干细胞的临床应用和研究状况

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1、1 1Stem Cell第一节第一节 干细胞生物学干细胞生物学 第二节第二节 干细胞的临床应用和研究状况干细胞的临床应用和研究状况2第一节第一节 干细胞生物学干细胞生物学 3 一、一、What is Stem Cell ? 是是具具有有自自我我更更新新、高高度度增增殖殖和和多多向向分分化化潜潜能能的的细细胞胞群群体体,即即这这些些细细胞胞可可通通过过分分裂裂维维持持自自身身细细胞胞的的特特性性和和大大小小,又又可可进进一一步步分分化化为为各各种种组组织织细细胞胞,从从而而在在组组织织修修复复等等方方面面发发挥挥积积极作用。极作用。4 二二.干细胞特性干细胞特性1.干细胞的形态和生化特点形形态特

2、特点点: :圆圆形形形形或或或或椭椭圆圆形形形形, , , ,体体体体积积较较小小小小, , , ,核核核核质质比比比比较较大大大大, , , ,核中多核中多核中多核中多为为常染色体。常染色体。常染色体。常染色体。 生化特点生化特点: a.a.具有具有具有具有较较高端粒高端粒高端粒高端粒酶酶活性活性活性活性; ; b.b.具具具具有有有有不不不不同同同同的的的的生生生生化化化化标标志志志志: :角角蛋蛋白白15、nestin(巢巢素素蛋白蛋白) )。2 ,干干细胞的胞的增殖特点特点 能力能力强:高度增殖是干高度增殖是干细胞生物学特性之一。胞生物学特性之一。自自稳性性:会自我更新会自我更新维持自

3、身数目的恒定。持自身数目的恒定。(self-maintenance) 5干干干干细细胞胞胞胞维维持自持自持自持自稳稳性的机制性的机制性的机制性的机制: : : :对对称分裂和不称分裂和不称分裂和不称分裂和不对对称分裂称分裂称分裂称分裂 MEDICALCELLBIOLOGYMEDICALCELLBIOLOGY6 干细胞的对称分裂和不对称分裂干细胞的对称分裂和不对称分裂对对称分裂称分裂称分裂称分裂 (symmetrydivision)(symmetrydivision)不不不不对对称分裂称分裂称分裂称分裂 (asymmetrydivision)(asymmetrydivision)干干细胞胞分分

4、化化 细 胞胞 干干细胞胞分化分化细胞胞MEDICALCELLBIOLOGYMEDICALCELLBIOLOGY7 3,干干细胞的分化特点胞的分化特点 1). 多潜能性多潜能性 MEDICALCELLBIOLOGYMEDICALCELLBIOLOGY8 在不同生在不同生长因子刺激下干因子刺激下干细胞可表胞可表现出不同分化潜能出不同分化潜能MEDICALCELLBIOLOGYMEDICALCELLBIOLOGY9 （内胚内胚内胚内胚层层） 胃胃上皮上皮(中胚中胚中胚中胚层层) 骨、骨、软骨、平滑肌、横骨、平滑肌、横纹肌肌（外胚外胚外胚外胚层层） 神神经表皮、神表皮、神经节、复、复层鳞状上皮状上皮

5、人胚胎干细胞具分化的多潜能性人胚胎干细胞具分化的多潜能性 小鼠皮下小鼠皮下注射注射 混合混合组织人胚胎人胚胎 干干细胞胞MEDICALCELLBIOLOGYMEDICALCELLBIOLOGY10 (1)(1)去分化去分化去分化去分化一种干一种干一种干一种干细细胞胞胞胞向其前体向其前体向其前体向其前体细细胞的逆胞的逆胞的逆胞的逆向向向向转转化的化的化的化的过过程。程。程。程。 2). 去分化和去分化和转分化的能力分化的能力(2)(2)转转分化分化分化分化(transdifferentiation)(transdifferentiation) 一种一种一种一种组织类组织类型的型的型的型的干干干干

