也是调控干细胞分化和细胞命运决定的重要因素。转录因子是一类能够与 DNA 特定序列结合，从而调控基因转录的蛋白质。在胚胎干细胞中，存在着一些关键的转录因子，如 Oct4、Sox2 和 Nanog 等，它们对于维持胚胎干细胞的多能性至关重要。这些转录因子相互作用，形成一个复杂的调控网络，共同维持胚胎干细胞的未分化状态。当胚胎干细胞接收到分化信号时，这些转录因子的表达水平会发生变化，从而启动一系列与分化相关的基因表达程序，引导胚胎干细胞向特定的细胞类型分化。例如，当 Oct4 的表达水平下降时，胚胎干细胞会逐渐失去多能性，开始向其他细胞类型分化。

随着胚胎的进一步发育，各胚层细胞继续分化形成各种组织和器官原基。在这个过程中，成体干细胞也开始发挥作用。成体干细胞存在于成体的各种组织和器官中，它们具有自我更新和分化为所在组织特定细胞类型的能力，主要负责维持组织和器官的稳态，以及在组织损伤时进行修复。以造血系统为例，造血干细胞是存在于骨髓中的一种成体干细胞，它具有长期自我更新能力和分化成各类成熟血细胞的潜能。在正常生理状态下，造血干细胞通过自我更新维持自身数量的稳定，同时不断分化产生各种血细胞，包括红细胞、白细胞和血小板等，以满足机体对血细胞的需求。当机体受到损伤或疾病侵袭时，造血干细胞会被激活，加速增殖和分化，产生更多的血细胞，以应对机体的需求。造血干细胞的分化过程受到多种细胞因子和信号通路的调控，例如，促红细胞生成素（EPO）可以促进造血干细胞向红细胞方向分化，而粒细胞集落刺激因子（G-CSF）则可以促进造血干细胞向粒细胞方向分化。在神经系统中，神经干细胞存在于大脑的特定区域，如脑室下区和海马齿状回等。神经干细胞可以分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等，参与神经系统的发育和修复。在神经发育过程中，神经干细胞的分化受到多种因素的调控，包括细胞外基质、生长因子和转录因子等。例如，脑源性神经营养因子（BDNF）可以促进神经干细胞向神经元分化，而转化生长因子 β（TGF-β）则可以促进神经干细胞向星形胶质细胞分化。干细胞在发育生物学中通过自我更新和多向分化潜能，在胚胎发育的各个阶段发挥着关键作用，从构建生物体的基本结构到维持组织和器官的稳态与修复，干细胞的行为受到多种信号通路、转录因子和微环境因素的精确调控，这些调控机制的异常往往会导致发育异常和疾病的发生。

3 干细胞与发育生物学研究现状 

3.1 全球干细胞研究现状 

近年来，全球干细胞研究热度持续攀升，受到了科学界、医学界以及产业界的广泛关注。从科学研究关注度来看，通过在百世登网站上搜索 “stem cell” 关键词，得到 569 篇相关期刊文献。从时间分布上看，2013 - 2015 年、2018 - 2021 年和当下 2024 年干细胞相关论文见刊较多（从研究到发刊一般为 1 - 3 年时间），当前干细胞研究论文数量再次上涨，表明科学研究关注度再次升高。这一趋势反映出干细胞研究在生命科学领域的重要性日益凸显，不断吸引着科研人员投入到相关研究中 。在全球干细胞研究竞争格局中，美国占据着绝对领先的地位。根据全球最大临床试验注册平台 —— 美国国立卫生研究院管理的临床研究登记系统（Clinicaltrials.gov）统计数据，截至 2024 年，全球登记的干细胞临床研究项目共计 13023 项。其中，美国在干细胞临床研究方面处于主导地位，其登记的项目数量众多，研究领域广泛，涵盖了血液病、肿瘤、神经系统疾病、心脏疾病、免疫系统疾病等多个领域。美国在干细胞研究方面的领先优势得益于其强大的科研实力、充足的资金投入以及完善的科研基础设施。美国拥有世界一流的科研机构和高校，如哈佛大学、斯坦福大学、麻省理工学院等，这些机构汇聚了大量优秀的科研人才，为干细胞研究提供了坚实的智力支持。同时，美国政府和企业对干细胞研究的资金投入也非常可观，为研究项目的开展提供了充足的资金保障 。中国在全球干细胞研究领域也占据着重要地位，位列第二。中国在干细胞基础研究和临床应用方面取得了显著进展，拥有超过三万项专利。中国政府高度重视干细胞研究，出台了一系列政策支持干细胞领域的科研创新和产业发展，加大了对干细胞研究的资金投入，建设了一批高水平的干细胞研究平台和产业基地。中国的科研人员在干细胞多能性调控、干细胞定向分化、干细胞治疗技术等方面取得了一系列重要成果。例如，中国科学家在诱导多能干细胞（iPS 细胞）研究领域取得了重要突破，建立了高效的 iPS 细胞诱导技术体系，为干细胞治疗提供了新的细胞来源；在干细胞治疗肝病、心血管疾病、神经系统疾病等方面也开展了大量的临床研究，并取得了一定的疗效 。除了美国和中国，日本、韩国和德国等国家在干细胞研究领域也表现出色，分列三到五位。日本在干细胞基础研究和临床应用方面具有较高的水平，尤其在诱导多能干细胞技术和再生医学领域取得了多项重要成果；韩国在干细胞治疗技术和产品研发方面发展迅速，拥有一批具有国际竞争力的干细胞企业；德国在干细胞研究的基础理论和技术创新方面具有深厚的积累，在神经干细胞治疗神经系统疾病等方面开展了深入的研究 。全球干细胞研究呈现出美国、中国等国家领先，其他国家和地区共同发展的格局。各国在干细胞研究领域的竞争与合作，将进一步推动干细胞技术的创新和发展，为解决人类健康问题带来更多的希望。

