细胞生物学干细胞及其利用

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1、第二十五章 干细胞及其利用,生物教研室 刘岚,教学要求,1、掌握：干细胞的概念、分类；干细胞的生物学特征；胚胎干细胞的概念和生物学特征。 2、熟悉：成体干细胞的种类；肿瘤干细胞的概念和来源。 3、了解：干细胞增殖和分化的调控、干细胞的定向诱导分化、干细胞的应用；,新闻,1、“万能的皮肤细胞”皮肤细胞造精子皮肤细胞变“心脏” 2、世界首例干细胞气管移植手术完成,皮肤细胞造精子,英国纽卡斯尔大学的科学家用皮肤干细胞首次制造出了人类精子。这对成千上万的不育男性来说无疑是个福音，也许只是从身上取下一小块皮肤，就可以让他们做父亲。 不过，这一尖端技术引起了医学和伦理上的争议，因为这意味着可以完全凭人工手

2、段生孩子，甚至让死了很长一段时间的男子也可以做“父亲”。 用皮肤细胞制造精子的过程：先将这些细胞放入用特殊培养基中培养，使细胞的生物钟回到胚胎干细胞阶段，之后再转变成精子。最后，利用试管受精技术将这些人造精子注入卵子，使卵子受精，这样就可以让那些自身不能产精的男子有自己的孩子。,皮肤细胞变“心脏”,新加坡国家心脏中心一组科研人员取得重大医学突破，他们通过无菌的方式，成功将人体皮肤改造成人类诱导多能干细胞，并培育出与普通心脏一样具有脉搏跳动功能的心肌细胞，希望以此为心脏衰竭病患提供多一种治疗方式。 由于皮肤组织来自于病患本身，改造后的细胞特性与体内细胞相同，因此在植入身体后，不必担心会产生排斥反

3、应，也不需要用到免疫抑制药物。”,世界首例干细胞气管移植手术完成,日前，英国和意大利两国医生联合完成世界首例气管移植手术。这个手术的特别之处在于，植入患者体内的捐献者的气管已经被剥离掉细胞，只剩一个“架子”，而医生则将从患者体内提取的干细胞注入这个“架子”中。这样，最终长成后的气管就不会产生任何排异现象，从而攻克了气管移植手术抗排异难这一世界性难题。 据悉，利用这种气管手术的原理，医生们还可以移植声带和食道等组织。如果未来推广到全世界，将使万千病人解除病痛，从此可以轻松地生活。,第一节 干细胞概述,一、干细胞的概念 1、干细胞（stem cell）：是指具有无限或较长期的自我更新（self-r

4、enewal）能力，并能产生至少一种高度分化子代细胞的细胞。 它存在于人体或动物个体发育各个阶段的组织器官中，是各种分化细胞或特化细胞的初始来源。,概述,第一节 干细胞概述,概述,根据分化潜能的高低：全能干细胞多能干细胞单能干细胞,根据细胞来源时期不同:胚胎干细胞成体干细胞,一、干细胞的概念2、干细胞的分类,全能干细胞（totipotent stem cell）：能发育为一个完整个体的原始细胞。（受精卵、人体8-16细胞以前的卵裂球） 多能干细胞（pluripotent stem cell）：来源于囊胚腔的内细胞团，失去发育为完整个体的能力，但理论上具有分化形成个体多种细胞的细胞。（胚胎干细胞

5、、胚胎生殖细胞、骨髓基质干细胞） 单能干细胞（monopotent stem cell）：只能向密切相关的一种或少数几种类型的细胞分化的细胞。（上皮组织基底层的干细胞、肌肉中成肌细胞）。,胚胎干细胞(embryonic stem cell；ES cell)：存在于早期胚胎组织中、具有高度增殖能力和多向分化潜能，但尚未分化的干细胞。 成体干细胞（adult stem cell ）：存在于成体各组织器官的未分化细胞，在体内具有终生自我更新能力和分化潜能。,二、干细胞的生物学特性,（一）干细胞的形态和生化特征 1、形态特征 通常呈圆形或椭圆形，体积较小，核质比例相对较大。,二、干细胞的生物学特性,（

