1、第十三章 干細(xì)胞,Stem Cell,第一節(jié) 干細(xì)胞的定義及其生物學(xué)特征 第二節(jié) 胚胎干細(xì)胞 第三節(jié) 成體干細(xì)胞 第四節(jié) 癌干細(xì)胞 第五節(jié) 干細(xì)胞與醫(yī)學(xué),第一節(jié) 干細(xì)胞的定義及其生物學(xué)特征,干細(xì)胞的定義和分類 干細(xì)胞的形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)特征 干細(xì)胞的增殖特性 干細(xì)胞的分化潛能 干細(xì)胞增殖與分化的調(diào)控,一、干細(xì)胞的定義和分類,干細(xì)胞的定義,是指存在于個體發(fā)育過程中，具有長期（或無限）自我更新、并能分化產(chǎn)生某種（或多種）特殊細(xì)胞的生物學(xué)特性的原始細(xì)胞。,Human has about 5 billions cells, more than 200 cell types.,干細(xì)胞是個體的生長發(fā)育、組織

2、器官的結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)平衡、以及損傷后的再生修復(fù)等生命現(xiàn)象發(fā)生的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。,存在于生物體的不同發(fā)育階段的干細(xì)胞，其自我更新和分化潛能有明顯差異。 全能干細(xì)胞（totipotent stem cell）：可以發(fā)育成完整的個體 。,多能干細(xì)胞（pluripotent stem cell） ：具有產(chǎn)生個體中任何一種組織細(xì)胞的潛能，但不能發(fā)育成個體。,專能干細(xì)胞（multipotent stem cell）或組織特異性干細(xì)胞：只能分化成某一種類型的細(xì)胞。,During embryonic development, the development potential of cell is progre

3、ssively restricted.,干細(xì)胞的分類, 根據(jù)干細(xì)胞所處的發(fā)育階段分為： 胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cell） 成體干細(xì)胞（adult stem cell） 根據(jù)干細(xì)胞的發(fā)育潛能分為： 全能干細(xì)胞（totipotent stem cell） 多能干細(xì)胞（pluripotent stem cell） 專能干細(xì)胞（multipotent stem cell） 癌干細(xì)胞（cancer stem cell）,二、干細(xì)胞的形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)特性,形態(tài)學(xué)特征 細(xì)胞的體積較小 核/質(zhì)比相對較大 細(xì)胞質(zhì)中各種細(xì)胞器不夠發(fā)達(dá),生物化學(xué)特性 與其所存在的組織類型密切相關(guān) 與其分化程度有

4、關(guān),三、干細(xì)胞的增殖特征,增殖的緩慢性 有利于對特定的外界信號做出反應(yīng) 減少基因發(fā)生突變的危險,增殖系統(tǒng)的自穩(wěn)定性 對稱分裂（symmetry division） 不對稱分裂 （asymmetry division）,四、干細(xì)胞的分化潛能,處于不同發(fā)育階段的干細(xì)胞的分化潛能也不相同。,分離自成體的干細(xì)胞仍有相當(dāng)?shù)目伤苄裕谶m當(dāng)?shù)臈l件下可以表現(xiàn)出更廣泛的分化能力，甚至實現(xiàn)跨胚層的分化。,干細(xì)胞 來源 分化 胚胎干細(xì)胞 內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞 各種類型細(xì)胞 造血干細(xì)胞 骨髓 血細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞 神經(jīng)干細(xì)胞 腦 神經(jīng)細(xì)胞、血細(xì)胞 間質(zhì)干細(xì)胞 骨髓 肌肉、骨髓、脂肪 上皮干細(xì)胞 上皮 上皮組織,干細(xì)胞來

5、源與分化,五、干細(xì)胞增殖與分化的調(diào)控,外源性因素 分泌因子 膜整合蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞間相互作用 整合素與細(xì)胞外基質(zhì),內(nèi)源性因素 轉(zhuǎn)錄因子：如Oct-4和Nanog 細(xì)胞內(nèi)蛋白：如Insc蛋白 “時鐘”因子,第二節(jié) 胚胎干細(xì)胞,ES細(xì)胞的定義 人胚胎干細(xì)胞系的建立 ES細(xì)胞的來源 ES細(xì)胞的生物學(xué)特性 ES細(xì)胞的開發(fā)和利用,胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cell，ES細(xì)胞）：,存在于早期胚胎中，具有多向分化潛能和無限增殖能力的細(xì)胞。 廣義的ES細(xì)胞包括： ES細(xì)胞 胚胎生殖細(xì)胞（embryonic germ cell, EG細(xì)胞）,一、人ES細(xì)胞系的建立,從體外受精形成的囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中獲