3.2 发育生物学研究进展 

近年来，发育生物学在多个领域取得了显著的进展，为我们深入理解生命的发育过程提供了新的视角和理论基础。以中国科学院遗传与发育生物学研究所的成果为例，在植物发育生物学领域，取得了一系列重要突破。在植物激素调控方面，研究揭示了植物激素对植物生长发育的精细调控机制。植物激素茉莉酸（JA）通过核心转录因子 MYC2 介导的转录重编程调控植物免疫和适应性生长。李传友团队发现了转录共抑制子蛋白 TPL 通过乙酰化修饰对茉莉酸信号通路动态调控的分子机制，对现有茉莉酸信号转导模型进行了修正和补充，该研究为研究植物中非组蛋白乙酰化修饰的功能和调控机制提供了范例。植物激素脱落酸（ABA）对植物在干旱和盐碱等各种逆境条件下生存起着非常关键的作用。谢旗团队阐明了去泛素化酶 UBP12 和 UBP13 在 ABA 信号接受调控中的全新机制，该研究首次揭示了植物中也存在 E3 泛素连接酶和去泛素化酶之间的相互作用关系，证明了这种机制在动植物中的保守性 。在植物细胞生长和分化方面，也有重要发现。细胞分裂和分化协同调控植物器官的生长。周奕华研究组应用多学科手段揭示了水稻细胞生长协同调控因子 KNAT7 调控细胞扩展和细胞壁加固的分子机制。KNAT7 与细胞壁合成的主控转录因子 NAC31 直接相互作用而抑制其下游纤维素合酶基因表达，并与生长调控因子 GRF4 互作，抑制其下游扩张基因 Expansin 等的表达。KNAT7 因此成为协同改良水稻植株机械支撑力和产量的重要基因资源 。在植物生殖发育方面，减数分裂是有性生殖生物配子产生和世代交替的核心事件。程祝宽团队在水稻中鉴定到一个新的减数分裂起始调控基因 ETFβ，发现其通过参与支链氨基酸的代谢，促进体内氮素再利用，为花器官的营养需求提供保障。研究结果首次揭示了氮营养与植物减数分裂起始的重要联系，为解析植物如何在贫瘠的土壤环境中维持必要的育性提供了理论支撑。杨维才团队发现拟南芥三个单价阳离子 / 质子反向转运蛋白 CHX17、CHX18 和 CHX19 介导一种细胞自主的渗透调节机制来维持精细胞的形状和完整性，揭示了开花植物的精细胞自主渗透调节的分子机制及其对双受精的重要性 。在动物发育生物学领域，也取得了诸多重要成果。例如，在胚胎发育图式建立的时空调控规律研究中，杜茁研究组取得了新进展。生命体的构建始于胚胎发育，其调控高度动态复杂。发育图式如何建立，即受精卵产生的各个细胞如何获得特定命运，并建成形态功能完备的组织器官，是胚胎发育的核心问题。该研究组聚焦发育调控关键基因 —— 转录因子，构建了数百个可指示蛋白动态表达的荧光报告品系，综合活体成像、细胞鉴定、实时谱系追踪、单细胞荧光定量分析，在原位、4D、单细胞水平解析了转录因子在各个细胞的蛋白动态表达。研究发现转录因子在四个层级，谱系来源、体轴定位、细胞类型、发育时间，通过时间和空间上的部分重叠和交错组合，逐步赋予不同细胞各异的调控状态，初步揭示了错综复杂的命运图式逐级建立过程的调控逻辑 。发育生物学在植物和动物等领域的研究进展，不仅加深了我们对生命发育机制的理解，也为农业生产、生物医学等领域的发展提供了重要的理论支持和技术手段，具有广阔的应用前景。

