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现代生物学导论结课论文题目：干细胞及其意义专业：海洋生物学与海洋化学学号：08051228学院：海洋学院姓名：刘萍日期：2009-12-09题目：干细胞及其意义刘萍摘要:正文 干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞。在一定的条件下能分化成多种功能的细胞。按能力可分为全能干细胞，多能干细胞，万能干细胞，专一干细胞。按位置可分为胚胎干细胞，成体干细胞，神经干细胞，造血干细胞，肌肉干细胞。干细胞从发现到应用只用了几十年的历史，但是历史发展十分丰富。能过通过其创造出精子与卵细胞，以及其他一些生物。干细胞有很广泛的研究意义可用于临床治疗与人体的延年益寿。作者单位:天津科技大学08级海洋学院海洋生物学与海洋化学专业关键词：干细胞 胚胎干细胞 培育 生物应用1.干细胞的定义 干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。干细胞有两种分类方法，一是根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。第二种分类方法是根据干细胞的发育潜能分为三类：全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。胚胎干细胞的发育等级较高，是全能干细胞，而成体干细胞的发育等级较低，是多能或单能干细胞。干细胞是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称之为“万用细胞”。 干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。它包括胚胎干细胞和成体干细胞。干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。目前人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。最新研究发现，成体干细胞可以横向分化为其他类型的细胞和组织，为干细胞的广泛应用提供了基础。在胚胎的发生发育中，单个受精卵可以分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中，正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进一步分化的结果。胚胎干细胞是全能的，具有分化为几乎全部组织和器官的能力。而成年组织或器官内的干细胞一般认为具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织。 然而，这个观点目前受到了挑战。 最新的研究表明，组织特异性干细胞同样具有分化成其他细胞或组织的潜能，这为干细胞的应用开创了更广泛的空间。 干细胞具有自我更新能力，能够产生高度分化的功能细胞。干细胞按照生存阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞 。1.1干细胞的分类干细胞按能力可以分为以下四类：1.1.1.全能干细胞由卵和精细胞的融合产生受精卵。而受精卵在形成胚胎过程中四细胞期之前任一细胞皆是全能干细胞。具有发展成独立个体的能力。也就是说能发展成一个个体的细胞就称为全能干细胞。1.1.2.万能干细胞是全能干细胞的后裔，无法发育成一个个体，但具有可以发育成多种组织的能力的细胞。1.1.3.多能干细胞只能分化成特定组织或器官等特定族群的细胞（例如血细胞，包括红血细胞、白血细胞和血小板）。1.1.4.专一性干细胞只能产生一种细胞类型；但是，具有自更新属性，将其与非干细胞区分开。1.2干细胞按照位置可以分为以下五类： 1.2.1 胚胎干细胞 胚胎干细胞胚胎干细胞当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。进一步说，胚胎干细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。细胞的研究可追溯到上世纪五十年代，由于畸胎瘤干细胞的发现开始了ES细胞的生物学研究历程。 目前许多研究工作都是以小鼠ES细胞为研究对象展开的移植技术，随着ES细胞的研究日益深入，生命科学家对人类ES细胞的了解迈入了一个新的阶段。在98年末，两个研究小组成功的培养出人类ES细胞，保持了ES细胞分化为各种体细胞的全能性。这样就使科学家利用人类ES细胞治疗各种疾病成为可能。1.2.2 成体干细胞 成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明，以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞,说明成体干细胞普遍存在，问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞经常位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体，与干细胞相互作用，控制干细胞的更新和分化。 