1、干細胞與組織再生,Stem cell &cell regeneration,再生(regeneration)指生物體受損后的組織或器官的重新形成已失去部分的過程。 組織修復/組織再生,自然界中生物的再生現(xiàn)象,將水螅切斷后，斷面能夠識別頭部或者尾部的位置，如果切掉的是頭，頭部將在該位置再生；如果切掉的是尾，尾巴將在該位置再生。 蠑螈的四肢、壁虎的尾巴都具有自然再生的能力 人體組織也有再生現(xiàn)象。,細胞的再生,物種的再生能力與組織和器官的分化程度相反。 肌體的再生和細胞的修復均由干細胞來補充。 組織干細胞保持著自我更新和分化的潛能，維持組織器官的穩(wěn)態(tài)平衡。,干細胞 stem cell,干細胞是一類具

2、有自我更新和分化潛能的細胞，能夠產(chǎn)生至少一種類型的、高度分化的子代細胞。 個體發(fā)育的不同階段不同組織中均存在。 隨發(fā)育的進程其數(shù)量和分化潛能逐漸降低。 它的主要功能是控制和維持細胞的再生。,按分化潛能可將干細胞分為,全能干細胞(totipotent stem cell) ：任何一個細胞都可以發(fā)育成一個完整個體，如受精卵桑葚胚 多能 干細胞(pluripotent stem cell) ：可以分化為來自內(nèi)、中、外三個胚層的各種細胞，如內(nèi)細胞團 專能干細胞(multipotent stem cell )：如如神經(jīng)干細胞、造血干細胞 單能干細胞（unipotent stem cell ：如表皮干細胞

3、,按發(fā)生學來源可將干細胞分為,胚胎干細胞(embryonic stem cell，ESC) 、生殖干細胞(germline stem cell )和成體肝細胞（adult stem cell ） 組織干細胞tissue specific stem cell,人類胚胎干細胞,成體干細胞(adult stem cell )：出現(xiàn)在已特化的組織中的未分化的細胞，能夠自我更新，并且能分化產(chǎn)生該組織的各種特化類型的組織細胞。,An adult stem cell collected from human bone marrow,干細胞的生物學特征,干細胞具有未分化或低分化特性，多向分化潛能。 干細胞具有

4、“無限”的自我更新能力。 可連續(xù)分裂幾代，也可在較長時間內(nèi)處于靜止狀態(tài)。,干細胞的形態(tài)及生化特征,形態(tài)：體積小、核大、細胞器不發(fā)達 生化：干細胞的共同標志，如端粒酶活性 不同干細胞的特有標志，如人造血干細胞表現(xiàn)為CD34和 CD133 ；上皮干細胞有高表達的1整合素，可介導干細胞與細胞外基質(zhì)粘附從而抑制其分化的發(fā)生；神經(jīng)干細胞 Nestin、CD133和CD24等,本質(zhì)特征：具有增殖和自我更新能力以及在適當條件下表現(xiàn)出一定的分化潛能。,獨特的增殖特性,分裂的周期性慢，絕大多數(shù)干細胞處于G0期。進入分化程序時先經(jīng)過一個短暫的增殖期，形成過渡放大細胞（transit amplifying cell

5、）,意義：緩慢增殖有利于對外界信號做出反應，減少發(fā)生基因突變的危險，而快速分裂的過渡放大細胞使干細胞僅進行較少次數(shù)的分裂即可產(chǎn)生較多數(shù)量的分化細胞。,增殖有自穩(wěn)定性,通過自我更新（self-renewing）和維持自身數(shù)量實現(xiàn)自穩(wěn)定性（self-maintenance）。 在自我更新中，分裂的形式分為對稱分裂和不對稱分裂。,對稱分裂symmetry division：干細胞分裂產(chǎn)生同類型細胞，如兩個子細胞都是干細胞或都是分化細胞 不對稱分裂asymmetry division：干細胞分裂產(chǎn)生不同類型細胞，如兩個子細胞中一個是干細胞另一個是分化細胞,干細胞有可塑性,在適當條件下，可實現(xiàn)細胞的轉(zhuǎn)分

6、化和去分化。 轉(zhuǎn)分化（transdifferentiation） ：一種組織類型的干細胞，在適當條件下分化成另一組織類型的細胞。 去分化（dedifferentiation）：干細胞向其前體細胞的逆向轉(zhuǎn)化。,1999年Goodell分離出小鼠的肌肉干細胞，體外培養(yǎng)5天后，與少量的骨髓間質(zhì)細胞一起移植入接受亞致死量輻射的小鼠中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌肉干細胞會分化為各種血細胞系。,轉(zhuǎn)分化,該現(xiàn)象的調(diào)控機制目前還不清楚。大多數(shù)觀點認為干細胞的分化與微環(huán)境密切相關(guān)?？赡艿臋C制是，干細胞進入新的微環(huán)境后，對分化信號的反應受到周圍正在進行分化的細胞的影響，從而對新的微環(huán)境中的調(diào)節(jié)信號做出反應。,去分化,干細胞微環(huán)境