3.3 干细胞与发育生物学交叉研究情况

干细胞与发育生物学的交叉研究近年来取得了显著进展，为揭示生命发育的奥秘以及解决人类健康问题提供了新的思路和方法。这两个领域的紧密结合，使得我们能够从细胞和分子层面深入理解生物体的发育过程，以及干细胞在其中所发挥的关键作用。在再生医学领域，干细胞与发育生物学的交叉研究成果尤为突出。干细胞具有自我更新和多向分化的潜能，这使得它们成为再生医学中修复受损组织和器官的理想细胞来源。通过模拟发育过程中的信号通路和微环境，研究人员能够诱导干细胞定向分化为特定的细胞类型，如心肌细胞、神经细胞、肝细胞等，用于治疗各种疾病。例如，在心脏病治疗中，研究人员尝试将干细胞分化为心肌细胞，移植到受损的心脏组织中，以促进心肌再生和心脏功能的恢复。临床前研究和部分临床试验结果显示，干细胞治疗能够改善心肌梗死后的心脏功能，减少心肌纤维化，提高患者的生活质量 。在神经科学领域，干细胞与发育生物学的交叉研究为神经系统疾病的治疗带来了新的希望。神经干细胞是一类具有自我更新和分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞能力的干细胞。通过研究神经干细胞在发育过程中的分化机制和调控因素，研究人员能够更好地理解神经系统的发育和疾病发生机制，并开发出有效的治疗方法。例如，在帕金森病的治疗中，研究人员尝试将诱导多能干细胞分化为多巴胺能神经元，移植到患者的大脑中，以补充缺失的多巴胺能神经元，改善患者的症状。目前，相关的临床试验正在进行中，初步结果显示出一定的治疗效果 。在组织工程领域，干细胞与发育生物学的交叉研究为构建功能性组织和器官提供了技术支持。组织工程旨在利用生物材料、细胞和生物活性分子构建人工组织和器官，以替代受损或功能丧失的组织和器官。干细胞作为组织工程的重要细胞来源，能够在合适的生物材料和信号分子的诱导下，分化为特定的细胞类型，并形成具有功能的组织。例如，在骨组织工程中，研究人员将间充质干细胞与生物可降解支架材料相结合，构建出具有骨组织特性的工程化骨组织，用于修复骨缺损。动物实验和临床研究表明，这种工程化骨组织能够促进骨缺损的修复和再生，具有良好的应用前景 。干细胞与发育生物学的交叉研究也面临着一些挑战。例如，干细胞的分化调控机制仍然不完全清楚，如何精确地诱导干细胞分化为特定的细胞类型，以及如何保证分化后的细胞具有正常的功能和稳定性，仍然是需要解决的问题。此外，干细胞治疗的安全性和有效性也需要进一步的研究和验证，包括干细胞移植后的免疫排斥反应、肿瘤形成风险等问题。干细胞与发育生物学的交叉研究在再生医学、神经科学、组织工程等领域取得了一系列重要成果，为解决人类健康问题提供了新的策略和方法。尽管面临一些挑战，但随着研究的不断深入和技术的不断进步，相信这一领域将为人类健康带来更多的福祉。