1.2.3 造血干细胞 造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。今年年初，协和医大血液学研究所的庞文新又在肌肉组织中发现了具有造血潜能的干细胞。造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的最有效方法. 1.2.4神经干细胞 神经干细胞关于神经干细胞研究起步较晚，由于分离神经干细胞所需的胎儿脑组织较难取材，加之胚胎细胞研究的争议尚未平息，神经干细胞的研究仍处于初级阶段。理论上讲，任何一种中枢神经系统疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。脑和脊髓由于血脑屏障的存在使之在干细胞移植到中枢神经系统后不会产生免疫排斥反应，如：给帕金森氏综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经干细胞，可治愈部分患者症状。除此之外，神经干细胞的功能还可延伸到药物检测方面，对判断药物有效性、毒性有一定的作用。1.2.5肌肉干细胞可发育分化为成肌细胞，后者可互相融合成为多核的肌纤维，形成骨骼肌最基本的结构。2.干细胞研究的历史情况干细胞的研究被认为开始于六十年代，在加拿大科学家恩尼斯特莫科洛克和詹姆士堤尔的研究之后。1959年，美国首次报道了通过体外受精动物。60年代，几个近亲种系的小鼠睾丸畸胎瘤的研究表明其来源于胚胎生殖细胞,此工作确立了胚胎癌细胞是一种干细胞。1968年，Edwards 和在体外获得了第一个人卵子。70年代，EC细胞注入小鼠胚泡产生杂合小鼠。培养的SC细胞作为胚胎发育的模型，虽然其染色体的数目属于异常。1978年，第一个试管婴儿，Louise Brown 在英国诞生。1981年，Evan, Kaufman 和Martin从小鼠胚泡内细胞群分离出小鼠ES细胞。他们建立了小鼠ES细胞体外培养条件。由这些细胞产生的细胞系有正常的二倍型，像原生殖细胞一样产生三个胚层的衍生物。将ES细胞注入上鼠，能诱导形成畸胎瘤。19841988年，Anderews 等人从人睾丸畸胎瘤细胞系Tera-2中产生出多能的、可鉴定的（克隆化的）细胞，称之为胚胎癌细胞细胞）。克隆的人EC细胞在视黄酸的作用下分化形成神经元样细胞和其他类型的细胞。1989年，Pera 等分离了一个人EC细胞系，此细胞系能产生出三个胚层的组织。这些细胞是非整倍体的（比正常细胞染色体多或少），他们在体外的分化潜能是有限的。1994年，通过体外授精和病人捐献的人胚泡处于2-原核期。胚泡内细胞群在培养中得以保存其周边有滋养层细胞聚集 ，ES样细胞位于中央。1998年美国有两个小组分别培养出了人的多能干细胞： James A. Thomson在 Wisconsin大学领导的研究小组从人胚胎组织中培养出了干细胞株。他们使用的方法是：人卵体外受精后，将胚胎培育到囊胚阶段，提取 inner cell mass细胞，建立细胞株。经测试这些细胞株的细胞表面 marker 和酶活性，证实他们就是全能干细胞。取得1520干细胞用于培养。 John D. Gearhart在 Johns Hopkins大学领导的另一个研究小组也从人胚胎组织中建立了干细胞株。他们的方法是：从受精后59周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞。由此培养的细胞株，证实具有全能干细胞的特征。2000年，由Pera、领导的新加坡和澳大利亚科学家从治疗不育症的夫妇捐赠的胚泡内细胞群中分离得到人ES细胞，这些细胞体外增殖，保持正常的核型，自发分化形成来源于三个胚层的体细胞系。将其注入免疫缺陷小鼠错开内产生畸胎瘤。2003，建立了人类皮肤细胞与兔子卵细胞种间融合的方法，为人胚胎干细胞研究提供了新的途径。2004年，Massachusetts Advanced Cell Technology 报道克隆小鼠的干细胞可以通过形成细小血管的心肌细胞修复心衰小鼠的心肌损伤。这种克隆细胞比来源于骨髓的成体干细胞修复作用更快、更有效，可以取代40%的瘢痕组织和恢复心肌功能。这是首次显示克隆干细胞在活体动物体内修复受损组织。3.生物方面的应用3.1利用干细胞培育出人工精子卵子美国科学家在实验室中通过人体干细胞制造出人工精子和卵子，在为无数不孕不育症夫妇带来福音的同时，也为人类的亲子关系带来无穷争论。这项研究由美国政府资助。科研团队还研发出利用避孕药推迟女性绝经期的疗法，使其有更长的时间怀孕产子。而干细胞被广泛视为人体修复的重要手段，也是专家们努力研究的目标。加州斯坦福大学的科学家将化学药物和维生素混合，成功诱使干细胞变成了精子和卵子。他们培育出的精子有头部和短小的尾部，被认为发育成熟，完全能够使卵子受精。