第十七章干细胞与组织的维持和再生

1、第十七章第十七章 干细胞与组织的维干细胞与组织的维持和再生持和再生 Stem Cell and Tissue Regeneration第一节第一节 干细胞概述干细胞概述 一、干细胞的存在一、干细胞的存在( (一一) )干细胞的存在干细胞的存在干细胞（干细胞（stem cellstem cell）：）：是一类具有是一类具有自我更新自我更新和多和多向向分化潜能分化潜能的细胞。的细胞。存在存在部位：部位：人体或动物个人体或动物个体整个发育过程中的各种体整个发育过程中的各种组织中。组织中。功能：功能：个体的生长发育、个体的生长发育、组织器官的结构和功能的组织器官的结构和功能的动态平衡，以及其损伤后动态

2、平衡，以及其损伤后 的再生修复等生命现象发的再生修复等生命现象发生的生的重要基础。重要基础。1.全能干细胞（全能干细胞（totipotent stem cell）指那些具有指那些具有发育全能性发育全能性的早期胚胎细胞，如处于的早期胚胎细胞，如处于8细胞期之前的每一个胚胎细胞细胞期之前的每一个胚胎细胞（包括受精卵），这种状态的（包括受精卵），这种状态的任何一个细胞任何一个细胞植入子宫后，都可以植入子宫后，都可以发育为一个完发育为一个完整的个体整的个体。Stem Cell and Tissue Regeneration2.多能干细胞（多能干细胞（pluripotent stem cell）指那些具

3、有分化为成熟个体中指那些具有分化为成熟个体中所有类型细胞所有类型细胞的潜能，但的潜能，但不能形成完整个体不能形成完整个体的的早期胚胎干细胞早期胚胎干细胞,也习惯称为也习惯称为胚胎干细胞（胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞），细胞），如如内细胞团。内细胞团。( (二二) )干细胞的类型干细胞的类型3.组织特异性干细胞（组织特异性干细胞（tissue specific stem cell）指在组织指在组织器官发育过程中起器官发育过程中起 着重着重要作用的干细胞，是一种要作用的干细胞，是一种专能性专能性干细胞干细胞。在。在成体成体组织中的组织中的干细胞也干细胞也称称成体成体

4、干细胞干细胞(adult stem cell)(adult stem cell)它们通过有序的增殖与分化，以它们通过有序的增殖与分化，以实现其所在组织中细胞的新旧更替实现其所在组织中细胞的新旧更替，并维持组，并维持组织器官结构和功能的动态平衡。织器官结构和功能的动态平衡。受精卵细胞团囊胚胎儿成体专 能 unipotency全 能 totipotency多 能 pluripotenyStem Cell and Tissue Regeneration二、干细胞的形态和生化特征二、干细胞的形态和生化特征1.干细胞的形态特征干细胞的形态特征所有干细胞在形态学上都具有所有干细胞在形态学上都具有原始细胞原

5、始细胞的一些的一些基本特征：基本特征： 呈呈圆形或椭圆形；圆形或椭圆形； 体积较小；体积较小； 核质比较大；核质比较大； 细胞质中各种细胞器不够发达细胞质中各种细胞器不够发达 。Stem Cell and Tissue Regeneration2.干细胞的生化干细胞的生化特性特性 干细胞都具有较高的端粒酶活性。干细胞都具有较高的端粒酶活性。 不同的干细胞可能具有各异的生化标志，如不同的干细胞可能具有各异的生化标志，如nestinnestin为神经干细胞的为神经干细胞的标志分子。标志分子。 干细胞的生化特性常被用作鉴定干细胞在干细胞的生化特性常被用作鉴定干细胞在组织中存在和评价其分化组织中存在和

6、评价其分化程度的标志程度的标志。 干细胞 过渡细胞 分化细胞三、干细胞的增殖特征三、干细胞的增殖特征1.1.干细胞的增殖速率具有缓慢干细胞的增殖速率具有缓慢性性干细胞增殖时，首先要经过一个短暂的增殖期，产生过渡细胞。 Stem Cell and Tissue Regeneration缓慢增殖的生理意义缓慢增殖的生理意义: 有利于干细胞对特定的外界信号作出反应，以决定其细胞是进入增殖状态，还是进入特定的分化程序。 可以减少发生基因突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误。 2.干细胞增殖系统具有很强的自稳定性干细胞增殖系统具有很强的自稳定性自稳定性自稳定性 : 指干细胞可以在生物个体生