7、,一系列的干細胞與細胞外所有物質(zhì)共同構(gòu)成的細胞生長的微環(huán)境，又稱為干細胞巢（stem cell niche）。 是干細胞維持自我更新和分化潛能的重要場所。,干細胞微環(huán)境包括多種組成成分,信號分子:以自分泌或旁分泌的形式影響干細胞的增殖與分化。 細胞黏附分子:確保干細胞定居于微環(huán)境中，并接受信號分子的調(diào)節(jié)。 細胞外基質(zhì):對干細胞正常功能的維持提供了重要信號，并且可以直接調(diào)節(jié)干細胞的分化方向。 空間效應:空間結(jié)構(gòu)對保持適宜的干細胞數(shù)目和干細胞的定向分化發(fā)揮了重要作用。,干細胞需要特殊的微環(huán)境才能執(zhí)行正常的生理功能,如果將造血干細胞從其正常生存的微環(huán)境中分離，它們即喪失了自我更新的能力。 微環(huán)境還能

8、調(diào)控干細胞的分化發(fā)育方向，在不同信號途徑構(gòu)成的微環(huán)境中，干細胞能向不同的譜系細胞分化。,黃禹錫造假,小保方晴子造假,胚胎干細胞(embryonic stem cell，ESC),在人胚胎發(fā)育早期囊胚中含有未分化的細胞。 囊胚含有約140個細胞，外表是一層扁平細胞，稱滋養(yǎng)層，可發(fā)育成胚胎的支持組織如胎盤等。中心的腔稱囊胚腔，腔內(nèi)一側(cè)的細胞群，稱內(nèi)細胞群（inner cell mass, ICM） 。,內(nèi)細胞群在形成內(nèi)、中、外三個胚層時開始分化。每個胚層將分別分化形成人體的各種組織和器官。 當內(nèi)細胞群在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)時，我們稱之為胚胎干細胞。,ESC特點,可在體外無限培養(yǎng)增殖 長期保持原始未分化狀態(tài)

9、 可分化出衍生于3胚層的各類組織細胞,胚胎干細胞可以誘導分化為任何一種組織細胞,胚胎干細胞的獲得,Thomson的工作:從人類胚胎的囊胚期內(nèi)細胞群中直接分離多能干細胞。 Gearhart的工作：Gearheart從從終止妊娠的胎兒原本要發(fā)育成睪丸或卵巢的部位取得細胞。,盡管Thomson 和Gearheart使用的細胞系來源不同，但非常相似。,體細胞核轉(zhuǎn)移,將一個正常的動物卵細胞去除細胞核（含染色體的細胞結(jié)構(gòu)）。存留在卵細胞內(nèi)的物質(zhì)含營養(yǎng)成分和對胚胎發(fā)育非常重要的能量物質(zhì)。而后，在非常精細調(diào)控的實驗室條件下，將單個體細胞除卵細胞或精子細胞之外的任一種細胞與除去核卵細胞放在一起，使兩者相融合。融

10、合細胞以及其子細胞具有發(fā)育成一個完整個體的潛能，因此是全能性的。,體細胞核轉(zhuǎn)移,胚胎干細胞的主要特征,形態(tài)：體積小、核大、緊密堆積，無明顯細胞界限 生化：胚胎階段特異性抗原（stage-specific embryonic antigen，SSEA） 端粒酶活性高 分化能力強，可在體外長期培養(yǎng),將ESC注射到裸鼠皮下，小鼠可產(chǎn)生畸胎瘤。分化的胚胎組織包括胃上皮組織(內(nèi)胚層),骨和軟骨組織、平滑肌和橫紋肌(中胚層)，神經(jīng)表皮、神經(jīng)節(jié)和復層鱗狀上皮(外胚層)等。 動物模型：嵌合體小鼠,為什么進行胚胎干細胞研究,干細胞技術(shù)的市場前景 研究干細胞增殖和分化機制的最終目的是應用干細胞治療疾病。理論上講，