4 干细胞与发育生物学研究热点 

4.1 体外诱导原始生殖细胞的新方法和机制 

在干细胞与发育生物学的研究中，体外诱导原始生殖细胞（PGC）的新方法和机制一直是备受关注的热点领域。原始生殖细胞作为精子和卵子的前体细胞，对于生殖发育过程至关重要。深入探究体外诱导 PGC 的新方法和机制，不仅有助于我们从分子和细胞层面深入理解生殖细胞的发育过程，还能为治疗生殖系统疾病、开发新型生殖技术以及保护濒危物种的生殖健康提供坚实的理论基础和创新的技术手段。以中国科学院广州生物医药与健康研究院刘晶课题组的研究成果为例，他们在这一领域取得了重要突破。2022 年 5 月 19 日，刘晶课题组在Nature Communications在线发表了题为 “BMP4 drives primed to naïve transition through PGC-like state” 的研究论文。该研究发现 BMP4 驱动的干细胞始发态 - 原始态转变（Primed-Naïve Transition, PNT）经历了原始生殖细胞样中间态（PGC-like state，PGCLC），并揭示了 Primed 干细胞转变为 PGCLC 细胞的表观遗传障碍，成功建立了体外产生原始生殖细胞的新方法。在小鼠等哺乳动物中，多能干细胞存在两种稳定状态：原始态（naïve）和始发态（Primed），分别代表着胚胎着床前后的发育状态。其中 naïve 态多能干细胞具有形成生殖系细胞的能力。由于可在体外对胚胎着床前后状态进行模拟，多能干细胞的 PNT 转换研究一直是干细胞及发育生物学研究领域的热点。刘晶课题组前期建立了 BMP4 驱动的高效 PNT 转变体系（BMP4 induced PNT，BiPNT；Nature Cell Biology,2020），但该过程具体的细胞命运变化轨迹和调控机制仍不清楚。在本研究中，研究人员利用单细胞转录组测序技术（scRNA-seq），深入解析了 BMP4 介导的 PNT 过程细胞命运转变精细轨迹。结果表明，BiPNT 过程存在两个主要的细胞命运分支：naïve 多能性分支和表达滋养层相关基因的 trophoblast-like 分支。通过对 naïve 多能性分支进行深入分析，研究人员意外发现，在 naïve 多能性分支早期，原始生殖细胞（primordial germ cell，PGC）的主要分子标记物，如 Prdm1、Prdm14、Tfap2c、Nanos3 等大量富集。借助 PGC 报告细胞系（BV+SC+，分别指示 PRDM1 与 DPPA3）、细胞分选等活细胞分析技术，研究人员将 Primed 态细胞诱导产生的 BV+SC + 细胞移植到雄性生殖缺陷小鼠睾丸中，发现这些移植的细胞可以发育为精子。因此，本研究成功建立了在体外从 Primed 态多能干细胞高效获取原始生殖细胞的方法。传统观点认为，体外培养的 Primed 态多能干细胞（EpiSC）对应于小鼠 6.5 天早期胚胎，已丧失 PGC 特化能力。在 BiPNT 体系中，PGC-like 细胞的产生，提示该过程克服了 Primed 态向 PGC-like 细胞转变的表观遗传障碍。针对这一现象，研究人员进一步证实 BiPNT 诱导过程中 DOT1L 抑制剂的使用是促使 EpiSC 产生 PGC-like 的关键因素。后续通过 RNA-seq、ATAC-seq 和 ChIP-seq 实验，研究人员最终证明 DOT1L 抑制剂通过调节谱系调控因子如 Gata3 和 Gata6 位点 H3K79me2 修饰状态及基因表达，进而抑制滋养外胚层细胞命运，促进原始生殖细胞命运。该研究发现了小鼠 PNT 转变新型中间态，建立了 Primed 态干细胞高效转变为 PGCLC 细胞的方法，揭示了 Primed 态干细胞转变为 PGCLC 细胞的表观遗传障碍，为 PGC 形成与特化的机制和功能研究提供了极好的体外研究模型。这一成果不仅在基础研究领域具有重要意义，也为未来生殖医学的发展带来了新的希望，可能为不孕不育症的治疗提供新的策略和方法。

4.2 全能性干细胞系的获取与研究 

全能性干细胞系的获取与研究是干细胞与发育生物学领域的核心热点之一，对于深入理解生命发育的初始阶段以及开拓再生医学的新方向具有不可估量的价值。全能性干细胞具备分化为生物体所有细胞类型的能力，包括胚胎组织和胚外组织，在胚胎发育的起始阶段，全能性干细胞是构建整个生物体的基础。对全能性干细胞系的深入研究，不仅有助于我们揭示生命起源和早期发育的奥秘，还为治疗多种难治性疾病、开展组织和器官再生治疗提供了新的细胞来源和治疗策略。以南开大学帅领课题组的研究成果为例，他们在全能性干细胞系的获取与研究方面取得了令人瞩目的进展。2023 年 12 月 20 日，帅领课题组在Science Advances在线发表了题为 “Haploid-genetic screening of trophectoderm specification identifies Dyrk1a as a repressor of totipotent-like status” 的研究论文。该研究利用单倍体胚胎干细胞这一理想的遗传学筛选工具，结合 PiggyBac 转座子体系筛选发现 Dyrk1a 和 Catip 的敲除可以实现小鼠胚胎干细胞（ESCs）向滋养层干细胞（TSCs）的命运转变。通过后续的嵌合实验、荧光报告系统等实验，进一步发现 Dyrk1a 在调控小鼠 ESCs 转变为类全能性干细胞这一过程中的重要作用。在小鼠胚胎发育过程中，从受精卵发育到 4 - 细胞到 8 - 细胞时期，会出现第一次命运决定，相同的卵裂球会分化为两类完全不同的谱系，一部分形成内细胞团（进一步会发育为胎儿和卵黄囊），另一部分形成滋养层（进一步发育为胎盘）。对于小鼠而言，自然情况下内细胞团和滋养层谱系并不能够相互转变，其内在的限制机制尚不明确。内细胞团来源的胚胎干细胞（ESCs）和滋养层来源的滋养层干细胞（TSCs），因其在多种属性保留了来源细胞的特征，自然成为了在体外研究二者之间相互转变的理想工具细胞。帅领课题组以小鼠单倍体 ESCs 为抓手，结合全基因组高通量突变，筛选能够调控 ESCs 往 TSCs 转变的关键基因。从大量的备选基因中挑选突变频次排名前两名的 Dyrk1a 和 Catip 进行敲除验证，均可高效地实现小鼠 ESCs 至 TSCs 的转变。由于全能性的细胞只存在于早期发育的胚胎中，并不存在稳定的全能性细胞系，如何获得全能性的干细胞系一直是发育生物学和细胞生物学领域的研究热点。该研究将 Dyrk1a -KO ESCs 和近年报道的几株具备全能性功能的细胞系进行聚类分析，发现该细胞系在转录组水平上和北京大学杜鹏课题组的 TBLCs（Shen et al, Cell,2021）非常相似，而和清华大学丁胜课题组的 ciTotiSCs (Hu et al, Nature, 2022) 和中山大学王继厂课题组的 TLSCs（Yang et al, Cell Stem Cell, 2022）相距较远。最后，帅领课题组对获得的 Dyrk1a -KO ESCs 进行嵌合体和类囊胚等功能验证，证明该细胞系不仅能够在体内发育中贡献到胎儿、胎盘和卵黄囊全谱系，还能够在体外高效形成与受精卵囊胚极其相似的自组装胚胎，表明 Dyrk1a 的敲除确实激活了一种类似于全能性的状态。该研究不仅揭示大量调控小鼠 ESCs 往 TSCs 转变的关键基因，还为全能性的获得提供了新的思路，推动了发育生物学等领域的发展。

