医学细胞生物学：17 干细胞

1、第十七章 干细胞Chapter 17 Stem cell,1. 干细胞(stem cell)： 干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。,2020/12/11,2,2.干细胞分类 (1)胚胎干细胞：指胚胎早期的干细胞。这类干细胞分化潜能宽，具有分化为机体任何组织细胞的能力。如囊胚期内细胞团的细胞。 (2)成体干细胞：指成体各组织器官中的干细胞，成体干细胞具有自我更新能力，但分化潜能窄，只能分化为相应(或相邻)组织器官组成的细胞。如神经干细胞，表皮干细胞。,2020/12/11,3,2020/12/11,4,目 录,1 干细胞概述 2 胚胎干细胞 3 成体干细胞 4 特殊类型的干细胞,第一节

2、干细胞生物学,1. 组织自体稳定性： 特定组织通过使自身细胞死亡和增生的方式保持组织细胞数量动态平衡的特征称组织自稳定性。 2. 干细胞是个体发育和组织再生的基础。,2020/12/11,5,1干细胞的形态特征,干细胞形态共性：细胞呈圆形或卵圆形，体积小，核质比大，增殖力强。 干细胞的固定组织位置：有的干细胞有固定存在部位与方式。如表皮干细胞与其周围的子细胞形成增殖结构单元。但许多组织的干细胞没有这种分布特点。,2020/12/11,6,2干细胞的生化特性,端粒酶活性高：如造血干细胞具癌细胞的端粒酶活性，增殖能力强。随着增殖与分化，端粒酶活性下降。 蛋白标志分子：不同干细胞有各异的蛋白质标志分

3、子，可作为确定干细胞位置、分离提纯干细胞的标志。如：巢素蛋白神经干细胞；角蛋白15表皮干细胞。,2020/12/11,7,（一）增殖缓慢性,1干细胞增殖速度慢：细胞动力学研究表明，干细胞的增殖速度较慢，组织中快速分裂的细胞是过渡放大细胞。 如小肠干细胞的分裂速度(Tc=11小时)比过渡放大细胞(Tc24小时)慢一倍。,2020/12/11,8,二、干细胞的增殖特征,2过渡放大细胞： 过渡放大细胞是介于干细胞和分化细胞之间的过渡细胞，过渡放大细胞经若干次分裂产生分化细胞。 通过这种方式，机体可用较少干细胞获得较多分化细胞。,2020/12/11,9,3干细胞增殖缓慢的意义： (1)利于干细胞对外

4、界信号作出反应，以决定细胞的发展方向增殖或分化。 (2)减少基因突变的危险。增殖缓慢使干细胞有时间发现并纠正处于增殖周期过程中的错误。,2020/12/11,10,（二）干细胞的自稳定性,1自稳定性： 自稳定性是干细胞的基本特征之一。指干细胞可在个体生命过程中自我更新并维持其自身数目恒定。 干细胞的自稳定性是区别肿瘤细胞的本质特征。 干细胞通过其特有的分裂方式维持自稳定性。,2020/12/11,11,2干细胞的分裂方式 干细胞有对称与不对称两种分裂方式。,2020/12/11,12,不对称分裂的结果使两个子细胞一个成为功能专一的分化细胞；另一个保持干细胞的特征。 3. 不对称分裂发生原因：

5、系列基因调控。 细胞质物质不均等分配。,2020/12/11,13,三、干细胞的分化特征,2020/12/11,14,（一）干细胞的分化潜能,根据其分化潜能大小，干细胞可分为三类。,2020/12/11,15,(二)干细胞的转分化和去分化,1干细胞的转分化： 一种组织类型的干细胞在适当条件下分化为另一种组织类型的细胞的过程称干细胞的转分化。,2020/12/11,16,2干细胞去分化： 一种干细胞向其前体细胞的逆向转化称干细胞去分化。 实验： 成体鼠造血干细胞 鼠卵泡的内细胞团 表达胎鼠的珠蛋白基因参与胚胎造血系统的发育。,2020/12/11,17,3. 干细胞的可塑性,(1)干细胞的横向分