11、干細胞可以用于各種疾病的治療，但其最適合的疾病主要是組織壞死性疾病如缺血引起的心肌壞死，退行性病變?nèi)缗两鹕C合征，自體免疫性疾病如胰島素依賴型糖尿病等。 優(yōu)點明顯 應用干細胞治療疾病較傳統(tǒng)方法具有很多優(yōu)點： 低毒性（或無毒性），一次給藥有效； 不需要完全了解疾病發(fā)病的確切機理； 還可能應用自身干細胞移植，避免產(chǎn)生免疫排斥反應。,存在的問題,ESC的分離培養(yǎng)首先需要解決的問題是阻止引起分化的基因的激活與表達，以實現(xiàn)分化抑制，保證細胞的全能性。ESC在體外需在飼養(yǎng)層(feeder layer)細胞上培養(yǎng)才能維持其未分化狀態(tài)，一旦脫離飼養(yǎng)層就自發(fā)地進行分化。 選擇合適培養(yǎng)基，添加LIF（小鼠ES細胞

12、 ）,LIF是目前唯一明確的保持小鼠干細胞特性的重要細胞因子，維持其增殖狀態(tài)。,LIF-STAT信號通路圖,如何定向誘導干細胞分化？- 細胞分化是多種細胞因子相互作用引起細胞一系列復雜的生理生化反應的過程，因而要誘導產(chǎn)生某種特異類型的組織，需要了解各種因子在何時何地開始作用，以及何時何地停止作用。 由胚胎干細胞在體外發(fā)育成一完整的器官尤其是像心、肝、腎、肺等大型精細復雜的器官這如何克服移植排斥反應 對胚胎干細胞及其衍生細胞的移植的安全性尚需做全面、客觀、深入的評價。 人胚胎干細胞的來源是否合乎法律及道德，應用過程中所產(chǎn)生的倫理及法律問題如何處理。,研究表明人體脂肪、胎盤等組織中的干細胞，具有驚

13、人的可塑性，和胚胎干細胞一樣，可以分化成各種各樣的組織細胞，可以通過誘導使成體干細胞進行特化發(fā)育，然后將其移植回病人體內(nèi)，這樣既可以避免發(fā)生排斥現(xiàn)象，也可以避免使用來源于人體胚胎或人體胎兒的干細胞。,成體干細胞的不足之處： 人們尚未從人體的全部組織中分離出成體干細胞，例如人們尚未發(fā)現(xiàn)人類的成體心臟干細胞。 成體干細胞含量極微，很難分離和純化，且數(shù)量隨年齡增長而降低。 在一些遺傳缺陷疾病中，遺傳錯誤很可能也會出現(xiàn)于病人的干細胞中，這樣的干細胞不適于移植。 成人身上獲得的干細胞可能沒有年輕人的干細胞那樣的增殖能力。 由于日常生活中人是暴露在各種環(huán)境之下的，日光和毒素等都有可能造成基因突變，成體干細

14、胞可能包含更多的DNA異常等等。,iPS細胞（induced pluripotent stem cells）,2006年Yamanaka發(fā)現(xiàn)，胚胎干細胞中存在一系列特異性表達的蛋白質(zhì)，而當胚胎干細胞分化時，這些蛋白表達減少。提出如果在小鼠體細胞內(nèi)表達這些蛋白，或許能使體細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈杉毎苄再|(zhì)的細胞。,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)可使用病毒載體將Oct4，Sox2，c-Myc和Klf4等轉(zhuǎn)錄因子導入到小鼠皮膚成纖維細胞，形成具有干細胞形態(tài)的細胞群落。這些細胞群落具有SSEA，也通過畸胎瘤形成等其他干細胞指標檢測，充分證明了它們具有多能性。,Oct4，Sox2被證明是維持干細胞狀態(tài)所必需的因子，而另外兩個因

15、子更多起到的是促進轉(zhuǎn)化和抑制凋亡的作用。 Oct4, Sox2, c-Myc 、 Klf4或Oct4, Sox2, Nanog 、Lin28 Oct4 、Klf4或c-Myc（神經(jīng)細胞） Oct4（鼠神經(jīng)干細胞）？,這一發(fā)現(xiàn)分別被自然和科學雜志評為2007年第一和第二大科學進展。 2008.4，美國科學家將實驗鼠皮膚細胞改造成iPS細胞，然后成功使其分化成心肌細胞、血管平滑肌細胞及造血細胞。 2009.2，日本科學家宣布成功利用人類皮膚細胞制成的iPS細胞培育出血小板，而且聲稱從技術(shù)上說用iPS細胞培育人類紅細胞和白細胞都是可能的。 2010.6，美、日的三個研究小組分別實現(xiàn)了將人體血細胞轉(zhuǎn)化為iPS細胞。,iPS細胞與胚胎干細胞相比有很多優(yōu)點： iPS細胞則由體細胞誘導產(chǎn)生，不存在來源的問題。 iPS細胞取自病人組織，產(chǎn)生的是病人特異的干細胞，避免了免疫排