4.3 干细胞在疾病治疗中的应用研究 

干细胞在疾病治疗中的应用研究是干细胞与发育生物学领域的重要研究热点，具有广阔的临床应用前景和巨大的医学价值。干细胞凭借其独特的自我更新和多向分化潜能，以及免疫调节等特性，为多种难治性疾病的治疗带来了新的希望和策略。在糖尿病治疗领域，干细胞展现出了显著的治疗潜力。糖尿病是一种常见的慢性代谢性疾病，其主要特征是胰岛素分泌不足或胰岛素作用缺陷，导致血糖水平升高。传统的糖尿病治疗方法主要包括饮食控制、运动疗法、药物治疗和胰岛素注射等，但这些方法往往只能控制症状，无法从根本上治愈糖尿病。干细胞治疗糖尿病的基本原理是通过引入健康的干细胞，修复或替代受损的胰岛 β 细胞，恢复胰岛素的分泌功能。干细胞可以分化成各种细胞类型，包括胰岛 β 细胞，这些细胞能够有效地调节血糖水平。此外，干细胞还具有免疫调节和细胞保护作用，能够调节免疫系统，减缓免疫系统对胰岛 β 细胞的攻击，并释放有助于保护胰岛 β 细胞的生长因子和抗氧化物质。近年来，干细胞治疗糖尿病的研究取得了一系列重要进展。例如，Vertex Pharmaceuticals 公司开发的干细胞疗法 VX-880 是一种用于治疗 1 型糖尿病的同种异体干细胞，可分化成胰岛细胞，通过肝门静脉输注后可定居于肝脏，并分泌胰岛素，从而补充 1 型糖尿病患者胰岛素绝对缺乏的情况。近日，该公司宣布了干细胞疗法 VX-880 的 1/2 期临床试验的新数据：在接受单次全剂量 VX-880 输注后的 90 天内，所有 1 型糖尿病（T1D）患者都显示出胰岛细胞移植成功，并且能够生成对葡萄糖有反应的胰岛素。在最后一次随访中，12 名患者中有 11 名减少或不再使用外源性胰岛素。我国医疗团队利用来源于干细胞的自体再生胰岛组织成功治愈了一例胰岛功能严重受损的 2 型糖尿病患者。该患者有 25 年的 2 型糖尿病病史，并发展为终末期糖尿病肾病（尿毒症），2017 年 6 月出现终末期糖尿病肾病并接受肾移植。移植术后第 11 周起完全脱离外源胰岛素，并且随着口服降糖药的逐步减量，在第 48 周和 56 周实现彻底撤药。这一结果证实了自体内胚层干细胞（EnSCs）衍生的胰岛组织（E-islets）在维持血糖控制方面的效果，并减少了患者对药物治疗的依赖。在神经系统疾病治疗方面，干细胞也为患者带来了新的曙光。神经系统疾病如帕金森病、阿尔茨海默病、脊髓损伤等，由于其复杂的病理机制和有限的自我修复能力，一直是医学领域的难题。干细胞治疗神经系统疾病的机制主要包括以下几个方面：首先，干细胞可以通过分化为神经元、胶质细胞等细胞类型，替代受损神经元，恢复神经功能；其次，干细胞可以分泌神经营养因子，促进神经元的存活和生长；再次，干细胞具有免疫调节作用，可以减轻炎症反应，保护受损神经元；最后，干细胞还可以通过调节细胞外基质成分，改善神经组织的微环境，促进神经再生。多项临床研究表明，干细胞治疗在神经系统疾病中具有积极的疗效。例如，在帕金森病的治疗中，研究人员尝试将诱导多能干细胞分化为多巴胺能神经元，移植到患者的大脑中，以补充缺失的多巴胺能神经元，改善患者的症状。目前，相关的临床试验正在进行中，初步结果显示出一定的治疗效果。在脊髓损伤的治疗中，干细胞移植可以促进神经再生，提高患者的运动功能。一项针对脊髓损伤患者的干细胞移植临床试验结果表明，干细胞移植可以促进神经再生，改善患者的运动功能和生活质量。干细胞在疾病治疗中的应用研究虽然取得了一定的进展，但仍面临着一些挑战，如干细胞的来源、分化调控、免疫排斥反应、肿瘤形成风险等问题。未来，需要进一步深入研究干细胞的生物学特性和作用机制，优化干细胞治疗方案，加强临床研究和监管，以推动干细胞治疗技术的不断发展和完善，为更多患者带来健康和希望。