7、命区间中自我更新，并维持自身数目恒定，这是干细胞的基本特征之一。对称对称分裂分裂:当干细胞发生分裂后, 产生的两个子代细胞都是干细胞或都是分化细胞的分裂方式。不对称分裂不对称分裂: 当干细胞发生分裂后，产生一个干细胞和一个分化细胞的分裂方式。不对称分裂与对称分裂不对称分裂与对称分裂对无脊椎动物而言，对无脊椎动物而言，不对称分裂不对称分裂是干细胞维持自身数目恒定的基本方式。是干细胞维持自身数目恒定的基本方式。 哺乳动物的哺乳动物的单个单个干细胞通常进行干细胞通常进行对称分裂对称分裂，哺乳动物的干细胞是，哺乳动物的干细胞是种群意义种群意义上的不对称分裂上的不对称分裂。干细胞的不对称分裂干细胞的不对

8、称分裂A干细胞的简单不对称分裂干细胞的简单不对称分裂 B. 干细胞的种群不对称分裂干细胞的种群不对称分裂四、干细胞的分化特征四、干细胞的分化特征1.干细胞分化的干细胞分化的谱系限定性谱系限定性处于不同发育阶段和不同组织器官中的干细胞的分化潜能，具有严格的谱系限定性。 受精卵形成个体； 内细胞团细胞产生个体中任何一种组织细胞； 组织干细胞只产生其细胞谱系以内的细胞类型，而不产生其他组织中的细胞类型。Stem Cell and Tissue Regeneration2.干细胞分化的可塑性干细胞分化的可塑性 干细胞在适当的条件下，发生直接诱导分化：直接诱导分化：将多潜能性干细胞直接诱导为一种特定的分

9、化细胞。转决定：转决定：将一种前体细胞诱导分化为与其共同的干细胞谱系内的另一种细胞类型。转分化：转分化：将一种已分化细胞直接诱导为另一种已分化细胞。去分化：去分化：干细胞向其前体细胞逆向转化的现象。如采用高表达特定转录因子的手段，可以将成纤维细胞诱导分化为类似于ES细胞的诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPS细胞）。干细胞的可塑性 a. 去分化； b. 转决定； c. 转分化； d. 直接诱导分化 Stem Cell and Tissue Regeneration细胞重编程的主要策略 A体细胞核转移（SCNT）：将体细胞核注射到去核的卵细胞，在体外

10、特殊培养条件下，可以产生ES细胞；B. 细胞融合：将体细胞与ES细胞融合，可以产生杂合细胞，具备多能ES细胞的一些生物学特性；C. iPS细胞：将体细胞通过诱导表达某些特定基因转变为多能干细胞，例如导入Oct3/4、Sox2、C-Myc和Klf4基因可以将小鼠成纤维细胞转变为多能干细胞；D. 谱系转化：例如直接将胰腺细胞转化为肝细胞。在此过程中，将一种细胞类型转化为另一种细胞的特异性转录因子是非常关键的 Stem Cell and Tissue RegenerationStem Cell and Tissue Regeneration五、干细胞生理活动的微环境五、干细胞生理活动的微环境 干细胞

11、的增殖与分化存在一个严密的调控机制，而这个调控机制可能就与干细胞的增殖与分化存在一个严密的调控机制，而这个调控机制可能就与它所在组织中的它所在组织中的微环境微环境有关，这种微环境称为有关，这种微环境称为“干细胞巢干细胞巢”。干细胞干细胞巢的基本特征：巢的基本特征：即在结构上是一个由即在结构上是一个由干细胞干细胞及其及其外围细胞外围细胞、以及参、以及参与其增殖分化调控的与其增殖分化调控的相关因子相关因子所组成的，并具有动态平衡特性的局部环境。所组成的，并具有动态平衡特性的局部环境。 1.干细胞巢中的分泌因子是干细胞增殖分化的干细胞巢中的分泌因子是干细胞增殖分化的调控调控因子因子 分泌因子的来源：

12、干细胞自身分泌的，也可以来自外围细胞或者其他组织细胞。分泌因子的种类及其水平与机体发育或生理状态的需求相适应。2.细胞间直接相互作用也是干细胞增殖分化的一种调细胞间直接相互作用也是干细胞增殖分化的一种调 控控因素因素细胞与细胞之间的相互作用通常是由整合膜蛋白介导。在相互作用的两个细胞中，一个细胞中跨膜蛋白的胞外段作为配体，另一个细胞的跨膜蛋白的胞外段则作为受体。 3整联蛋白和胞外基质参与干细胞巢的结构体系的形成整联蛋白和胞外基质参与干细胞巢的结构体系的形成 干细胞巢Stem Cell and Tissue Regeneration果蝇卵巢干细胞微环境果蝇卵巢干细胞微环境 成年果蝇卵巢生殖成年果