6、细细胞在适当条件下分化胞在适当条件下分化胞在适当条件下分化胞在适当条件下分化为为另一种另一种另一种另一种组织类组织类型型型型细细胞的胞的胞的胞的过过程。程。程。程。 例一例一例一例一: : : :将成年雄性小鼠的造血干将成年雄性小鼠的造血干将成年雄性小鼠的造血干将成年雄性小鼠的造血干细细胞移植到胞移植到胞移植到胞移植到雌鼠体内雌鼠体内雌鼠体内雌鼠体内,3,3天后在雌鼠的神天后在雌鼠的神天后在雌鼠的神天后在雌鼠的神经经胶胶胶胶质细质细胞中胞中胞中胞中检检测测到到到到 Y Y 染色体的存在染色体的存在染色体的存在染色体的存在, , , ,证证明明明明成体成体成体成体动动物的造血物的造血物的造血物的

7、造血干干干干细细胞可胞可胞可胞可转转分化成分化成分化成分化成为为神神神神经经胶胶胶胶质细质细胞。胞。胞。胞。MEDICALCELLBIOLOGYMEDICALCELLBIOLOGY12 例二例二:造血干细胞向骨骼肌细胞的转分化造血干细胞向骨骼肌细胞的转分化全能干细胞全能干细胞多能干细胞多能干细胞单能干细胞单能干细胞按分化潜能按分化潜能按发育状态按发育状态(来源来源)胚胎干细胞胚胎干细胞embryo stem cell成体干细胞成体干细胞三三,干细胞的分类干细胞的分类1 1全能干细胞全能干细胞(Totipotent stem cell) 是指具有无限分是指具有无限分化潜能化潜能, ,能分化成能分

8、化成所有组织和器官所有组织和器官的干细胞。换句的干细胞。换句话说话说, ,也就是具有也就是具有形成完整个体分形成完整个体分化潜能。化潜能。 14多能干细胞：多能干细胞：（pluripotent stem cell）具有分化出多种细胞组织的潜具有分化出多种细胞组织的潜能。如造血干细胞、神经干细能。如造血干细胞、神经干细胞。胞。单能干细胞：单能干细胞：（multipotent stem cell）只能向一种或两种密切相关的只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化。细胞类型分化。如上皮组织基底层的干细胞，如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞。肌肉中的成肌细胞。15多能干细胞具有增殖、分化两种功能

9、。多能干细胞具有增殖、分化两种功能。例如骨髓造血干例如骨髓造血干细胞就是典型的多能胞就是典型的多能干干细胞。胞。造血干造血干细胞胞一般条件下一般条件下处于休止状于休止状态(Go期期),一定条件下能大量增殖、分化一定条件下能大量增殖、分化,然然后由定向干后由定向干细胞再分化成血液中至少胞再分化成血液中至少12种种类型的血型的血细胞。胞。16二.干细胞来源上分:来源于胚胎来源于胚胎- 胚胎干胚胎干细胞胞 ESC (Embryonic Stem Cell ) 胚胎性生殖胚胎性生殖细胞胞EGC (Embryonic Germ Cell )来源于成体来源于成体- 成体成体组织来源的干来源的干细胞胞 AS

10、C (Adult-derived Stem Cell )1819811981年年, ,最早埃文斯最早埃文斯(Evans)(Evans)和考和考夫曼夫曼(Kaufman)(Kaufman)从从小鼠小鼠小鼠小鼠早期胚胎早期胚胎中中分离出胚胎干分离出胚胎干分离出胚胎干分离出胚胎干细细胞并在体外培胞并在体外培胞并在体外培胞并在体外培养养养养建立建立细胞系胞系。 19951995年年年年, , , ,美国从恒河猴囊胚中分美国从恒河猴囊胚中分美国从恒河猴囊胚中分美国从恒河猴囊胚中分离并克隆建立了第一个灵离并克隆建立了第一个灵离并克隆建立了第一个灵离并克隆建立了第一个灵长类动长类动物的胚胎干物的胚胎干物的胚

