在理论上，人胚干细胞的分离能使科学家们在实验室培养出人体任何组织，但在实践上，这并非易事。

每天清晨，加利福尼亚大学发育生物学家加利 · 安德逊（Gary Anderson）步入实验室时，映入眼帘的是一幅惊人的景象：满玻片的心肌细胞正在有节律地搏动——有时是乱糟糟的一团神经组织或者软骨组织，有时是心肌细胞。“我们常常抑制它们分化的趋向，”安德逊说。

发育成别种细胞的强劲驱动，乃干细胞独有的特征。多潜能细胞是发育生物学上最热门、最有争议的课题之一。5个月前两个研究小组宣称，他们已分离出首批人胚干细胞系——在实验室培养液里不仅能分化为各种组织，且能在审慎控制条件下继续保持未分化状态的细胞。这项研究激起了一些争议，因为一个研究组的干细胞取自一个生育诊所献出的人胚，另一个研究组则使用了流产胎儿的组织。但它们最终都能为培养出因疾病受损的多种组织甚至器官的替代物开辟道路。

前几年，科学家们还从动物和人类的不同组织（包括骨髓，甚至脑）分离出干细胞，它们不是“全能”的，不能像胚干细胞那样形成所有类型的组织，但它们能产生范围较窄的细胞，诸如不同的血液、肌肉或神经细胞。最近的发现提示，这些部分分化的干细胞可能较之我们所曾设想的要多能些。例如，从成人骨髓分离出的造血干细胞，能发育成血细胞、脑细胞；自胎脑分离出的神经原干细胞能发育成神经原、神经间质细胞、血细胞；自成人骨髓分离出的间充质干细胞能发育成肌肉、骨、软骨、肌腱等组织。

为能在实验室培养出替代组织，研究人员必需识别指令干细胞变向这种或那种组织的信号——发育生物学核心之一。“我们一般地了解协助决定细胞命运的生长因子及其它分子的‘语汇’，”加利福尼亚大学的干细胞研究人员罗杰 · 皮德逊（Roger Pederson）说。但发育还需相邻细胞间的直接通讯，“窃听初创胚胎的细胞团与其环境间的特殊谈话是不容易的，”一旦搞清其谈话，研究人员就需判定，他们能否在实验室培养液里的细胞复制那些信号。

导向特定组织的细胞分化

在导向特定组织的细胞分化上，迄今已颇多成功。例如，科学家10年前从小鼠骨髓首次分离出导向血细胞的干细胞后，研究人员已经懂得如何从人骨髄识别并挑出这些造血干细胞，如何培养它们使之发育成血细胞前体，然后用一系列生长因子和其它调节蛋白质引导它们向红细胞及其它成熟血细胞发育。

关于如何诱导神经原干细胞的发育，科学家们也已掌握了一些大有希望的线索。加利福尼亚技术研究所的发育生物学家大卫 · 安德逊（David Anderson）及其同事以大鼠胚胎细胞为研究对象，已经证明：若干蛋白质，包括neuregulin与骨形态原蛋白质2（BMP2），能暗示神经干细胞朝神经原、神经胶质细胞甚至平滑肌方向发育。但是，研究人员迄今未确切知道，这些分子是怎样起作用的。

而且，为使干细胞分化，需要的不仅是恰当的分子。例如，研究人员发现，即使应用已知最好的神经原生长因子，他们最多能使培养液里的近一半的神经干细胞朝神经原分化。发育神经生物学家推测，这可能由于，发育中的脑细胞依赖发自相邻细胞的特定组合之信号，它们反映它处于其它发育中脑细胞间的三维位置，这决定它朝特定类型细胞分化。

“最重要的是向神经原分化的诱导，需要其它类型细胞的存在，”研究这个问题的英国医学研究院的发育遗传学家罗平 · 洛维尔 · 巴其（Robin Lovell-Badge）说。

甚至机械力能影响干细胞的发育。巴尔的摩的Osiris生物工程公司细胞生物学家丹尼尔 · 马夏克（Daniel Marshak）及其同事已在研究发育为骨、软骨、脂肪与肌肉的间充质干细胞。他们已经发现：压缩细胞促进骨的发育，而拉力——主要指拉扯细胞间质——则促进肌腱的发育。软骨只有在细胞聚集一起或有三维支持条件下才能形成，马夏克说。

科学家们对更原始的胚干细胞的发育规律虽未掌握，但已有了一些进展。由于人胚干细胞的可供应用才仅几个月，这方面的大部分研究是以小鼠胚干细胞与人畸胎癌细胞为对象。这些畸胎瘤（睾丸瘤、卵巢瘤）长自性质与胚干细胞类似的未分化细胞。瘤体系几种组织的团块，有时长出毛发甚至牙齿。虽然其细胞适于研究，但由于其成瘤的潜能，其供人作治疗的前景不及人胚干细胞。

