第十三章干细胞

1、第十三章 干细胞,Stem Cell,第一节 干细胞的定义及其生物学特征 第二节 胚胎干细胞 第三节 成体干细胞 第四节 癌干细胞 第五节 干细胞与医学,第一节 干细胞的定义及其生物学特征,干细胞的定义和分类 干细胞的形态学和生物化学特征 干细胞的增殖特性 干细胞的分化潜能 干细胞增殖与分化的调控,一、干细胞的定义和分类,干细胞的定义,是指存在于个体发育过程中，具有长期（或无限）自我更新、并能分化产生某种（或多种）特殊细胞的生物学特性的原始细胞。,干细胞是个体的生长发育、组织器官的结构和功能的动态平衡、以及损伤后的再生修复等生命现象发生的细胞学基础。,存在于生物体的不同发育阶段的干细胞，其自我

2、更新和分化潜能有明显差异。 全能干细胞（totipotent stem cell）：可以发育成完整的个体 。,多能干细胞（pluripotent stem cell） ：具有产生个体中任何一种组织细胞的潜能，但不能发育成个体。,专能干细胞（multipotent stem cell）或组织特异性干细胞：只能分化成某一种类型的细胞。,During embryonic development, the development potential of cell is progressively restricted.,干细胞的分类, 根据干细胞所处的发育阶段分为： 胚胎干细胞（embryonic

3、stem cell） 成体干细胞（adult stem cell） 根据干细胞的发育潜能分为： 全能干细胞（totipotent stem cell） 多能干细胞（pluripotent stem cell） 专能干细胞（multipotent stem cell） 癌干细胞（cancer stem cell）,二、干细胞的形态学和生物化学特性,形态学特征 细胞的体积较小 核/质比相对较大 细胞质中各种细胞器不够发达,生物化学特性 与其所存在的组织类型密切相关 与其分化程度有关,三、干细胞的增殖特征,增殖的缓慢性 有利于对特定的外界信号做出反应 减少基因发生突变的危险,增殖系统的自稳定性 对称

4、分裂（symmetry division） 不对称分裂 （asymmetry division）,四、干细胞的分化潜能,处于不同发育阶段的干细胞的分化潜能也不相同。,分离自成体的干细胞仍有相当的可塑性，在适当的条件下可以表现出更广泛的分化能力，甚至实现跨胚层的分化。,干细胞 来源 分化 胚胎干细胞 内细胞团或原始生殖细胞 各种类型细胞 造血干细胞 骨髓 血细胞、神经细胞 神经干细胞 脑 神经细胞、血细胞 间质干细胞 骨髓 肌肉、骨髓、脂肪 上皮干细胞 上皮 上皮组织,干细胞来源与分化,五、干细胞增殖与分化的调控,外源性因素 分泌因子 膜整合蛋白介导的细胞间相互作用 整合素与细胞外基质,内源性因

5、素 转录因子：如Oct-4和Nanog 细胞内蛋白：如Insc蛋白 “时钟”因子,第二节 胚胎干细胞,ES细胞的定义 人胚胎干细胞系的建立 ES细胞的来源 ES细胞的生物学特性 ES细胞的开发和利用,胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞）：,存在于早期胚胎中，具有多向分化潜能和无限增殖能力的细胞。 广义的ES细胞包括： ES细胞 胚胎生殖细胞（embryonic germ cell, EG细胞）,一、人ES细胞系的建立,从体外受精形成的囊胚内细胞团中获得人ES细胞,从流产胎儿的生殖嵴和肠系膜中分离获得5个多潜能干细胞系 （EG细胞）,二、ES细胞的来源,桑椹胚 胚泡内细

6、胞团 胎儿生殖嵴 体细胞核移植技术 用人成熟细胞核置换人卵细胞的遗传物质 将人的细胞核植入到其他哺乳动物的卵细胞 将人的细胞核植入ES细胞的胞浆内,三、ES细胞的生物学特性,形态学特征: 具有稳定的二倍体核型； 细胞相对较小； 核大，有一个或几个核仁，核中多为常染色质； 胞质结构简单，散布着大量核糖体和线粒体； 在体外分化抑制培养中呈克隆状生长，细胞紧密 地聚集在一起，形似鸟巢，细胞界限不清。,生化特征: 表达早期胚胎细胞的表面抗原； 含有丰富的碱性磷酸酶； 还具有很强的端粒酶活性； 表达干细胞因子（stem cell factor，SCF）、 CD30、TRA-1-60和TRA-1-81等。

7、,ES细胞的多向分化潜能 主要体现在以下几方面： 形成拟胚体：悬浮培养 形成畸胎瘤：注入免疫缺陷小鼠体内 形成嵌合体：注射到胚泡腔 直系分化：控制ES生长环境，或遗传操纵特 定基因表达,四、ES细胞系的开发和利用,发育生物学研究的理想体外模型 作为生产克隆动物的高效材料 作为生产转基因动物的高效载体 在医学中的应用, 伦理学问题,第三节 成体干细胞,成体干细胞的定义 造血干细胞 间充质干细胞 神经干细胞,成体干细胞（adult stem cell）：,在成体组织内具有自我更新能力及能分化产生一种或一种以上子代组织细胞的未成熟细胞。,类型：造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞、皮肤表皮干细胞