6、一）干细胞的形态和生化特征 1、形态特征 2、生化特征,干细胞都具有较高的端粒酶活性； 不同的干细胞具有不同的生化标志。,如：nestin为神经干细胞的标志分子；角蛋白15是确定毛囊中表皮干细胞的标志分子；CD34是造血干细胞的标志分子等等。,干细胞的生化特性常被用作鉴定干细胞在组织中的存在和评价其分化程度的标志。,二、干细胞的生物学特性,（二）干细胞的增殖特性 1、缓慢性 2、自稳性,1、缓慢性,干细胞自身的增殖非常缓慢。,干细胞,意义: 有利于干细胞对特定的外界信号作出反应，以决定进行增殖还是进入特定的分化程序； 可以减少基因发生突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误，具有防止

7、体细胞自发突变的作用。,一般情况下，干细胞处于休眠或缓慢增殖状态，当其接受刺激而进行分化时，需产生过渡类型细胞再到分化细胞。,1、缓慢性,干细胞自身的增殖非常缓慢。,干细胞,短暂增殖细胞,短暂增殖细胞：分裂速度快。意义：可使少量干细胞产生较多的分化细胞，同时保护干细胞。,在干细胞到分化细胞的发育过程中，有两种过渡类型的细胞短暂增殖细胞和祖细胞。,祖细胞：为前体细胞，经过几次分裂后，产生的细胞为终末分化细胞。,祖细胞,2、自稳性,干细胞通过自我更新以维持自身数目恒定。,干细胞,短暂增殖细胞,祖细胞,（1）对称分裂（symmetry division）：当干细胞分裂时，产生的2个子代细胞都是干细胞

8、或都是分化细胞 （2）不对称分裂（asymmetry division）：当干细胞分裂时，产生一个子代干细胞和一个子代分化细胞,2、自稳性,在个体的发育过程中，干细胞通过自我更新以维持自身数目恒定。 是区别于肿瘤细胞的本质特征。,（1）对称分裂（symmetry division）：当干细胞分裂时，产生的2个子代细胞都是干细胞或都是分化细胞 （2）不对称分裂（asymmetry division）：当干细胞分裂时，产生一个子代干细胞和一个子代分化细胞,（1）在正常生理状态下，干细胞多以不对称分裂方式用于补充组织在自我更新过程中衰老和死亡的细胞。（不对称分裂使机体对干细胞的调控更具有灵活性，可以

9、更灵活地应对机体生理变化的需要。） （2）在创伤等应激状态时，由于需要大量的细胞代替和补充坏死的组织细胞，干细胞的分裂方式可能就不再局限于不对称方式，可以以对称分裂的方式快速增殖。,2、自稳性,1、干细胞的分化潜能 干细胞分化具有多潜能性，不同干细胞的分化潜能不同。干细胞可按其分化潜能分为：全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。,（三）干细胞的分化特征,二、干细胞的生物学特性,1、干细胞的分化潜能 2、干细胞的转分化和去分化目前的研究发现，成体干细胞具有一定的可塑性（plasticity），即不同组织来源的成体干细胞之间可相互转化。包括干细胞的转分化和去分化。,（三）干细胞的分化特征,二、干细胞

10、的生物学特性,一种组织类型的干细胞在适当条件下可以分化为另一种组织类型的细胞，称为干细胞的转分化。 1997年，研究首次证明成年动物的造血干细胞可分化成为脑的星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞。 目前，类似的发现还包括成体造血干细胞分化成为肌细胞、肝细胞；神经干细胞转化为造血干细胞等等。,第二节 胚胎干细胞,概念：胚胎干细胞：是指存在于早期胚胎中，具有多向分化潜能和较长期地进行自我更新的细胞。 包括：囊胚内细胞团的胚胎干细胞（ES细胞） 早期胎儿（5-9周）原始生殖嵴的生殖干细胞（EG细胞）,一、生物学特性,1、形态特征： 圆形；细胞体积小；核质比例高，细胞核明显，有一个或多个核仁，染色质

11、较分散；核型正常、二倍体；细胞质内散布着大量的核糖体和线粒体。,2、生长特征：体外培养细胞呈多层集落状生长，紧密堆积在一起，无明显细胞界限，形似鸟巢。,一、生物学特性,关键:维持干细胞的未分化状态。饲养层细胞（成纤维细胞株）培养体系无饲养层培养体系,3、生化特征 （1）表面抗原 ：胚胎阶段性特异抗原 （stage-specific embryonic antigens, SSEA）,一、生物学特性,SSEA是一种糖蛋白，在胚胎发育早期表达，常作为胚胎干细胞的标志之一，具有种属特异性。,如：人的ES细胞表达SSEA-3、SSEA-4，而小鼠的ES细胞表达SSEA-1；,3、生化特征 （1）表面抗