6、化： 在干细胞移植时，供体干细胞在受体中通常分化为与其组织来源一致的细胞。但有时供体干细胞会分化出与其组织来源不一致的其它细胞，这种现象称干细胞横向分化(trans-differentiation)。,2020/12/11,18,干细胞横向分化表明成体干细胞被移植入受体中具有很强的可塑性。为干细胞治疗提供了可能。 (2)实验： 小鼠肌肉干细胞体外培养5天少量骨髓间质细胞 接受致死量辐射的小鼠中 各种血细胞系。,2020/12/11,19,(3)横向分化的调控机制： 与干细胞的微环境有关。 干细胞进入新的微环境后，对分化信号的反应受到周围正在进行分化细胞的影响，从而对新的微环境中的调节信号做出反

7、应。,2020/12/11,20,四、干细胞增殖与分化的微环境,干细胞巢(stem cell nich)：干细胞在组织中的居所。 干细胞生存的微环境： 指干细胞巢中控制干细胞增殖与分化的外部信号。,2020/12/11,21,如： 这些物质可以介导干细胞-干细胞的相互作用，以及细胞与细胞外基质的作用，影响干细胞的增殖和分化。,2020/12/11,22,（一）分泌因子,分泌因子是由细胞自分泌或旁分泌的生长因子，有的分泌因子对维持干细胞的增殖，分化和存活具有调节作用。 如转化生长因子-和Wnt家族的成员，在不同组织甚至不同种属中都发挥重要作用。,2020/12/11,23,（二）受体介导的细胞-

8、细胞相互作用,如果蝇的Notch基因产物Notch受体。 Notch的配体为Delta基因产物，两者均为细胞表面跨膜蛋白。两者结合后在果蝇刚毛器的发育中起调节作用的蛋白质。,2020/12/11,24,(三) 胞间基质和整合素,1.胞间基质：即细胞外基质，指分布于细胞外空间，由细胞分泌蛋白和多糖构成的网络结构。 2.作用：细胞外基质可以将细胞粘连在一起，同时还提供一个细胞外网架维持组织结构，通过结合与传递信号分子对细胞存活、增殖、分化、迁移等具有重要影响。,2020/12/11,25,3.细胞外基质的种类：,2020/12/11,26,第二节 胚胎干细胞,2020/12/11,27,1胚胎干细

9、胞： 从囊胚期(受精后57天)胚胎分离到的干细胞称胚胎干细胞。 2胚胎干细胞的特性： 为全能性干细胞。有如下特性：,2020/12/11,28,3胚胎干细胞的研究价值： 是发育生物学基础研究的理想模型和有效工具。,2020/12/11,29,一、人胚胎干细胞的获得,要研究胚胎干细胞，首先要获得胚胎干 细胞。 (一)获得途径：主要有：,2020/12/11,30,1从早期胚胎获得 美国Thompson研究小组是从囊胚期胚胎的内细胞团中获得胚胎干细胞 ： 体外受精卵 囊胚期 去除滋养层内细胞团 得5株干细胞系 32代(8个月)保持未分化状态 。,2020/12/11,31,2从原始生殖细胞获得 g

10、earhart小组： 流产胎儿性腺嵴 原始生殖细胞 获得5个多能干细胞系 7个月不分化 。 思路：原始生殖细胞是未分化细胞。,2020/12/11,32,3体细胞移植 分化细胞核(乳腺、皮肤细胞) 去核卵细胞杂合细胞 发育成囊胚 胚胎干细胞 成体(如多利羊)。,2020/12/11,33,二、胚胎干细胞的主要特征,2020/12/11,34,（一）形态和生化特征,1.形态：细胞体积小，核大，1多个核仁。离体培养可产生密集的多细胞克隆。 2.生化特征：端粒酶活性高。 3.干细胞物理特性： 如干细胞对Hoechst33324和Rhodamine 123染料不着色。,2020/12/11,35,4.

11、 干细胞表面免疫原性：一般表达胚胎早期的表面抗原，而且有种属差异。 如小鼠胚胎干细胞表达胚胎阶段性特异抗原-1(SSEA-1)，不表达SSEA-3或SSEA-4； 人胚胎干细胞表达SSEA-3或SSEA-4。,2020/12/11,36,(二)干细胞的分离与纯化,1. 借助细胞的生化特征及物理特性，采用荧光细胞分离器从单细胞悬液中即可分离纯化干细胞。 2. 干细胞的理化特征与其分化调控有关，如上皮干细胞高表达1整合素，介导干细胞与细胞外基质粘附，抑制干细胞分化。,2020/12/11,37,(三)干细胞的体外培养,由于干细胞数目少，应用时需先在体外进行非分化性增殖，再进行诱导分化。 不同组织来