11、胎干物的胚胎干细细胞系胞系胞系胞系( (一一 ) )胚胎干胚胎干细胞胞 1.胚胎干胚胎干细胞胞(embryonic stem cell,ES细胞胞)定定义:指从着床前的内指从着床前的内细胞胞团或或原始生殖原始生殖细胞胞获得的一种具有多潜能性、可得的一种具有多潜能性、可发育成育成为各种各种细胞胞、同同时可保持不分化状可保持不分化状态而持而持续生生长的克隆的克隆细胞系。胞系。经体外分化抑制培养分离的一种全能性体外分化抑制培养分离的一种全能性细胞。胞。可以分化成任何一种可以分化成任何一种组织类型的型的细胞。胞。212.胚胎干细胞的生物学特性胚胎干细胞的生物学特性 (1)ES细胞形胞形态结构与核型构与

12、核型: 各种各种动物的物的ES细胞具有与早期胚胎胞具有与早期胚胎细胞相似的形胞相似的形态结构构,细胞体胞体积小、小、核大、有核大、有1个或多个核仁。个或多个核仁。22 (2)ES细胞的生胞的生长特性特性: 增殖速度增殖速度:1824h分裂增殖一次分裂增殖一次n hEShES必必须在含有白血病抑制因子在含有白血病抑制因子(LIF)(LIF)的培养基保持不分化状的培养基保持不分化状态。 23鸟巢状生长保持未分化的ES细胞第一个人体胚胎干细胞第一个人体胚胎干细胞(ES细胞细胞) 2425 (3)ES细胞高度分化潜能胞高度分化潜能: (二二) 成体干细胞成体干细胞1.1.定定义: :存在于成人各种存在

13、于成人各种组织中中, ,具有自我更新和具有自我更新和向前分化向前分化为一种或多种成熟功能一种或多种成熟功能细胞的幼稚胞的幼稚细胞。胞。意意义: :1.1.负责更新死亡更新死亡细胞胞, ,维持正常个体、持正常个体、组织、器、器官的官的结构和功能的完整性。构和功能的完整性。2.2.病例情况下病例情况下, ,负责分化和增殖分化和增殖, ,修复修复组织损伤。272.成体干成体干细胞的生物学特性胞的生物学特性:(1)具有自我更新和分化潜能具有自我更新和分化潜能(2)数量少数量少(3)存在于特定的微存在于特定的微环境中境中(4)处于相于相对静止状静止状态(5)体体积小小,细胞胞浆少少,细胞核胞核较大大(6

14、)成体干成体干细胞的数量和活性胞的数量和活性岁年年龄增加而增加而减少减少3.成体干细胞的分布成体干细胞的分布胚胎干胚胎干细胞胞成体干成体干细胞胞来自胚泡的内来自胚泡的内细胞群胞群来源于骨髓、外周血、角膜、来源于骨髓、外周血、角膜、视网膜、网膜、脑、骨骼肌、骨骼肌、齿髓、肝、皮肤、胃髓、肝、皮肤、胃肠道粘膜道粘膜层和胰腺等和胰腺等发育全能性，可育全能性，可诱导分化分化为机机体体分化分化较局限，部分成体干局限，部分成体干细胞（造血胞（造血干干细胞、骨髓胞、骨髓间充充质干干细胞、神胞、神经干干细胞）有一定跨系、跨胚胞）有一定跨系、跨胚层的的“可塑可塑性性”无限的自我更新能力无限的自我更新能力病理条件

15、下才病理条件下才显出一定的自我更新潜出一定的自我更新潜能能增殖能力增殖能力强，便于，便于应用用增殖能力增殖能力较弱，故不能完全取代胚胎弱，故不能完全取代胚胎干干细胞胞4.与胚胎干细胞的比较与胚胎干细胞的比较31间胚层组织类型干细胞转分化为同胚层另一组织类型细胞间胚层组织类型干细胞转分化为内胚层组织类型细胞间胚层组织类型干细胞转分化为外胚层组织类型细胞由此认为,成体干细胞有较大的可塑性。血细胞血细胞肌细胞肌细胞血细胞血细胞肝细胞肝细胞血细胞血细胞脑细胞脑细胞5.成体干细胞的可塑性成体干细胞的可塑性:第二节 干细胞的医学应用和研究状况32331999年年,Science杂志志编者者Bloom:“干

