1、生 命 的 奧 秘A Journey into Life12重建身體2一、干細(xì)胞特征和類別1. 特征2. 類別二、幾種干細(xì)胞特性1. 胚胎干細(xì)胞2. 成體干細(xì)胞 3. 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞三、干細(xì)胞的應(yīng)用1. 造血干細(xì)胞移植2. 重見光明3. 人類的無性繁殖4. 組織器官修復(fù)內(nèi)容：34干細(xì)胞是 未成熟細(xì)胞，它未充分分化， 再生各種組織器官和人體的潛在功能;干細(xì)胞是 有自我更新和分化潛能的細(xì)胞。 皮膚、小腸和血液等組織需要不斷地更新-由干細(xì)胞完成的。一. 干細(xì)胞的特征和類別1. 特征腸隱窩中的干細(xì)胞：Lgr5細(xì)胞（綠色）位于腸隱窩基底，數(shù)量多且具有增殖性（圖中紫色部分為膠原蛋白 45干細(xì)胞的特征 （1

2、）非分化終端。 （2）無限地增殖分裂。 （3） 可連續(xù)分裂幾代，也可長(zhǎng)時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)。 （4）干細(xì)胞通過兩種方式生長(zhǎng) - 對(duì)稱分裂：形成兩個(gè)相同的干細(xì)胞； 非對(duì)稱分裂：由于細(xì)胞質(zhì)中的調(diào)節(jié)分化蛋白不均勻地分配，一個(gè)子細(xì)胞不可逆的走向分化的終端成為功能專一的分化細(xì)胞；另一個(gè)保持親代的特征，作為干細(xì)胞保留下來。 增殖分化562. 干細(xì)胞的類別分化潛能：全能;多能;單能 干細(xì)胞按發(fā)育狀態(tài)：胚胎;成體 干細(xì)胞全能干細(xì)胞：具有形成完整個(gè)體的分化潛能，如胚胎干細(xì)胞(ES細(xì)胞)，受精卵是最高層次的胚胎干細(xì)胞。(1-3 天）多能干細(xì)胞：具有分化出多種細(xì)胞組織的潛能，但不可能分化出足以構(gòu)成完整個(gè)體的所有細(xì)胞，如造血

3、干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞。（200種）單能干細(xì)胞：只能向一種或兩種密切相關(guān)的細(xì)胞類型分化，如上皮組織基底層的干細(xì)胞，肌肉中的成肌細(xì)胞。分化潛能：6發(fā)育狀態(tài)分類(1) Embryonic stem cells （胚胎干細(xì)胞) (2) Adult stem cells （ 成體干細(xì)胞）78處于發(fā)育不同階段的干細(xì)胞891. 胚胎干細(xì)胞全能性，能分化出成體動(dòng)物的所有組織和器官，包括生殖細(xì)胞；囊胚的形成二、幾種干細(xì)胞特性？9胚胎的不同階段胚泡/囊胚 blastocystBlastocyst inner mass cells8-cell stagecleavage1011人卵體外受精后，將胚胎培育到囊胚階段，提

4、取inner cell mass細(xì)胞，全能干細(xì)胞。每個(gè)胚胎可取得15-20干細(xì)胞用于培養(yǎng)。1112胚胎干細(xì)胞體外誘導(dǎo)分化外源誘導(dǎo)因子誘導(dǎo)ES細(xì)胞分化 誘導(dǎo)因子：維甲酸(RA)、骨形成蛋白BMPs)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGFs)等轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)ES細(xì)胞分化 用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使某種促分化基因在ES細(xì)胞中表達(dá)、調(diào)節(jié)其分化與其他細(xì)胞共培養(yǎng)誘導(dǎo)ES細(xì)胞分化 創(chuàng)造細(xì)胞分化的微環(huán)境全反式維甲酸 12維甲酸囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)神經(jīng)元外源誘導(dǎo)因子誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞分化Production of differentiated cells from mouse ES cells in culture.巨噬細(xì)胞克隆刺激因子，白介素3，