12、源的干细胞的培养条件不尽相同。,2020/12/11,38,1 培养条件： 需要许多生长因子和间质细胞的共培养。 如Brustle等在体外培养了鼠的ES细胞。 分离ES细胞 培养 培养 生长增殖 保持分化潜能。 停止供给生长因子，ES细胞分化为寡树突细胞或星状细胞。,2020/12/11,39,2 分化诱导 在应用前还需依据靶组织类型对培养干细胞进行定向分化诱导。 分化诱导需了解： 干细胞发育有关的信号调节； 干细胞发育的微环境。,2020/12/11,40,（四）胚胎干细胞的分化潜能,胚胎干细胞是全能(多能)性干细胞，具有分化为各种组织细胞的潜能。,2020/12/11,41,实验1：移植实

13、验 人胚胎干细胞 小鼠体内 畸胎瘤(良性)有三个胚层产生的组织：,2020/12/11,42,三、胚胎干细胞研究的伦理挑战,胚胎干细胞研究在伦理、道德和宗教方面遇到很大的障碍。 避孕、流产和体外授精在西方国家引起很大争议。,2020/12/11,43,第三节 成体干细胞,2020/12/11,44,成体组织或器官中，许多细胞仍具有自我更新及分化产生不同组织细胞的能力，如血液细胞、皮肤细胞、受损的肝组织细胞等。这些细胞即是成体干细胞.,2020/12/11,45,一、造血干细胞,造血干细胞是第一种被认识的组织特异性细胞。1961年Till和McCulloch首次通过小鼠脾集落形成实验证实造血干细

14、胞在成体内的存在。,2020/12/11,46,1形态：一般认为造血干细胞的形态类似小淋巴细胞。 2细胞表面标志：表面标志比较多，临床上应用最多的是CD34。还可与KDR (kinase insert domain recepter)配合鉴定造血干细胞和造血祖细胞。,2020/12/11,47,实验：Zieglar用致死剂量照射小鼠后进行细胞移植实验。,说明造血干细胞CD34+KDR+，而造血祖细 胞CD34+KDR- 。,2020/12/11,48,3造血干细胞的胚胎发生 中胚层细胞 造血环境(大动脉、性腺脊、中期肾区) 胎肝 髓系及淋巴系的前体细胞 骨髓,2020/12/11,49,4造血

15、干细胞的调控 (1)维持造血干细胞的数目恒定：干细胞因子 (2)影响干细胞的移行、数目维持、分化：成纤维细胞生长因子(FGF-1，FGF-1)、SDF-1、细胞外基质。,2020/12/11,50,二、间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC),2020/12/11,51,1间充质干细胞的位置,间充质干细胞附着于骨髓窦的内腔面，形成 一种包埋于窦状网络中的三维细胞网络。,2020/12/11,52,2MSC的分离与表面标志,(1)分离： 骨髓抽提物取1.073/ml密度界面上的细胞，贴壁生长的细胞中9598%为MSC。根据细胞表面抗原获得MSC。,2020/12/11,

16、53,(2)MSC的特异性表面标志 通过流式细胞仪分析，间充质干细胞特异性表面抗原有：SH2、SH3、CD29、CD44、CD71、CD90、CD106、CD120a、CD124。,2020/12/11,54,3间充质干细胞的分化方向,间充质干细胞可分化为多种间充质组织。如骨、关节、脂肪、肌腱、肌肉、骨髓基质等。 来源不同或在不同条件下，间充质干细胞可分化相应组织细胞。,2020/12/11,55,如骨髓中的间充质干细胞可分化脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞。 在含有1-甲基-3-异丁基黄嘌呤、地塞米松、吲哚美辛的培养基中，95%间充质干细胞分化为脂肪细胞。 在含TGF-3的无血清培养基中，间充质

17、细胞会分化为软骨细胞。,2020/12/11,56,由于间充质细胞在体外可以相对容易地诱导出骨细胞、软骨细胞，可在骨损伤、先天性骨畸形有治疗中有广泛应用。,2020/12/11,57,三、神经干细胞,传统观点：神经细胞无再生能力。 新发现：中枢神经系统中部分细胞仍具有自我更新及分化产生成熟脑细胞的能力，这些细胞被称为神经干细胞。,2020/12/11,58,1神经干细胞的存在部位,哺乳动物中脑侧室的室管膜下区包括室管膜的细胞中存在有增殖能力的干细胞。 成体的下脑室区、嗅球及海马区是神经干细胞存在的部位。,2020/12/11,59,2神经干细胞的生化特性,神经干细胞表达巢素蛋白，所有的神经干细