5 干细胞与发育生物学研究面临的挑战与解决方案 

5.1 技术难题

在干细胞与发育生物学研究中，技术难题是制约该领域进一步发展的重要因素之一。诱导多能干细胞（iPSCs）作为干细胞研究的重要方向，虽然具有广阔的应用前景，但在技术层面仍面临诸多挑战。其中，iPSCs 的遗传稳定性问题备受关注。有研究表明，iPSCs 在重编程过程中及后续培养过程中，容易出现染色体异常和基因突变的情况。这是因为 iPSCs 的制备需要对体细胞进行重编程，而这一过程涉及到多个基因的表达调控和表观遗传修饰的改变，这些复杂的生物学过程增加了遗传变异的风险。在小鼠 iPSCs 的研究中发现，随着传代次数的增加，染色体数目和结构异常的发生率明显升高，这不仅影响了 iPSCs 的多向分化能力，也对其在临床应用中的安全性提出了严峻挑战 。单细胞组学技术在干细胞与发育生物学研究中具有重要的应用价值，能够帮助我们深入了解干细胞的分化机制和发育过程中的细胞命运决定。然而，单细胞组学检测面临着诸多困难。单细胞数据的获取难度较大，需要先进的实验技术和设备。在植物单细胞研究中，由于植物细胞具有细胞壁，且茎尖分生组织体积小、细胞解离难度大，导致获取高质量的植物单细胞悬液存在巨大的技术挑战，这使得植物原生质体化获取单细胞成为植物单细胞组学研究的瓶颈之一 。单细胞数据的分析也面临着诸多难题。单细胞数据具有高度的异质性和复杂性，存在大量的零值，这些零值可能代表基因未表达、表达水平低未被检测到，或是技术问题导致的未捕获。目前还没有建立一个统一的金标准来指导在不同情况下应使用哪种标准化方法，传统的基于计数的标准化方法（如 CPM）可能会抹去由 UMIs（Unique Molecular Identifiers）提供的重要数据，并且不考虑基因间对细胞资源的竞争。此外，单细胞数据分析通常遵循一个层次化的顺序工作流程，从批次校正到标准化、数据插补和特征选择，这些步骤可能会将前一步的偏差带入到下一步，从而累积起来，最终减弱检测差异表达基因的能力 。

为了解决这些技术难题，科研人员正在积极探索新的方法和技术。针对 iPSCs 的遗传稳定性问题，研究人员尝试优化重编程方法，减少重编程过程中对基因组的损伤。通过筛选和优化重编程因子，以及改进培养条件和培养基配方，有望提高 iPSCs 的遗传稳定性。此外，利用基因编辑技术对 iPSCs 进行基因修复和修饰，也可能是解决遗传稳定性问题的有效途径 。在单细胞组学检测方面，不断有新的技术和方法涌现。开发更加高效的单细胞分离和捕获技术，如基于微流控芯片的单细胞分选技术，可以提高单细胞数据的获取效率和质量。在数据分析方面，研究人员正在开发新的算法和统计模型，以更好地处理单细胞数据的异质性和复杂性。例如，直接在原始 UMI 计数上应用广义线性混合模型（GLMM），这种方法可以在执行批次校正、标准化、插补或特征选择之前，就对原始数据进行差异表达分析，能够保留样本特定的结构和生物信号，并可以调整任何潜在的混杂因素，如批次、年龄、性别或种族，通过将它们作为固定效应的协变量纳入模型中，从而提高单细胞转录组差异分析的准确性和可靠性 。

