第二节生命的起源——胚胎干细胞
1.研究胚胎干细胞的历史
人体是由200多种细胞构成的，例如神经细胞、皮肤细胞、红细胞等等。不同的细胞有着不同的功能，但是所有这些细胞都是由一个具有“全能性”的细胞——发育而来的。
在受精12个小时之后，受精卵一分为二，变成2个细胞，之后再分裂为4个、8个……每12个小时细胞数目就多一倍。大约3天后，受精卵就变成了一团由16～32个细胞组成的细胞团，称为桑椹胚。在受精4～5天后，胚胎细胞的数目增加到大约500个，组成一个充满液体的中空的圆球，称为囊胚。这时候每个胚胎细胞都一样，还未分化。到受精的第14天，细胞开始出现分化，形成3个细胞层，人体所有的器官、组织就都由这3个细胞层分化、发育而来。
从那个时候起，胚胎不仅不断地分裂，使细胞的数目扩增，而且还不断地分化使细胞的种类也增加。到受精8周后，所有主要的器官和四肢都已形成，胚胎就变成了胎儿。
其实早在19世纪，发育生物学家就知道卵细胞受精后很快就开始分裂，先是1个受精卵分裂成2个细胞，然后继续分裂，直至分裂成16～32个细胞团，叫做桑胚体。这时如果将组成的桑胚体的细胞一一分开，并分别植入到母体的子宫内，则每个细胞都可以发育成一个完整的胚胎。这种细胞就是胚胎干细胞，进一步说，胚胎干细胞是一种高度未分化的细胞。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。
胚胎干细胞的研究可追溯到20世纪50年代，由畸胎瘤干细胞（EC细胞）的发现开始了胚胎干细胞的生物学研究历程。
目前，许多研究工作都是以小鼠的胚胎干细胞为研究对象展开的，如：德美医学小组在曾经成功地向试验鼠体内移植了由胚胎干细胞培养出的神经胶质细胞。此后，美国密苏里州的研究人员通过鼠胚细胞移植技术，使瘫痪的猫恢复了部分肢体的活动能力。
随着胚胎干细胞研究的日益深入，生命科学家对人类胚胎干细胞的了解迈入了一个新的阶段。
在1998年底，两个研究小组成功地培养出人类胚胎干细胞，保持了胚胎干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胚胎干细胞治疗各种疾病成为可能。
然而，人类胚胎干细胞的研究工作引起了全世界范围内的巨大争议。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胚胎干细胞研究。
无论从基础研究角度来讲，还是从临床应用方面来看，人类胚胎干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，因此要求展开人类胚胎干细胞研究的呼声也是一浪高过一浪。
2.胚胎干细胞的特征
胚胎细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态结构。它的细胞核大，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，呈现集落状生长。胚胎干细胞呈棕红色，而周围的成纤维细胞呈淡黄色。细胞表面有折光较强的脂状小滴。
细胞克隆形态多样，多数呈现岛状或巢状。例如，小鼠胚胎干细胞的直径为7~18微米；猪、牛、羊胚胎干细胞的颜色较深，直径为12~18微米。
胚胞干细胞被认为是可以用来培养各种动物器官和机体组织的万能细胞。因此，它具有以下几点特征：
第一，胚胎干细胞来源于胚胎早期胚泡中的内细胞群，保持未分化状态，具有自我复制的能力，具有向胚胎三个胚层来源的所有细胞分化的潜能。
第二，胚胎干细胞可通过单细胞克隆，建立有相同遗传特性的胚胎干细胞系。建立的胚胎干细胞系有与亲代细胞相同的特征。
第三，胚胎干细胞具有正常、完整（双倍体）及稳定的染色体核型。
第四，胚胎干细胞缺乏细胞周期中G1期的限制点，胚胎干细胞大部分时间都处于细胞周期的S期，在此期进行DNA合成。而且，胚胎干细胞不需外源信号刺激启动DNA的复制。
第五，胚胎干细胞可以表达3种特异性标志分子：细胞内的转录因子、白血病抑制因子和碱性磷酸酶。
第六，雌性哺乳动物来源的胚胎干细胞内，不存在X染色体失活现象。
第七，胚胎干细胞端粒（位于真核细胞末端的核蛋白复合物）酶活性呈阳性，具有维持端粒长度、保持干细胞增殖能力的重要作用。
第八，胚胎干细胞裸鼠皮下或肾包囊接种，可形成畸胎瘤。
3.胚胎干细胞的分化
人体是由60万亿个细胞所组成的生命体。如此多的细胞，究其根源，全都是由一个受精卵分裂而来的。
这些细胞最后都各司其职，各有专能，如皮肤、肌肉、神经等等。
这个形成过程叫做“分化”。
胚胎干细胞具有万能分化性功能，它可以差转成为外胚层、中胚层及内胚层三种胚层的成员，然后再差转成为人体的220多种细胞种类。
万能分化性是胚胎干细胞与在成年人体内可找到的多功能干细胞的主要分别：多功能干细胞只能差转成为某几种特定的细胞种类。
在无外界提供差转的刺激下(即可在实验环境下生长)，胚胎干细胞在经过多重细胞分裂之后，仍然能保有万能分化性。成人干细胞能否保有万能分化性，直到现在仍然有争议。不过，有研究已经示范了万能干细胞可以从成纤维细胞集丛产生出来。
4.胚胎干细胞的培养