16、干细胞胞给人人类提供了极大的提供了极大的可能性可能性:用干用干细胞修复病胞修复病损的的脏器和器和细胞缺胞缺损”,他他还说“最最终可能用干可能用干细胞制成像胞制成像肾、肝、肝这样复复杂的器官的器官”。 干细胞研究成为继人类基因组大规模测序之后最具干细胞研究成为继人类基因组大规模测序之后最具活力、最有影响和最有应用前景的生命学科研究领域活力、最有影响和最有应用前景的生命学科研究领域,1999,1999年干细胞研究被美国年干细胞研究被美国科学科学杂志评为杂志评为19991999年度世年度世界十大科学之冠界十大科学之冠,2000,2000年干细胞研究再次被年干细胞研究再次被科学科学杂志杂志评为该年度世

17、界十大科学成就之一。评为该年度世界十大科学成就之一。 35源于胚胎干细胞的细胞已能或可能源于胚胎干细胞的细胞已能或可能治疗许多疾病治疗许多疾病神经细胞心肌细胞B型胰岛细胞软骨细胞白细胞皮肤细胞肝细胞骨细胞视细胞骨骼肌细胞帕金森病心肌梗死糖尿病骨关节炎白血病烧伤和创伤肝炎骨质疏松症视网膜退化肌营养不良治疗36成体干成体干细胞中胞中,造血干造血干细胞胞(包包括骨髓、括骨髓、脐血和外周血中的干血和外周血中的干细胞胞)已用于治已用于治疗重度白血病和某些重度白血病和某些遗传性血液病。性血液病。 37成体干成体干细胞及其子代胞及其子代细胞移植或胞移植或动员脑组织内的干内的干细胞治胞治疗神神经退行性疾退行性

18、疾病已病已获初步成效。初步成效。动物物实验证实移植的移植的神神经元可替代修复已元可替代修复已损坏的神坏的神经通路。通路。临床床试验也也证实细胞替代治胞替代治疗可使症状可使症状缓解。解。 干细胞治疗的特点干细胞治疗的特点 1.一次性或几次介入一次性或几次介入,永久性治永久性治疗; 2.不需要完全了解疾病不需要完全了解疾病发生的确切机理。生的确切机理。 肾脏疾病的干细胞治疗肾脏疾病的干细胞治疗雄性小鼠骨髓细胞移植雌性小鼠雌性小鼠肾脏雌性小鼠肾脏迁移肾小管上皮细胞肾小管上皮细胞分化分化肾小管内肾小管内 结果表明果表明,骨髓内的干骨髓内的干细胞能横胞能横向分化向分化为肾小管上皮小管上皮细胞胞,有助于有

19、助于肾小小管上皮管上皮细胞的正常更新和胞的正常更新和肾小管小管损伤后的再生修复后的再生修复,为干干细胞移植治胞移植治疗肾小小管坏死提供了理管坏死提供了理论依据。依据。原理原理: 1. 胚胎干胚胎干细胞一方面可以新生胞一方面可以新生肾小球的小球的毛毛细血管内皮血管内皮细胞、胞、脏层细胞以及恢胞以及恢复复肾小球基膜小球基膜,恢复和提高恢复和提高肾小球的小球的滤过膜膜,对由于由于肾小球病小球病变所造成的尿液所造成的尿液改改变、高血、高血压、水、水肿等症状都会有明等症状都会有明显的改善的改善;2. 胚胎干胚胎干细胞胞还可以分化可以分化产生免疫平衡生免疫平衡细胞胞,如如:Ts细胞、胞、Th细胞等胞等,平

20、衡免疫平衡免疫反反应,消除造成消除造成肾小管小管损伤的各种因素的各种因素,避免避免对肾小球的持小球的持续损伤,防止病情防止病情进一步一步恶化。胚胎干化。胚胎干细胞移植胞移植对各种各种肾小球疾病都有很好的治小球疾病都有很好的治疗效果。效果。糖尿病的干糖尿病的干细胞治胞治疗 胚胎干细胞的全能性为研究糖尿病的细胞治疗开辟了新途径。研究人员相继用不同的方法获得了分泌胰岛素的细胞。 用胚胎干细胞诱导为胰岛素分泌细胞并用于治疗糖尿病的策略: 用细胞因子、天然化学物质与胚胎干细胞共培养,将胚胎干细胞诱导分化为胰岛素分泌细胞。目前已经发现一些因子和特定的培养系统结合,可以诱导胚胎干细胞分化。 科学家将小鼠的胚