8、、肝干细胞肠上皮干细胞、视网膜干细胞、胰腺干细胞等。,成体干细胞及干细胞巢,成体干细胞的获得,一、造血干细胞（hematopoietic stem cell，HSC）,指存在于造血组织内的一类能分化生成各种血细胞的原始细胞，又称多能造血干细胞。,粒细胞巨噬细胞系,HSC,多能淋巴细胞,多能髓性造血干细胞,功能性淋巴细胞,红细胞系,巨核细胞系,白细胞,红细胞,血小板,HSC的分化,造血干细胞,HSC主要存在于红骨髓内，约占骨髓有核细胞的0.5，另外在脾脏、淋巴组织和外周血中也有极少量的HSC。,人HSC的表面标志包括CD34+、CD38、Lin、HLA-DR+、Thy-1+、c-kit+、Sca

9、-1+、LFA-l+、CD45RA、CD71等。,HSC的分化与局部微环境和不同造血因子的调节有关。 细胞因子：干细胞因子、FLT3配基（FL）、血小板生成素（TPO）、红细胞生成素（EPO）、锌指蛋白转录因子GATA-1、白细胞介素-3（IL-3）、白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-6受体（IL-6R等十几种。,二、间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）,MSC是中胚层发育的早期细胞，形成于发育中的骨髓腔，在个体出生后，附着在骨髓窦的内腔面，形成一种包埋于窦状网络中的三维细胞网络。,MSC的标志抗原有SH2、SH3、CD29、CD44、CD71、CD90、C

10、Dl06、CDl20a和CDl24等,MSC可分化为骨、关节、脂肪、肌腱、肌肉和骨髓基质等多种组织。,三、神经干细胞（neural stem cell，NSC）,成体神经系统内具有自我更新及分化形成神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等成熟脑细胞能力的细胞。,位于海马和环绕侧脑室的室管膜下层。,NSC的特征性标志蛋白：巢蛋白。,第四节 癌干细胞,癌干细胞的定义 癌干细胞的特性 癌干细胞的起源 癌干细胞研究对肿瘤治疗的启示,癌干细胞（cancer stem cell）：,在白血病以及一些实体肿瘤中，只有一小部分肿瘤细胞具有无限的增殖能力，并能够形成新的肿瘤。这些具有肿瘤形成能力的细胞被称为癌干细胞

11、。,一、癌干细胞的特性,具有肿瘤形成能力是癌干细胞的本质特征。 鉴定癌干细胞的方法：首先通过分子标志将肿瘤细胞悬液用流式细胞仪分选为若干亚群，然后移植到裸鼠体内观察其成瘤性，癌干细胞就存在于具有成瘤性的细胞亚群中。 白血病干细胞的分子标志： CD34 + CD38 Thy 乳腺癌干细胞的分子标志：LIN ESA B38.1CD44 CD24/LOW,二、癌干细胞的起源,癌干细胞很可能由正常干细胞转化而来。,三、癌干细胞研究对肿瘤治疗的启示,癌干细胞对传统的肿瘤治疗方法可能不敏感，可使癌症复发。 癌干细胞是导致肿瘤耐药性的细胞。,第五节 干细胞与医学,应用于组织和器官克隆 在基因和细胞治疗上的应

12、用 指导药物的研制和应用 制造人类疾病的转基因模型,一、应用于组织和器官克隆,可治疗神经退行性病变、糖尿病、脊髓损伤及造血系统疾病。 用自体细胞的核去置换ES细胞核，再经定向诱导分化克隆出所需要的组织、器官，从而达到替换病变组织和器官之目的治疗性克隆。,组织工程生物学和工程学相结合的技术。其目标是人工培育用于移植的人类或动物的组织和器官，主要操作过程之一是在支架（生物降解聚合物）上种植细胞，而ES细胞是最佳的侯选者。,组织工程与“人耳鼠”,2001年，我国举办了“863计划十五周年成就展” ，其中展出的“人耳鼠”受到了广泛地关注。 “人耳鼠”的制作关键在“人耳”，先用一种高分子化学材料聚羟基乙

13、酸做成人耳的模型支架，让细胞在这个支架上繁殖生长，然后，在裸鼠的背上割开一个口子，将已经培养好的“人耳”植入后缝合。“人耳”支架最后会自己降解消失，于是，“人耳”便与老鼠浑然成为一体。,二、在基因和细胞治疗上的应用,基因治疗 ES细胞导入外源基因后能稳定地增殖传代并可获得长效的表达。因此应用遗传学技术对ES细胞在体外进行改造，可使基因治疗更具有靶向性，通常应用基因打靶术对ES细胞进行遗传学操作。,基因打靶技术,细胞治疗 是将正常的干细胞或由其分化产生的功能细胞植入病变部位代偿病变细胞丧失的功能。干细胞提供了可用于移植的细胞。 HSC移植治疗血液系统恶性疾病、先天性遗传病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病。 NSC移植治疗帕金森症、小儿麻痹阿尔茨海默症、中风、癫痫、脑外伤等。,2021/3/28,47,Stem cells migrate to sites of organ damage and differentiate to cell types competent to participate in tissue reg