人类胚胎干细胞已经确定是一种可以自我更新的细胞，可以由它得到很多不同类型的体细胞。
但是，对于如何利用它们来替换患病组织的细胞，如何用胚胎干细胞来筛选药物和毒素，如何更好地研究发育的过程，这些都需要在人们进一步了解胚胎干细胞的根本特性之后才行。
科学家已经知道不同的人类胚胎干细胞是如何具有多潜能，并在体外培养中无限增殖，以及在继代培养中保持正常的多倍体核型的机制。但是，这些细胞系是否等价的还不清楚。
所以，现在对于已经建成或是新建成的细胞系的评价，及对培养环境的确定就显得非常重要。
5.胚胎干细胞的分离建系
有关人胚胎干细胞的建系方法有多种。
其中一种，也是现在研究最多的是从胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离胚胎干细胞。
1995年汤姆森等人从恒河猴的囊胚中分离建立了世界上第一株灵长类动物的胚胎干细胞。1998年，他们在建立灵长类胚胎干细胞取得成功经验的基础上，参照恒河猴胚胎干细胞分离法，从接受不孕症治疗的夫妇所捐献的处于囊胚阶段的早期胚胎中，分离出人的胚胎干细胞。
继汤姆森以后，世界上第二篇关于利用体外受精废弃受精卵进行人胚胎干细胞建系的文章是2000年澳大利亚的瑞比诺夫等和新加坡的体外受精专家合作完成的，他们成功地从人囊胚建立了两株未分化的人胚胎干细胞系。该文详尽地讨论了人胚胎干细胞建系过程中的一系列细节，并且在体外分化试验中成功地得到了神经祖细胞。
另一种建系方法则是从终止妊娠的胎儿组织中分离出胚胎干细胞。
2001年美国马萨诸塞州的科学家则宣布他们利用克隆技术制造出人体胚胎，并从中摘取出了干细胞。其具体做法是提取某个卵子，去除其中的核子和基因物质，即将人卵细胞脱核，再将含有成年人基因物质的皮肤细胞的核转移到去核卵细胞内，然后通过电击手段诱导卵子加以复制，体外培养，待囊胚形成后取其内细胞团。经适当处理，几天后供医疗使用的干细胞便可培育出来。
6.胚胎干细胞的应用前景
胚胎干细胞研究的科学价值在于其诱人的应用前景。人们如果最终能够成功诱导和调控胚胎干细胞的分化与增殖，将对胚胎干细胞的基础研究和临床应用带来积极的影响，使之有可能在以下领域发挥重要作用：
第一，揭示人及动物的发育机制及影响因素。
生命最大的奥秘便是人是如何从一个细胞发展为复杂得不可思议的生物体的。人胚胎细胞系的建立及人胚胎干细胞研究，可以帮助人们理解人类发育过程中的复杂事件，使人深刻认识数十年来困扰着胚胎学家的一些基本问题，促进对人胚胎发育细节的基础研究。
人胚胎干细胞的体外可操作性，可以以一种伦理上可接受的方式，提供在细胞和分子水平上研究人体发育过程中极早期事件的方法。这种研究不会引起与胎儿实验相关联的伦理问题，因为仅靠自身胚胎干细胞是无法形成胚胎的。
第二，药学研究方面。
胚胎干细胞可分化为多种细胞类型，又是能在培养基中不断自我更新的细胞来源。它发展为胚体后的生物系统，可模拟体内细胞与组织间复杂的相互作用，这在药物研究领域具有广泛的用途。
胚胎干细胞有望在短期内就能体现的优势，在于药物筛选中。目前，用于药物筛选的细胞都来源于动物或癌细胞这样非正常的人体细胞。而胚胎干细胞可以经体外定向诱导，为人类提供各种组织类型的人体细胞，这使得更多类型的细胞实验成为可能。这虽不会完全取代在整个动物和人体上的实验，但会使药品研制的过程更为有效。当细胞系实验表明药品是安全的而且效果良好，其才有资格在实验室进行动物和人体的进一步实验。
在候选药物对各种细胞的药理作用和毒性试验中，胚胎干细胞提供了对新药的药理、药效、毒理及药代等研究的细胞水平的研究手段，大大减少了药物检测所需动物的数量，降低了成本。
另外，由于胚胎干细胞类似于早期胚胎的细胞，它们有可能用来揭示那些干扰胎儿发育和引起出生缺陷的药物。
当然，人胚胎干细胞还可以用于其他用途。由于这类细胞本质上可以无限量地产生人体细胞，它们对于旨在发现稀有人蛋白的研究计划，理论上来说非常有用。国际上许多制药公司、学者都瞄准了这一重要的研究领域。
第三，细胞替代治疗和基因治疗的载体。
胚胎干细胞最诱人的前景和用途是生产组织和细胞，用于“细胞疗法”，为细胞移植提供无免疫原性的材料。
任何涉及丧失正常细胞的疾病，都可以通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异组织细胞来治疗。如用神经细胞治疗神经退行性疾病(帕金森综合征、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默病等)，用胰岛细胞治疗糖尿病，用心肌细胞修复坏死的心肌等。
胚胎干细胞还是基因治疗最理想的靶细胞。这里的基因治疗是指用遗传改造过的人体细胞直接移植或输入病人体内，达到控制和治愈疾病的目的。这种遗传改造包括纠正病人体内存在的基因突变，或使所需基因信息传递到某些特定类型细胞。
当然，胚胎干细胞技术的最理想阶段是希望在体外进行“器官克隆”以供病人移植。如果这一设想能够实现，那将成为人类医学史上一项划时代的成就。它将使器官培养工业化，解决供体器官来源不足的问题；使器官供应专一化，提供病人特异性器官。人体中的任何器官和组织一旦出现问题，可像更换损坏的零件一样随意更换和修理。