5.2 伦理争议

干细胞与发育生物学研究中的伦理争议是一个不容忽视的重要问题，它涉及到人类生命、道德、伦理等多个层面，对该领域的研究和发展产生了深远的影响。胚胎干细胞研究是伦理争议的焦点之一。胚胎干细胞具有全能性，能够分化为人体的各种细胞类型，在再生医学和疾病治疗方面具有巨大的潜力。获取胚胎干细胞需要破坏胚胎，这引发了关于胚胎权利和道义问题的激烈争论。一些观点认为，胚胎具有生命的潜能，从受精的那一刻起就应该被视为生命，具有与人类同等的道德地位，因此提取干细胞的行为违背了道德原则，是对生命的不尊重。另一些观点则认为，胚胎在发育早期，尤其是在囊胚阶段之前，尚未获得意识和自我意识，在道德上不应等同于人类个体，为了医学研究和治疗的目的，在严格的伦理规范和监管下，可以合理地使用胚胎干细胞。在功利主义的视角下，支持者认为胚胎干细胞研究潜在的医疗益处，如拯救生命和减少痛苦，远远大于对胚胎的伦理影响，能够为人类健康带来巨大的福祉；而反对者则强调，即使研究具有更大的善，也不能以伤害胚胎为代价，因为这涉及到基本的道德底线。干细胞在生殖领域的应用也引发了广泛的伦理担忧。利用干细胞技术诱导生成人造精子和卵子，为不育夫妇或同性伴侣孕育后代提供了新的可能性，但这也带来了一系列复杂的伦理问题。体外有效诱导卵母细胞或精子需要人类胎儿的卵巢或睾丸组织，当胎儿组织来自选择性堕胎样本时，一些人会认为这些生殖细胞的获取是以别人的生命为代价，存在道德争议。包含源于克隆人类胚胎干细胞的生殖细胞的辅助生殖技术，除了涉及人类胚胎的破坏外，建立克隆人类胚胎干细胞还需要通过药物和激素注射来获取卵母细胞，该过程可能对健康卵子捐赠者造成潜在的危害，如卵巢过度刺激综合征等。

诱导人类生殖细胞技术还可能引发社会伦理问题。这一技术可能改变人类自然的生殖方式和遗传多样性，对人类的遗传结构和进化产生深远的影响。此外，还可能引发关于亲子关系、家庭伦理等方面的争议，例如，人造生殖细胞孕育的孩子的生物学父母和法律父母的界定问题，以及如何保障这些孩子的权益等。为了应对这些伦理争议，需要建立健全的伦理审查机制和监管体系。各国和国际组织纷纷制定相关的伦理准则和法律法规，以规范干细胞与发育生物学研究。国际干细胞研究学会（ISSCR）发布了《干细胞研究和临床转化指南》，对胚胎干细胞研究、干细胞治疗和生殖领域的应用等方面提出了详细的伦理要求和规范。各国也根据自身的文化、宗教和社会背景，制定了相应的法律法规，如英国允许在严格监管下进行一定程度的胚胎干细胞研究，而一些国家则对胚胎干细胞研究进行了严格的限制。加强公众教育和参与也是解决伦理争议的重要途径。通过开展科普宣传活动，提高公众对干细胞与发育生物学研究的认识和理解，让公众参与到伦理讨论中来，充分听取各方的意见和建议，有助于制定更加合理和符合社会伦理的政策和规范，促进该领域的健康、可持续发展。

5.3 监管困境 

干细胞疗法作为一种新兴的治疗手段，在为患者带来新希望的同时，也面临着严峻的监管困境。监管标准的不统一是当前干细胞疗法监管面临的主要问题之一。不同国家和地区对干细胞疗法的监管标准存在差异，这导致了在全球范围内，干细胞疗法的研发、审批和应用缺乏一致性和协调性。在一些国家，干细胞疗法被视为药品进行监管，需要遵循严格的药品审批程序，包括临床试验、安全性和有效性评估等；而在另一些国家，干细胞疗法可能被归类为医疗技术，其监管要求相对宽松，审批流程也较为简单 。这种监管标准的不统一，使得干细胞疗法在国际间的交流与合作受到阻碍，也给一些不法机构提供了可乘之机。一些机构可能会利用不同地区监管标准的差异，在监管宽松的地区开展未经严格审批的干细胞治疗业务，然后通过网络等渠道向全球推广，这不仅严重威胁了患者的健康和安全，也损害了干细胞疗法的声誉和发展前景 。干细胞疗法的审批流程复杂也是制约其发展的重要因素。干细胞疗法涉及到细胞生物学、医学、伦理学等多个领域，其安全性和有效性评估需要综合考虑多种因素，这使得审批流程相对复杂。干细胞疗法的临床试验设计和实施面临诸多挑战，由于干细胞的特性和作用机制尚未完全明确，如何设计合理的临床试验方案，选择合适的对照和评价指标，以及如何确保试验的科学性和可靠性，都是需要解决的问题。审批过程中的伦理审查也至关重要。由于干细胞疗法可能涉及到胚胎干细胞、生殖细胞等敏感领域，伦理审查的严格程度和公正性直接影响到审批的结果。伦理审查过程中需要平衡科学研究的需求和伦理道德的考量，确保干细胞疗法的应用符合社会伦理规范。为了解决这些监管困境，国际社会需要加强合作，推动建立统一的干细胞疗法监管标准。各国应积极参与国际交流与合作，借鉴其他国家的先进经验和做法，结合自身实际情况，制定科学合理、符合国际趋势的监管标准。国际组织可以发挥协调和指导作用，促进各国之间的信息共享和经验交流，推动全球干细胞疗法监管标准的统一和协调。优化审批流程也是提高干细胞疗法监管效率的关键。政府部门和监管机构应加强沟通与协作，建立跨部门的联合审批机制，简化审批程序，提高审批效率。同时，应加强对审批人员的培训，提高其专业素质和业务能力，确保审批过程的科学性和公正性。加强对干细胞疗法的监管力度，严厉打击非法干细胞治疗行为。建立健全的监管体系，加强对干细胞治疗机构的日常监督和检查，对违规行为进行严肃处理，维护市场秩序和患者权益。加强对干细胞疗法的宣传和教育，提高公众对干细胞疗法的认识和辨别能力，避免受到非法机构的误导和欺骗。