5、4成纖維生長(zhǎng)因子雙丁酰環(huán)磷腺苷維甲酸 維甲酸，胰島素，甲狀腺素脂肪細(xì)胞巨噬細(xì)胞星型細(xì)胞，寡突膠質(zhì)細(xì)胞胞13142. 成體干細(xì)胞 概念：在成體組織內(nèi)具有自我更新能力并能分化產(chǎn)生一種或一種以上子代組織細(xì)胞的未成熟細(xì)胞。 在特定的條件下，成體干細(xì)胞或者產(chǎn)生新的干細(xì)胞，或按一定程序分化，形成新的功能細(xì)胞，從而使組織和器官保持生長(zhǎng)和衰退的動(dòng)態(tài)平衡。1415多能成體干細(xì)胞1516成體干細(xì)胞的特點(diǎn)數(shù)量少，難以識(shí)別、分離純化體外培養(yǎng)時(shí)不能長(zhǎng)時(shí)間增殖具有可塑性造血干細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞精原干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞表皮干細(xì)胞腸干細(xì)胞肝干細(xì)胞部分已知的成體干細(xì)胞精原干細(xì)胞造血干細(xì)胞16干細(xì)胞與其外周的分化細(xì)胞有固定的組織方式，

6、形成增殖結(jié)構(gòu)單元。分泌因子、外周的細(xì)胞、胞間基質(zhì)構(gòu)成干細(xì)胞巢表皮的毛囊的小腸的神經(jīng)的造血的生長(zhǎng)期靜止期 生長(zhǎng)初期 角質(zhì)粒狀刺狀基底杯狀吸收內(nèi)分泌隱窩潘氏173. 逆轉(zhuǎn)生命的時(shí)鐘-體細(xì)胞的重編程2012 年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)核移植體細(xì)胞重編程的經(jīng)典方法有4 種: 核移植、轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)、細(xì)胞融合、胞質(zhì)孵育。 18獲取乳腺組織細(xì)胞降低血清濃度，獲得G0期細(xì)胞19寵物克隆北德克薩斯女士的貓 Little Nicky, 2004 由 Genetic Savings & Clone 公司，花費(fèi)US$50,000。一條狗 Missy 2008年被克隆。加尼福尼亞人的狗 Booger ，由 SNL (Korea

7、) 克隆成5條，花費(fèi) 50K馬以 2006 克隆，花費(fèi)US $150KHumans? Dinosaurs? Mammoths? 20誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞2012 年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)細(xì)胞融合小鼠囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、胚胎癌細(xì)胞, 具有很強(qiáng)的自我更新能力, 由此引發(fā)了人們通過細(xì)胞融合實(shí)現(xiàn)重編程的研究。但細(xì)胞融合產(chǎn)生異核體或雜種細(xì)胞, 不能用于再生治療。21誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells,iPScells） 卵子體細(xì)胞胚胎干細(xì)胞體細(xì)胞細(xì)胞核移植細(xì)胞融合轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)囊胚胚胎干細(xì)胞異核體同種整倍體雜合子異源非整倍體雜合子細(xì)胞分裂細(xì)胞分裂DNA 復(fù)制DNA

8、 復(fù)制d. 胞質(zhì)孵育 多能干細(xì)胞的提取物誘導(dǎo)體細(xì)胞的分化2223誘導(dǎo)式多能性干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)流程嵌合鼠的不同組織中的iPS 細(xì)胞發(fā)育成相鄰的組織23誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS) 出現(xiàn)的重大意義基因調(diào)控和發(fā)育幫助理解疾病機(jī)理理論：實(shí)踐：繞開了胚胎干細(xì)胞的倫理限制取材便利2425三. 干細(xì)胞的應(yīng)用1. 骨髓移植2. 器官修補(bǔ)更新25組織修復(fù)： 受到破壞的腦組織：阿茨海默病和帕金森病脊髓損傷 血液病：白血病，再障 皮膚：燒傷I 型糖尿病黃斑變性治療疾病2627干細(xì)胞的應(yīng)用骨質(zhì)疏松和骨折關(guān)節(jié)炎脊髓損傷糖尿病帕金森病心力衰竭骨髓移植27281976年EdwardDonnallThomas 報(bào)道100例晚期白血病病