6、得人ES細(xì)胞,從流產(chǎn)胎兒的生殖嵴和腸系膜中分離獲得5個多潛能干細(xì)胞系 （EG細(xì)胞）,二、ES細(xì)胞的來源,桑椹胚 胚泡內(nèi)細(xì)胞團(tuán) 胎兒生殖嵴 體細(xì)胞核移植技術(shù) 用人成熟細(xì)胞核置換人卵細(xì)胞的遺傳物質(zhì) 將人的細(xì)胞核植入到其他哺乳動物的卵細(xì)胞 將人的細(xì)胞核植入ES細(xì)胞的胞漿內(nèi),三、ES細(xì)胞的生物學(xué)特性,形態(tài)學(xué)特征: 具有穩(wěn)定的二倍體核型； 細(xì)胞相對較小； 核大，有一個或幾個核仁，核中多為常染色質(zhì)； 胞質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，散布著大量核糖體和線粒體； 在體外分化抑制培養(yǎng)中呈克隆狀生長，細(xì)胞緊密 地聚集在一起，形似鳥巢，細(xì)胞界限不清。,生化特征: 表達(dá)早期胚胎細(xì)胞的表面抗原； 含有豐富的堿性磷酸酶； 還具有很強(qiáng)的端粒

7、酶活性； 表達(dá)干細(xì)胞因子（stem cell factor，SCF）、 CD30、TRA-1-60和TRA-1-81等。,ES細(xì)胞的多向分化潛能 主要體現(xiàn)在以下幾方面： 形成擬胚體：懸浮培養(yǎng) 形成畸胎瘤：注入免疫缺陷小鼠體內(nèi) 形成嵌合體：注射到胚泡腔 直系分化：控制ES生長環(huán)境，或遺傳操縱特 定基因表達(dá),四、ES細(xì)胞系的開發(fā)和利用,發(fā)育生物學(xué)研究的理想體外模型 作為生產(chǎn)克隆動物的高效材料 作為生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物的高效載體 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用, 倫理學(xué)問題,第三節(jié) 成體干細(xì)胞,成體干細(xì)胞的定義 造血干細(xì)胞 間充質(zhì)干細(xì)胞 神經(jīng)干細(xì)胞,成體干細(xì)胞（adult stem cell）：,在成體組織內(nèi)具有自我更新

8、能力及能分化產(chǎn)生一種或一種以上子代組織細(xì)胞的未成熟細(xì)胞。,類型：造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、皮膚表皮干細(xì)胞、肝干細(xì)胞腸上皮干細(xì)胞、視網(wǎng)膜干細(xì)胞、胰腺干細(xì)胞等。,成體干細(xì)胞及干細(xì)胞巢,成體干細(xì)胞的獲得,一、造血干細(xì)胞（hematopoietic stem cell，HSC）,指存在于造血組織內(nèi)的一類能分化生成各種血細(xì)胞的原始細(xì)胞，又稱多能造血干細(xì)胞。,粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞系,HSC,多能淋巴細(xì)胞,多能髓性造血干細(xì)胞,功能性淋巴細(xì)胞,紅細(xì)胞系,巨核細(xì)胞系,白細(xì)胞,紅細(xì)胞,血小板,HSC的分化,造血干細(xì)胞,HSC主要存在于紅骨髓內(nèi)，約占骨髓有核細(xì)胞的0.5，另外在脾臟、淋巴組織和外周血中也有

9、極少量的HSC。,人HSC的表面標(biāo)志包括CD34+、CD38、Lin、HLA-DR+、Thy-1+、c-kit+、Sca-1+、LFA-l+、CD45RA、CD71等。,HSC的分化與局部微環(huán)境和不同造血因子的調(diào)節(jié)有關(guān)。 細(xì)胞因子：干細(xì)胞因子、FLT3配基（FL）、血小板生成素（TPO）、紅細(xì)胞生成素（EPO）、鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子GATA-1、白細(xì)胞介素-3（IL-3）、白細(xì)胞介素-6（IL-6）、白細(xì)胞介素-6受體（IL-6R等十幾種。,二、間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cell，MSC）,MSC是中胚層發(fā)育的早期細(xì)胞，形成于發(fā)育中的骨髓腔，在個體出生后，附著在骨髓竇的內(nèi)腔面