6 结 论 

本研究深入探讨了干细胞与发育生物学的基础理论、研究现状、热点问题以及面临的挑战与解决方案。干细胞作为一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞，在发育生物学中扮演着关键角色，从胚胎发育的起始阶段到成体组织的稳态维持与修复，干细胞的行为受到多种信号通路、转录因子和微环境因素的精确调控。全球干细胞研究热度持续攀升，美国、中国等国家在该领域处于领先地位，研究涵盖了干细胞的基础特性、分化机制以及在疾病治疗中的应用等多个方面。发育生物学在植物和动物领域也取得了显著进展，揭示了激素调控、细胞生长分化以及生殖发育等过程中的重要机制。干细胞与发育生物学的交叉研究在再生医学、神经科学、组织工程等领域取得了一系列重要成果，为解决人类健康问题提供了新的策略和方法。体外诱导原始生殖细胞的新方法和机制研究，为生殖医学的发展带来了新的希望；全能性干细胞系的获取与研究，有助于我们深入理解生命发育的初始阶段；干细胞在疾病治疗中的应用研究，展现出了广阔的临床应用前景。然而，该领域的研究也面临着诸多挑战，如技术难题，包括 iPSCs 的遗传稳定性问题以及单细胞组学检测的困难；伦理争议，涉及胚胎干细胞研究和干细胞在生殖领域应用的伦理问题；监管困境，表现为干细胞疗法监管标准的不统一和审批流程的复杂。

未来，干细胞与发育生物学领域有望在技术突破方面取得重要进展。在干细胞培养与扩增技术方面，无血清培养体系将逐渐成为主流，减少动物源性成分的使用，提高培养的干细胞的产品稳定性和安全性；微载体与生物反应器技术的发展将实现干细胞的工业化生产，满足临床申报需求和生产需求 。基因编辑与干细胞工程技术将更加精准和安全，CRISPR 技术的不断优化将减少脱靶效应，实现更精准的基因修饰；基因回路与合成生物学的发展将使干细胞能够自主响应特定信号并执行功能，构建 “智能干细胞”，用于动态调控组织修复和疾病治疗 。3D 生物打印与组织工程技术将实现功能性迷你器官（如肝脏、肾脏）的构建，用于移植和药物筛选；血管化技术的突破将使打印的组织具备血管网络，实现营养供应和废物排出，推动 3D 打印组织进入临床试验 。类器官与疾病模型领域，类器官将成为疾病建模和药物开发的标准化工具，优化培养条件将提高其复杂性和功能性，开发高通量类器官培养平台将用于大规模药物筛选；多器官芯片系统的开发将模拟人体内多个器官的相互作用，结合干细胞技术构建更接近人体生理状态的模型，广泛应用于药物开发和毒性测试 。在应用前景方面，干细胞治疗在医疗领域将取得更大的突破，为更多难治性疾病提供有效的治疗方案。在糖尿病治疗中，干细胞有望实现胰岛 β 细胞的完全再生，使患者摆脱对胰岛素注射的依赖；在神经系统疾病治疗中，干细胞移植将更有效地促进神经再生，改善患者的神经功能 。干细胞与发育生物学的研究成果也将为农业生产带来新的机遇。在植物发育生物学研究的基础上，利用干细胞技术可以培育出具有更强抗逆性、更高产量和更好品质的农作物品种，为解决全球粮食安全问题做出贡献 。干细胞与发育生物学作为生命科学领域的重要研究方向，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。尽管面临诸多挑战，但随着技术的不断进步和研究的深入开展，相信这一领域将为人类健康和社会发展带来更多的福祉。