9、人經(jīng)HLA相合同胞的骨髓移植后，13例奇跡般長(zhǎng)期生存。應(yīng)用骨髓移植治療白血病，再生障礙性貧血等方面取得巨大成功。 Thomas 獲得了1990年度的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。骨髓移植1.造血干細(xì)胞移植2829造血干細(xì)胞的分化2930造血干細(xì)胞的采集：粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子， 刺激骨髓造血干細(xì)胞不等分裂， 并將干細(xì)胞動(dòng)員到外周血中， 利用帶抗CD34抗體的磁珠吸附血液中 的造血干細(xì)胞，待用， 其它血液成份回輸捐獻(xiàn)者體內(nèi) 又稱為外周血干細(xì)胞移植。 造血干細(xì)胞（hematopoietic stem cells）能自我更新、能分化成不同的血液細(xì)胞。主要來自骨髓。3031外周血造血干細(xì)胞移植步驟1. 主要組織

10、相同抗原配型 HLA-I,HLA-II 等位基因匹配血源性惡性瘤清除 受體大劑量放化療 + 補(bǔ)充血小板防止內(nèi)出血） 采集外周血造血干細(xì)胞 造血干細(xì)胞輸入到受體體內(nèi) 細(xì)胞定居骨髓。 （白細(xì)胞3000/mm3出院）3132造血干細(xì)胞移植的關(guān)鍵制約因素存在于人體有核細(xì)胞表面， 用于免疫系統(tǒng)識(shí)別“自己”和“非已”標(biāo)志。 如果 HLA 不一致將誘發(fā)免疫排斥反應(yīng)。人類白細(xì)胞抗原Human leukocyte antigen, HLA配型捐獻(xiàn)者中與患者的HLA相合率： 同卵(同基因)雙生兄弟姐妹為100%， 非同卵(異基因)雙生或親生兄弟姐妹是1/4。 非血緣的單個(gè)HLA型別中，相合幾率是1/400-1/1

11、0000。3233中國(guó)造血干細(xì)胞捐獻(xiàn)者資料庫(kù)（簡(jiǎn)稱中華骨髓庫(kù)）需造血干細(xì)胞移植的患者數(shù)百萬人， 移植需要 HLA型 匹配。 否則產(chǎn)生移植物抗宿主反應(yīng)，危及生命。 資料庫(kù)容量越大，匹配機(jī)會(huì)就越多。？333434自體造血干細(xì)胞移植小劑量服用化療藥物注射粒細(xì)胞/巨噬細(xì)胞集落刺激因子動(dòng)員造血干細(xì)胞到血液中并收集體外抗癌處理干細(xì)胞，清除癌變?cè)煅杉?xì)胞病人大劑量放化療回輸自體造血干細(xì)胞 35（1）角膜再生2. 重見光明右圖為21歲病人活體取右眼角膜上皮，體外培養(yǎng)后移植到干細(xì)胞缺損的左眼左上：3x4 mm 緣結(jié)膜上皮剝?nèi)∮疑希阂恢芎髠诳s小到 2x1 mm左下：十天后傷口小縫右下：兩周后完全長(zhǎng)好36取對(duì)側(cè)角