21、胎干细胞诱导分化成能分泌胰岛素的类似于胰岛的结构。他们先将小鼠的胚胎干细胞培养成类胚体,并在此基础上诱导出了、等多种胰岛细胞的细胞群。 这些细胞在植入糖尿病小鼠的皮下后纠正高血糖水平(未到正常),细胞在植入12天后发生血管化,其形态类似于胰腺的胰岛,并保持着分泌胰岛素的能力。 最近的研究结果表明,人胚胎干细胞也能分化成分泌胰岛素的细胞。有实验室培养了人胚胎干细胞,并让它们自发形成类胚体;然后用多种生长因子诱导类胚体分化。 试验结果提示了类胚体可以自发分化成胰岛细胞。也有实验进一步证实了人胚胎干细胞可自发分化为细胞的现象。 类胚体中有1%3%的细胞是胰岛细胞。在葡萄糖存在的情况下,这些细胞可以向

22、培养基中分泌胰岛素。 由胚胎干细胞向胰岛细胞分化的研究刚刚起步,如何完善诱导方案以获得大量纯化的功能性细胞替代物是今后急需解决的问题。 干干细胞定向分化胞定向分化为胰胰岛细胞的胞的研究研究为糖尿病患者点燃了新的希望糖尿病患者点燃了新的希望, 也也为研究人研究人员提供了新的突破口提供了新的突破口, 其其勿庸置疑的成勿庸置疑的成为治治疗糖尿病的最佳种糖尿病的最佳种子子细胞胞,虽然目前存在很多然目前存在很多问题,但随但随着干着干细胞生物学的胞生物学的发展展, 相信将来肯相信将来肯定能克服以上困定能克服以上困难,用用细胞治胞治疗攻克糖攻克糖尿病。尿病。胚胎干胚胎干细胞、胞、脐血干血干细胞、骨髓胞、骨髓

23、间充充质干干细胞的胞的应用比用比较1. 骨髓移植是用骨髓移植是用针插入骨中抽取插入骨中抽取,需骨髓需骨髓穿刺穿刺,麻醉并住院一天麻醉并住院一天,局部有局部有时会淤会淤血或疼痛。移植血或疼痛。移植时HLA须完全相合完全相合,同同胞胞间约有有25%的机会相合的机会相合,非非亲属属间的的配配对成功率只有十万分之一。排斥反成功率只有十万分之一。排斥反应较重重,常是造成移植失常是造成移植失败的主因。的主因。2. 脐带血采集血采集时对产妇、新生儿无影响。、新生儿无影响。脐带血移植血移植时HLA不不须完全相合完全相合,发生排生排斥反斥反应程度相程度相对较轻。胚胎干。胚胎干细胞由于胞由于采集的采集的时间,干干

24、细胞表面抗原表达很少胞表面抗原表达很少,因因此不此不产生排斥免疫反生排斥免疫反应,而且由于其外源而且由于其外源性性,病人本身没有病人本身没有创伤。相。相对于骨髓内的于骨髓内的干干细胞和胞和脐带血干血干细胞移植胞移植,胚胎干胚胎干细胞胞所引所引发的后的后遗症更低症更低,而且干而且干细胞的排斥胞的排斥机率也低。机率也低。 2.胚胎干胚胎干细胞的胞的浓度高而且品度高而且品质优良良,约为骨髓干骨髓干细胞胞浓度的度的20到到50倍倍,为胚胚胎干胎干细胞胞浓度的度的5倍左右倍左右,细胞的增生胞的增生能力也比能力也比较高。高。3.移植胚胎干移植胚胎干细胞比移植胞比移植脐带血干血干细胞或骨髓或周胞或骨髓或周边血干血干细胞胞带感染到感染到病毒的可能性也病毒的可能性也较低。低。