12、原 ：阶段特异性胚胎抗原,一、生物学特性,（2）碱性磷酸酶（AKP）碱性磷酸酶（AKP）是鉴定胚胎干细胞分化与否的标志之一。 （3）端粒酶 胚胎性干细胞端粒酶持续高水平表达；使这些细胞在分裂后保持端粒长度，维持细胞的分裂增殖能力。,4、分化潜能人胚胎干细胞具有分化形成外、中、内三个胚层的潜能。,一、生物学特性,二、胚胎干细胞定向诱导分化,定向分化：在适宜条件下，使胚胎干细胞按照人们的意愿分化为某一特定谱系的细胞，称为胚胎干细胞的定向分化。,1、基因功能研究 2、发育机制研究 3、药物监测系统的构建 4、细胞替代疗法和组织器官移植,三、胚胎干细胞的应用,四、诱导性多能干细胞,人胚胎干细胞的主要来

13、源：流产的胎儿和体外受精制造的胚胎,2001年8月，美国时任总统布什宣布对胚胎干细胞研究设限，规定联邦政府对胚胎干细胞研究的资助仅限于研究当时已有的胚胎干细胞，不得资助从新胚胎中提取干细胞进而开展研究。 2009年3月，美国总统奥巴马前天签署行政令，推翻2001年禁用政府经费资助人类胚胎干细胞研究的条例，科学家为此鼓掌、支持者高声欢呼。,人胚胎干细胞的主要来源：流产的胎儿和体外受精制造的胚胎诱导产生的多功能干细胞（细胞）,四、诱导性多能干细胞,诱导产生的多功能干细胞（细胞）,2006 年, Takahashi 和Yamanaka将几个转录因子导入已分化的小鼠皮肤成纤维细胞, 进而获得了类似于胚

14、胎干细胞(embryonic stem cells, ES 细胞)多能性干细胞, 称之为“诱导产生的多能性干细胞”(induced pluripotent stem cells, iPS 细胞). 这一研究明确地证实了分化的细胞可以通过少数几个因子的外源导入而被重编程到具有多能性的状态, 因而受到了整个生命科学领域的广泛关注。 年月，美国和日本科学家分别宣布独立发现将普通皮肤细胞转化为干细胞的方法，得到的干细胞称为诱导多功能干细胞，这一发现分别被自然和科学杂志评为年第一和第二大科学进展。,年月，美国加利福尼亚大学科学家报告称，他们将实验鼠皮肤细胞改造成细胞，然后成功使其分化成心肌细胞、血管平滑

15、肌细胞及造血细胞。 年月，日本东京大学科学家宣布，成功利用人类皮肤细胞制成的细胞培育出血小板，而且从技术上说用细胞培育人类红细胞和白细胞都是可能的；紧接着，日本庆应大学科学家又宣布，成功用实验鼠的细胞培育出鼠角膜上皮细胞。 年月伊始，细胞研究便相继迎来两项重大突破。英国和加拿大科学家发现了不借助病毒、安全将普通皮肤细胞转化为细胞的方法；美国科学家则在细胞杂志上宣布，他们可以将细胞中因转化需要而植入的有害基因移除，且保证由此获得的神经元细胞的基本功能不受影响。,诱导产生的多功能干细胞（细胞）,年月，细胞研究在临床应用道路上又迈出非常重要的一步。据英国自然杂志网站日报道，中国科学家周琪和高绍荣等人

16、利用细胞克隆出活体实验鼠，首次证明细胞具有全能性。该成果让人们看到了细胞具有实用性。 继前不久在世界上首次得到完全由诱导多能干细胞（即iPS细胞）发育的小鼠之后，中国科学家在iPS细胞研究领域又取得重大进展：首次从孕妇产前的羊水细胞中高效快速建立iPS细胞，所需时间只有6天，为目前人类iPS细胞相关报道中最短。 美国时代周刊在其网站上公布了2010年十大医学突破名单，其中“可降低HIV感染风险的抗艾滋病药”、“人工合成细胞”、“老年性痴呆症的血液检测”及“更快更安全培育iPS细胞”等成果入选。,诱导产生的多功能干细胞（细胞）,成体干细胞（adult stem cell）:成体组织中具有自我更新能力及能分化产生一种或一种以上子代组织细胞的未成熟细胞。 成体干细胞的进一步分化是成年机体组织损伤修复和再生的保证，维持组织细胞功能的稳态。 干细胞广泛存在于各种组织中。,