12、膜邊緣未損害的邊緣干細(xì)胞（limbal stem cell)，1-2mm2 組織體外培養(yǎng)，添加 3T3-J2 為飼養(yǎng)細(xì)胞和纖維蛋白體外誘導(dǎo)為角膜后移植到病人眼中取人絨毛膜基層長(zhǎng)好的角膜緣上皮細(xì)胞3T3 飼養(yǎng)細(xì)胞角膜緣活體組織自體或異體角膜上皮體外培養(yǎng)系統(tǒng)2015 年 意大利干細(xì)胞治療產(chǎn)品 Holoclar 治療角膜緣干細(xì)胞缺損獲批歐盟37112例自體邊緣干細(xì)胞移植治療眼部灼傷(ocular burns) 。76.6% 獲得成功，46例復(fù)明。38總結(jié)角膜缺損可由角膜緣干細(xì)胞再生角膜緣干細(xì)胞在體外環(huán)境中可以再生為角膜再生角膜可以移植可以實(shí)現(xiàn)自體或異體角膜再生移植39Pax6 在小鼠眼部發(fā)育和晶狀體

13、發(fā)育中重要作用綠色的為Pax6 表達(dá)細(xì)胞，藍(lán)色為DAPI 細(xì)胞核熒光染料A矢狀的切表示pax6 在晶狀體的表達(dá)，B pax6雜合子的右手列可見晶狀體纖維是形成，C 無pax6 表達(dá)的眼睛（2）晶狀體再生40兔子晶狀體細(xì)胞的體外培養(yǎng)A。PAX6， SOX2 蛋白表達(dá)陽(yáng)性的兔子晶狀體細(xì)胞B 類晶狀體體外形成c. 類晶狀體晶狀體上皮細(xì)胞(lens epithelial cell,LEC) 41兔眼微創(chuàng)手術(shù)證實(shí)晶狀體再生A. 1.2mm2 晶狀體微創(chuàng)b.裂隙燈檢查晶狀體再生c.7周后晶狀體愈合，可見眼底4228d兔眼的晶狀體再生晶狀體干細(xì)胞在囊袋中分布和生長(zhǎng)前面后面LEC：晶狀體表皮干細(xì)胞術(shù)后7周兔晶

14、狀體Pax6 蛋白染色，示干細(xì)胞43微創(chuàng)手術(shù)治愈先天性白內(nèi)障congenital cataract微創(chuàng)手術(shù)移除部分晶狀體組織，保持晶狀體囊袋的完整每年人工晶體植入2000萬人12名患兒中山大學(xué)眼科中心，2016囊袋開口囊袋開口縫合再生的晶狀體44C.眼前節(jié)分析系統(tǒng)顯示六月后囊袋中的晶狀體組織重生，眼底有光D. 六月后雙凸透鏡形成，眼底清晰。指出圖中的不同點(diǎn)？45總結(jié)：兔眼的晶狀體發(fā)育體外培養(yǎng)晶狀體干細(xì)胞可以形成晶狀體取走兔眼晶狀體，再生晶狀體4. 取走人眼晶狀體，再生晶狀體463.人類的無性繁殖 胚狀體中的綠色細(xì)胞表明存在SOX17基因 在囊胚中，一些細(xì)胞形成了內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(胎兒)，另一些則形成外

15、壁(胎盤)。內(nèi)細(xì)胞團(tuán)-多能干細(xì)胞一小部分會(huì)變成原始生殖細(xì)胞(primordial germ cells，PGCs)， 具有分化成為生殖細(xì)胞(精子和卵子)的潛力。 47成熟精子和卵子細(xì)胞的關(guān)鍵基因SOX17 導(dǎo)入人胚胎干細(xì)胞,激活人類原始生殖細(xì)胞BLIMP1抑制體細(xì)胞基因表達(dá)SOX17基因CD38人類原始生殖細(xì)胞表面標(biāo)記無性生殖？48494.組織器官修復(fù) 組織工程：開發(fā)能夠修復(fù)、維持或改善損傷組織的人工生物替代物。 待移植病人 已移植病人器官移植統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)人造組織：利用人體自身細(xì)胞，使原先缺損的組織和器官沿著設(shè)計(jì)好的支架、模型順其自然地成長(zhǎng)起來。 三要素：細(xì)胞：增殖、分化、自組裝成組織和器官生長(zhǎng)因