而卵子培育还处于研究初期，但仍然比其他科学家取得的成果要进步得多。精子和卵子的培育进展发表于自然杂志，为不孕症男女有朝一日培育出自己的精卵用于试管婴儿疗法带来了希望。美国的科研团队利用生长了几天的胚胎干细胞完成了实验，但他们希望进一步利用人体表皮细胞复制精子和卵子的培育过程。表皮细胞将首先放入一种混合物中，该混合物会使表皮细胞的生物钟回溯到胚胎干细胞状态。然后再将其培育成精子和卵子。新的研究突破将揭开精子和卵子产生的诸多奥秘，有助于进一步研发新的治疗不育症的高效药物。科学家已经对精子和卵子的发育过程进行了多年的深入研究，他们认为最大的问题是要弄清楚造成不育症的最主要原因，因为很多症状都出现在子宫中发育过程中。英国谢菲尔德大学男性生育专家阿兰-佩西说：“这将会帮助我们找到治疗男性不育的方法。不一定非要在实验室制造精子，我个人认为也不太可能。但是利用药物或基因疗法可能会提高男性自然生产精子的能力。我知道还任重道远，但这才是崇高的梦想。”3.2成功用单倍体胚胎干细胞培育出半克隆鱼在新加坡国立大学供职的3名中国科研人员以青鳉鱼为模式动物，成功培育出单倍体胚胎干细胞系，并将该单倍体胚胎干细胞的细胞核移植到正常的未受精卵细胞中，培育出一条名叫“霍莉”的半克隆鱼。这项研究由新加坡国立大学生物系教授洪云汉及2名中国助手组成的研究小组完成，成果刊登在最新一期美国科学杂志上。记者16日从该研究小组获悉，与常规克隆技术不同，“霍莉”鱼的遗传物质一半来自人工培育的胚胎干细胞“父亲”，另一半来自正常的卵细胞“母亲”，因此为半克隆鱼。最重要的是，“霍莉”能“生儿育女”，目前15个月大“霍莉”已育有300多个“儿孙”。这一研究为生殖医学技术，特别是为人类不育症的治疗带来了希望。研究人员介绍说，青鳉鱼是一种小型观赏鱼，常被用于胚胎干细胞的研究等。研究人员先用紫外线照射青鳉鱼精子，将其遗传物质灭活。然后将灭活的精子与正常的卵子相混，则卵子被“激活”，开始进行细胞分裂，最终发育成单倍体胚胎。这些单倍体胚胎的细胞分离出来后，研究人员将其放在培养皿中使其经过长时间的持续分裂生长，最终培育出单倍体胚胎干细胞系。研究人员将该单倍体胚胎干细胞的细胞核移植到未受精的卵细胞中，培育出“霍莉”。研究人员表示，这一研究至少在三方面取得突破。首先，他们首次证明了脊椎动物的单倍体细胞在体外条件下培养，其生长和发育能力足以媲美二倍体细胞，而此前则认为这是不可能的。其次，他们获得的单倍体胚胎干细胞系在生物医学研究方面具有广阔而深远的意义。最后，他们利用单倍体胚胎干细胞培育出第一条半克隆鱼，打破传统克隆研究只能对生物进行“复制”的局限。4干细胞研究的意义分化后的细胞，往往由于高度分化而完全丧失了再分化的能力，这样的细胞最终将衰老和死亡。然而，动物体在发育的过程中，体内却始终保留了一部分未分化的细胞，这就是干细胞。干细胞又叫做起源细胞、万用细胞，是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。可以这样说，动物体就是通过干细胞的分裂来实现细胞的更新，从而保证动物体持续生长发育的。 干细胞根据其分化潜能的大小，可以分为两类：全能干细胞和组织干细胞。前者可以分化、发育成完整的动物个体，后者则是一种或多种组织器官的起源细胞。人的胚胎干细胞可以发育成完整的人，所以属于全能干细胞。 早在19世纪，发育生物学家就知道，卵细胞受精后很快就开始分裂，先是1个受精卵分裂成2个细胞，然后继续分裂，直至分裂成有16至32个细胞的细胞团，叫做桑椹胚。这时如果将组成桑椹胚的细胞一一分开，并分别植入到母体的子宫内，则每个细胞都可以发育成一个完整的胚胎。这种细胞就是胚胎干细胞，属于全能干细胞。骨髓、脐带、胎盘和脂肪中则可以获取组织干细胞。每个人的体内都有一些终生与自己相伴的干细胞。但是，人的年龄越大，干细胞就越少。为了弥补干细胞的不足，一些科学家建议从胚胎或胎儿以及其他动物身上获取干细胞。进行培养和研究。 干细胞的用途非常广泛，涉及到医学的多个领域。目前，科学家已经能够在体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞，并以这样的干细胞为“种子”，培育出一些人的组织器官。干细胞及其衍生组织器官的广泛临床应用，将产生一种全新的医疗技术，也就是再造人体正常的甚至年轻的组织器官，从而使人能够用上自己的或他人的干细胞或由干细胞所衍生出的新的组织器官，来替换自身病变的或衰老的组织器官。假如某位老年人能够使用上自己或他人婴幼儿时期或者青年时期保存起来的干细胞及其衍生组织器官，那么，这位老年人的寿命就可以得到明显的延长。美国科学杂志于1999年将干细胞研究列为世界十大科学成就的第一，排在人类基因组测序和克隆技术之前。 新加坡国立大学医院和中央医院通过脐带血干细胞移植手术，根治了一名因家族遗传而患上严重的地中海贫血症的男童，这是世界上第一例移植非亲属的脐带血干细胞而使患者痊愈的手术。医生们认为，脐带血干细胞移植手术并不复杂，就像给患者输血一样。由于脐带血自身固有的特性，使得用脐带血干细胞进行移植比用骨髓进行移植更加有效。现