13、蝇卵巢生殖干细胞位于干细胞位于卵巢原卵区的顶部，并被卵巢原卵区的顶部，并被三种不同的基质细胞群所包绕：三种不同的基质细胞群所包绕：端丝、端丝、帽帽细胞以及细胞以及内鞘内鞘细胞。细胞。这三种基质细胞以这三种基质细胞以及基膜共同及基膜共同构成卵巢干细胞微环境构成卵巢干细胞微环境，其中帽细胞通过，其中帽细胞通过E-cadherin介导的紧密连接介导的紧密连接将卵巢干细胞固定将卵巢干细胞固定在微环境中，与其他基质细胞产生的细胞信号分子如在微环境中，与其他基质细胞产生的细胞信号分子如BMP、Notch等共同等共同调控卵巢干细胞的调控卵巢干细胞的生长和分化。生长和分化。第二节第二节 胚胎干细胞胚胎干细胞一

14、、胚胎干细胞的生物学特征一、胚胎干细胞的生物学特征胚胎干细胞胚胎干细胞(embryonic (embryonic stem cellstem cell，ESC)ESC)指存指存在于囊胚期胚胎中内在于囊胚期胚胎中内细胞团细胞团 (inner cell (inner cell massmass，ICM) ICM) 的细胞。的细胞。这种细胞具有分化为这种细胞具有分化为一个个体中的任何细一个个体中的任何细胞类型的潜能。胞类型的潜能。形态特征：形态特征：圆形细胞，细胞较小，核质比例高。体外抑制分化培养时圆形细胞，细胞较小，核质比例高。体外抑制分化培养时呈呈集落样集落样（克隆样）生长，形似鸟巢。（克隆样）

15、生长，形似鸟巢。 1. 形态和生化特征：形态和生化特征：A. 内细胞团细胞形成的原代克隆； B. H9株人胚胎干细胞的克隆；C. 放大的H9株人胚胎干细胞的克隆；D. H9株人胚胎干细胞分化后的形态。 生化生化特征：特征：表达表达胚胎阶段特异性抗原胚胎阶段特异性抗原（stage-specific embryonic antigen，SSEA）、）、碱性磷酸酶碱性磷酸酶(AKP)和和端粒酶端粒酶等。等。SSEA常作为常作为ES细胞鉴定的一个细胞鉴定的一个标标志。碱性磷酸酶志。碱性磷酸酶常作为鉴定常作为鉴定ES细胞分化与否的标志之一。细胞分化与否的标志之一。H9细胞的表面标志分析 A：AKPB：S

16、SEA-1C：SSEA-3D：SSEA-4E：TRA-1-60F：TRA-1-812. 分化潜能分化潜能 ESC是是多能性干细胞多能性干细胞，在个体发育中，胚胎干细胞具有分化为后续发育，在个体发育中，胚胎干细胞具有分化为后续发育个体的任何组织细胞的潜能，即个体的任何组织细胞的潜能，即可分化为内、中、外三个胚层的细胞可分化为内、中、外三个胚层的细胞。Stem Cell and Tissue Regeneration如何评价如何评价ESC的多能性？的多能性？体内实验体内实验畸胎瘤畸胎瘤实验实验：若将ES细胞给同源动物或重症联合免疫缺陷小鼠的皮下注射，会形成复杂的混合组织瘤（畸胎瘤）。肠样结构神经上

17、皮骨组织软骨组织横纹肌肾小球肾小管结构金标准金标准嵌合体试验：嵌合体试验：若将小鼠等哺乳动物的ES细胞注射到胚胎的囊胚腔，ES细胞则与正常胚胎嵌合形成嵌合体(chimera)并可参与形成包括生殖系在内的各个组织器官，且能产生嵌合的功能性配子。二、胚胎干细胞的体外分化二、胚胎干细胞的体外分化胚胎干细胞胚胎干细胞在体外培养的条件下可被诱导分化为各种类型的成熟体细在体外培养的条件下可被诱导分化为各种类型的成熟体细胞胞。在。在实际研究中，目前的一般思路是先诱导胚胎干细胞形成类实际研究中，目前的一般思路是先诱导胚胎干细胞形成类胚体然后胚体然后再从类胚体中分离所需要的目标细胞，进而扩大培养和利用。再从类胚