到现在为止，研究人员已能诱导胚干细胞与畸胎癌细胞产生向神经原及间充质发育的细胞。事实上，发育生物学家已得到一些暗示：不需额外帮助，未分化细胞也会自发地分化为神经原。或许由于这点，诱导胚干细胞向神经原发育是相对较易的。在适当的时机加入视黄酸——在胚胎，它有助于促进神经系统发育——“将使90%的细胞向神经细胞谱系发育，”华盛顿大学的大卫 · 戈脱里（David Gottlieb）说，这些细胞再自发地分化为神经原和神经胶质细胞。

从胚干细胞或畸胎癌细胞产生间充质细胞需要一种不同的信号：BMP4。但是，迄今无人确知，用何种因子去促进三大类组织（内胚层，向消化道、肺和内脏分化）的形成。但是，哈佛大学的发育生物学家道格拉斯 · 米尔顿（Douglas Melton）已能拣出自发分化为内胚层的少数小鼠胚干细胞。

他还能使这些内胚层细胞发育为胰细胞前体——距糖尿病患者所需的产生胰岛素的细胞只有几步之遥——方法是让它们暴露于取自另外小鼠的“胰芽”细胞。这些“胰芽”细胞“发出信号‘和我们一起向胰腺发育’，”米尔顿说。当然，为产生人类胰腺细胞，科学家们将需在无“胰芽”细胞条件下复制信号，因为使用胚胎组织将引起严重的伦理、道德甚至法律问题，米尔顿说。

意料外的多潜能

为培养范围广泛的组织，胚干细胞并非唯一的希望所在。有迹象表明，分化程度较高的干细胞作组织替代的潜能，较之研究人员所曾设想的为高。使人大吃一惊，并推翻了发育生物学上历史悠久的一些信念。今年初，一些科学家报道，小鼠脑部的神经原干细胞被移植至骨髓被大部摧毁的小鼠，竟发育成血细胞（Science，1999年1月22日）。

虽然两栖类与其它较低等动物对其细胞能重编程序（reprogram）、再生部分躯体——例如，新尾巴甚至新肢体——但发育生物学家长期认为，哺乳动物的细胞不是那么多潜能的。标准的观点是，一旦较特化的细胞形成，它就注定了不会朝另外方向发育了。但是，“支持这种假设的证据极少，”美国神经疾患与卒中研究所的发育神经生物学家隆 · 麦凯（Ron Mckay）说。新的观察结果提示，“细胞的发育方向能作意料外的跳换，”他说，“这发生在什么条件下，是值得研究的。”

这种现象，不仅发生在神经原干细胞。例如，去年费城Allegheny大学的发育生物学家达尔文 · 普洛考普（Danwin Prockop）在美国科学院学报上报道，小鼠骨髓间质细胞被注入小鼠脑部后，竟发育成神经间质细胞；在正常情况下，它们理应发育成肌肉及其它间充质组织的。南佛罗里达大学的朱安 · 桑切兹-拉莫斯（Juan Sanchez-Ramous）在去年的一次会议上宣称，他们有初步的证据表明，培养液里的骨髓细胞暴露于神经生长因子也能发育成神经原。

可是，许多干细胞研究人员获悉神经原干细胞发育为血细胞的结果后持审慎态度。“这仅是初步分析，”波士顿儿童医院发育血液学家赖纳德 · 左恩（Leonard Zon）说。血细胞有可能不是从神经原干细胞长出，而是从样本中更原始的干细胞长出。

如果上述结果被肯定，则干细胞之多潜能便能为不依赖胚干细胞的各种干细胞疗法开辟前进的道路，从而避开了伦理上和法律上的纠纷。从患者自身髋骨抽取一点骨髓，经过培养液里的操作后，或许能用于替代脑神经原或受损的心肌细胞。

但是，这样的应用，面临着其它潜在的干细胞疗法同样的困难。该领域的许多科学家说，值得高兴的是，当前有机会去研究是什么保持了干细胞的适应性，使之对环境的暗示作出反应，并改变其发育的方向。

诚然，大力利用干细胞潜能于生物医学的应用，是细胞生物学家与发育生物学家的一项天赐良机。应用培养的干细胞，“仅发生于早期胚胎的复杂的母细胞、子细胞关系的细胞变化，现正出现在你眼下的培养皿里，”戈脱里说。这些细胞变化似乎与出现于发育中的胚胎非常相似，产生外观正常、建起突触的神经原，以及有节律搏动的心肌细胞。“我们期待着的是更高水平的了解与掌握，”他说，“这是个第一章已写成的领域。等着瞧第二章吧！”

[Science，1999年3月5日]