18、胞都巢素蛋白阳性。 巢素蛋白的表达始于神经胚形成期，当神经细胞迁移基本完成后，合成开始下降，神经细胞完成分化，巢素蛋白表达停止。,2020/12/11,60,3神经干细胞的维持与分化,(1)促进细胞增殖的因素： 表皮生长因子(EGF)，成纤维细胞生长因子-2(FGF-2)，对干细胞的存活、增殖和分化起重要作用。 EGF的主要作用是维持神经干细胞生存； FGF-2主要是以对细胞分化起作用。,2020/12/11,61,(2)促进神经干细胞分化的因素：小牛血清。 用小牛血清替代EGF培养神经干细胞，细胞分化为星形胶质细胞、少突状细胞和神经元；巢素蛋白逐渐减少，出现神经元特有的微管结合蛋白2及胶质细

19、胞的特征性神经胶质原纤维酸性蛋白。,2020/12/11,62,四、表皮干细胞,2020/12/11,63,1表皮干细胞的存在部位,(1)表皮干细胞位于表皮基底层。属于专能干细胞。能周期性的进入分化程序，最终分化为角质细胞。 (2)表皮增殖单位：位于基底层的干细胞和分布在它周围的由它分裂形成的子细胞，共9个，组成一个柱状细胞群，称为一个表皮增殖单位。,2020/12/11,64,(3)表皮干细胞的分化： 表皮增殖单位边缘的子细胞脱离基底膜后向上迁移经过棘细胞层和颗粒层细胞，最终形成角质化无核细胞。这层细胞不断脱落，由新生的细胞不断补充。 人体不同部位的皮肤更新速度约24周。在细胞迁移过程中，角

20、质化伴随着分化过程。,2020/12/11,65,2表皮干细胞的生化标志,(1)表达角蛋白5(keratin 5，K5)和K14分子：同角细胞相同。产生的角蛋白在成熟皮肤细胞中形成中间网络，使表皮细胞形成一个整体，并具有韧性。 表达整合素：与型胶原和纤维粘合素粘附。以这种方式与基底膜相连。当这种粘附力下降时，干细胞易从干细胞巢脱落，向表皮分化。,2020/12/11,66,干细胞高表达整合素和粘附素，在维持干细胞增殖和存活的信号传导途径中发挥重要作用。 毛囊干细胞的增殖潜能非常大，体外一单独的毛囊干细胞在合适的条件下产生的子细胞数多达1.71038，大大超过了覆盖整个成体体表所需的细胞数。,2

21、020/12/11,67,五、肠干细胞,1肠干细胞的位置 肠表面由被肠腺围绕并根植于肠壁的绒毛组成，每一肠腺大约有250个细胞，其中有肠干细胞，位于肠腺的基部或近基部。,2020/12/11,68,2肠干细胞的增殖与分化 小肠绒毛上皮细胞的更新是从隐窝底部的干细胞分裂开始。 分裂成的一个子细胞保持增殖能力，返回增殖池，另一个子细胞向上迁移，并逐渐失去分裂能力，分化为上皮细胞，至绒毛顶部死亡脱落。 肠干细胞增殖缓慢(Tc24小时)过渡放大细胞(Tc=11小时)迁移并分化死亡落入肠腔。,2020/12/11,69,3肠干细胞的生化特征与分离 (1)肠干细胞表达中间纤维K8、K18、K19 (2)肠

22、干细胞的体外培养至今未成功,2020/12/11,70,2020/12/11,71,第四节 特殊类型的干细胞,精原干细胞,2020/12/11,72,1精原细胞的形态特征： 精原细胞紧贴于曲细精管的基膜，圆形或卵圆形，12m，核大，除核糖体外其它细胞器不发达。,2精原细胞的增殖与类型： 精原细胞分为A型和B型。 A型：常染色质丰富，核仁常靠近核膜，根据在曲细精管局部的排列特征，又分为Asingle、Apaired和Aaligned三种类型。 B型：分化型精原细胞。,2020/12/11,73,其中Apr型即是进入精子分化的第一步。 A1型标志精原细胞开始定向分化。 B型标志精子开始形成。,2020/12/11,74,二、精原细胞的分化及其控制,2020/12/11,75,1分化,Aal型精原细胞 A1型 精子 A1型精原细胞是精子形成的不可逆的调控点。机体对这一调控点有相当严格的控