16、子：調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖和分化胞外基質(zhì)：支撐和指導(dǎo)細(xì)胞增殖、分化49人干細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞產(chǎn)品的安全性評(píng)估起始原料（starting material），細(xì)胞的復(fù)制差異性（reproducible differentiation）細(xì)胞生產(chǎn)過程進(jìn)行評(píng)估，細(xì)胞產(chǎn)品的均一性和體內(nèi)特性評(píng)估 （生物分布性（biodistribution）、 致瘤性（tumorigenicity）、 毒性（toxicity） 免疫原性（immunogenicity）等指標(biāo)）50干細(xì)胞產(chǎn)品移植要求：充分增殖并產(chǎn)生足夠量的細(xì)胞供給組織重建能夠分化為既定細(xì)胞類型移植后能夠在受體上存活并整合到周圍組織中去能夠發(fā)揮功能避免對(duì)受體造成傷害，也避

17、免免疫排斥問題51自體軟骨組織修復(fù)治療：股骨頭軟骨部分缺損Genzyme公司 Genzyme公司的Carticel 產(chǎn)品 1. 取健康軟骨骨膜2. 體外擴(kuò)增千萬級(jí)軟骨細(xì)胞3. 種植細(xì)胞在覆蓋健康骨膜的缺損面損傷活體取健康軟骨52清理?yè)p害軟骨缺口縫合健康骨膜剝離健康骨膜備用骨科手術(shù)5354第一種方式：治療性復(fù)制 (therapeutic cloning)，也就是利用體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移 (SCNT)的技術(shù)，病患本身的體細(xì)胞DNA微注射至去核卵子里，從得到的囊胚里分離出胚胎干細(xì)胞。第二種方案：將體細(xì)胞 經(jīng)iPS變成胚胎干細(xì)胞。訂做干細(xì)胞纖維母細(xì)胞卵子體細(xì)胞核移植囊胚核移植-胚胎干細(xì)胞分 化54利用胎兒成纖

18、維細(xì)胞核與去核卵子形成囊胚和胚胎干細(xì)胞2013胎兒纖維母細(xì)胞未處理的低質(zhì)量囊胚 （內(nèi)細(xì)胞團(tuán)不明顯，部分細(xì)胞外溢）C.直接進(jìn)行核移植的多核卵子?？梢娫炎雍凸w細(xì)胞的紡錘體。D.Caffeine 處理后的體細(xì)胞紡錘體。E. Caffeine 處理后囊胚。F. 收集培養(yǎng)后的胚胎干細(xì)胞。5556定制治療用iPS實(shí)驗(yàn)流程干細(xì)胞治療安全么？鐮刀貧血小鼠收集皮膚細(xì)胞重編程為干細(xì)胞樣的iPS 細(xì)胞遺傳學(xué)確證iPS 細(xì)胞正 確 的 突 變遺傳正確的iPS 細(xì)胞分化為造血干細(xì)胞5657人工動(dòng)脈管：聚合物管狀骨架+血管內(nèi)皮細(xì)胞人工角膜：用醫(yī)用高分子材料制成的類似人體角膜的產(chǎn)品。人工角膜一般包括光學(xué)鏡柱和周邊支架兩

19、部分。要求具有良好的組織相容性 。TransCyte皮膚替代物： 它由取自皮膚真皮或表皮層的細(xì)胞在一個(gè)生物可降解的聚合物上生長(zhǎng)而成。TransCyte 能作為創(chuàng)口的臨時(shí)覆蓋物，可用于2 度或3 度燒傷的病人。其它人體組織器官類商業(yè)產(chǎn)品5758 3D打印技術(shù) 即 3D打印 ，是快速成型技術(shù)的一種，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印組織器官58593D立體打印技術(shù)1986年，Charles Hull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利。1995年，美國(guó)ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開始開發(fā)3D打印機(jī)。2005年，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車Urbee問世。2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。2011年7月，英國(guó)研究人員開發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。2013年10月，全球首次成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打