10、，形成一種包埋于竇狀網(wǎng)絡(luò)中的三維細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。,MSC的標(biāo)志抗原有SH2、SH3、CD29、CD44、CD71、CD90、CDl06、CDl20a和CDl24等,MSC可分化為骨、關(guān)節(jié)、脂肪、肌腱、肌肉和骨髓基質(zhì)等多種組織。,三、神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cell，NSC）,成體神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)具有自我更新及分化形成神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞等成熟腦細(xì)胞能力的細(xì)胞。,位于海馬和環(huán)繞側(cè)腦室的室管膜下層。,NSC的特征性標(biāo)志蛋白：巢蛋白。,第四節(jié) 癌干細(xì)胞,癌干細(xì)胞的定義 癌干細(xì)胞的特性 癌干細(xì)胞的起源 癌干細(xì)胞研究對腫瘤治療的啟示,癌干細(xì)胞（cancer stem cell）：,在白血病

11、以及一些實體腫瘤中，只有一小部分腫瘤細(xì)胞具有無限的增殖能力，并能夠形成新的腫瘤。這些具有腫瘤形成能力的細(xì)胞被稱為癌干細(xì)胞。,一、癌干細(xì)胞的特性,具有腫瘤形成能力是癌干細(xì)胞的本質(zhì)特征。 鑒定癌干細(xì)胞的方法：首先通過分子標(biāo)志將腫瘤細(xì)胞懸液用流式細(xì)胞儀分選為若干亞群，然后移植到裸鼠體內(nèi)觀察其成瘤性，癌干細(xì)胞就存在于具有成瘤性的細(xì)胞亞群中。 白血病干細(xì)胞的分子標(biāo)志： CD34 + CD38 Thy 乳腺癌干細(xì)胞的分子標(biāo)志：LIN ESA B38.1CD44 CD24/LOW,二、癌干細(xì)胞的起源,癌干細(xì)胞很可能由正常干細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來。,三、癌干細(xì)胞研究對腫瘤治療的啟示,癌干細(xì)胞對傳統(tǒng)的腫瘤治療方法可能不敏

12、感，可使癌癥復(fù)發(fā)。 癌干細(xì)胞是導(dǎo)致腫瘤耐藥性的細(xì)胞。,第五節(jié) 干細(xì)胞與醫(yī)學(xué),應(yīng)用于組織和器官克隆 在基因和細(xì)胞治療上的應(yīng)用 指導(dǎo)藥物的研制和應(yīng)用 制造人類疾病的轉(zhuǎn)基因模型,一、應(yīng)用于組織和器官克隆,可治療神經(jīng)退行性病變、糖尿病、脊髓損傷及造血系統(tǒng)疾病。 用自體細(xì)胞的核去置換ES細(xì)胞核，再經(jīng)定向誘導(dǎo)分化克隆出所需要的組織、器官，從而達(dá)到替換病變組織和器官之目的治療性克隆。,組織工程生物學(xué)和工程學(xué)相結(jié)合的技術(shù)。其目標(biāo)是人工培育用于移植的人類或動物的組織和器官，主要操作過程之一是在支架（生物降解聚合物）上種植細(xì)胞，而ES細(xì)胞是最佳的侯選者。,組織工程與“人耳鼠”,2001年，我國舉辦了“863計劃十

13、五周年成就展” ，其中展出的“人耳鼠”受到了廣泛地關(guān)注。 “人耳鼠”的制作關(guān)鍵在“人耳”，先用一種高分子化學(xué)材料聚羥基乙酸做成人耳的模型支架，讓細(xì)胞在這個支架上繁殖生長，然后，在裸鼠的背上割開一個口子，將已經(jīng)培養(yǎng)好的“人耳”植入后縫合。“人耳”支架最后會自己降解消失，于是，“人耳”便與老鼠渾然成為一體。,二、在基因和細(xì)胞治療上的應(yīng)用,基因治療 ES細(xì)胞導(dǎo)入外源基因后能穩(wěn)定地增殖傳代并可獲得長效的表達(dá)。因此應(yīng)用遺傳學(xué)技術(shù)對ES細(xì)胞在體外進(jìn)行改造，可使基因治療更具有靶向性，通常應(yīng)用基因打靶術(shù)對ES細(xì)胞進(jìn)行遺傳學(xué)操作。,基因打靶技術(shù),細(xì)胞治療 是將正常的干細(xì)胞或由其分化產(chǎn)生的功能細(xì)胞植入病變部位代償病變細(xì)胞喪失的功能。干細(xì)胞提供了可用于移植的細(xì)胞。 HSC移植治療血液系統(tǒng)惡性疾病、先天性遺傳病以及多發(fā)性和轉(zhuǎn)移性惡性腫瘤疾病。 NSC移植治療帕金森癥、小兒麻痹阿爾茨海默癥、中風(fēng)、癲癇、腦外傷等。,2020/8/19,47,Stem cells migrate to sites of organ damage and differentiate to cell types competent to participate in tissue