18、体中分离所需要的目标细胞，进而扩大培养和利用。Stem Cell and Tissue Regeneration经分化形成的类胚体样结构心肌组织表达 心脏特异性肌钙蛋白脂肪脂肪骨骼骨骼骨髓基质骨髓基质肌腱，韧带肌腱，韧带基因传递基因传递软骨软骨心肌生物制药生物制药Stem Cell and Tissue Regeneration第三节第三节 组织干细胞组织干细胞 一、造血干细胞一、造血干细胞二间充质干细胞二间充质干细胞三、神经干细胞三、神经干细胞四、肝干细胞四、肝干细胞五、精原干细胞五、精原干细胞Stem Cell and Tissue Regeneration目前已分离或鉴定的组织干细胞：目

19、前已分离或鉴定的组织干细胞：造血干细胞造血干细胞 ( (hematopoiesishematopoiesis stem cell stem cell，HSCHSC) )；间充质干细胞间充质干细胞 ( (mesenchymalmesenchymal stem cell, MSC stem cell, MSC) )；神经干细胞神经干细胞 ( (neural stem cell, NSCneural stem cell, NSC) )；肝干细胞肝干细胞 ( (liver stem cellliver stem cell) )；皮肤干细胞皮肤干细胞 ( (epidermal stem cellepid

20、ermal stem cell) )；小肠干细胞小肠干细胞 ( (intestinal stem cellintestinal stem cell) )；角膜的干细胞角膜的干细胞 ( (corneal stem cellcorneal stem cell ) )；肾脏干细胞肾脏干细胞 ( (renal stem cellrenal stem cell) )；肌肉干细胞肌肉干细胞 ( (myogenicmyogenic stem cell stem cell) )；胰腺干细胞胰腺干细胞 ( (pancreatic stem cellpancreatic stem cell) ) ；肺脏干细胞肺脏

21、干细胞 ( (lung stem celllung stem cell) )。Stem Cell and Tissue Regeneration组织干细胞示意图 A表皮组织，干细胞位于基底层；B.毛囊，干细胞位于膨胀部位； C.小肠隐窝干细胞； D. 大脑，干细胞位于室管膜或下脑室（V：脑室区；SVC：下脑室区；E：室管膜；OB：嗅觉球）； E. 造血系统（HSC：造血干细胞；A：脂肪细胞；M：巨噬细胞；T-L：T淋巴细胞；B-L：B淋巴细胞；B：嗜碱性粒细胞；E：嗜酸性粒细胞；N：中性粒细胞；Er：红细胞；P：血小板；S：基质细胞；V：静脉；Art：动脉） Stem Cell and Tis

22、sue RegenerationA：脾内肝源性结节：脾内肝源性结节 B：脾内肝源性结节：脾内肝源性结节HE染色染色 C：脾内肝源性结节免疫组化：脾内肝源性结节免疫组化 形成于个体发育中的骨髓腔（形成于个体发育中的骨髓腔（marrow cavity）。）。 特异性表面抗原有特异性表面抗原有：SH2,、SH3、 CD29、 CD44、 CD71、 CD90、 CD106、CD120a及及CD124等。但是与造血干细胞等。但是与造血干细胞不同，间充质干细胞不表达不同，间充质干细胞不表达CD45、 CD34、CD41、CD14等表面抗原。等表面抗原。 间充质干细胞可分化为多种间充质组织：间充质干细胞可

23、分化为多种间充质组织：如骨、关节、脂如骨、关节、脂肪、肌腱、肌肉、骨髓基质等。肪、肌腱、肌肉、骨髓基质等。二、间充质干细胞二、间充质干细胞Stem Cell and Tissue RegenerationMSC地塞米松、-磷酸甘油Vc和含有10% FBS 体外诱导分化体外诱导分化脂肪细胞 软骨细胞 TGF3 ，无血清培养 成骨细胞 1-甲基-3-异丁基黄嘌呤、地塞米松、吲哚美辛 三、神经干细胞三、神经干细胞在中枢神经系统中部分细胞仍具有自我更新及分化产生成在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，这些细胞被称为熟脑细胞的能力，这些细胞被称为神经干细胞（神经干细胞（neu

24、ral stem cells, NSC）。）。神经干细胞表达的一种神经干细胞表达的一种中间纤维中间纤维nestin可作为神经干细胞的可作为神经干细胞的特征性生物学标记特征性生物学标记。神经干细胞可以从中枢神经的嗅球、海马、下脑室、脑干、神经干细胞可以从中枢神经的嗅球、海马、下脑室、脑干、大脑等部位获得，也可以从外周神经系统如脊髓、感觉器大脑等部位获得，也可以从外周神经系统如脊髓、感觉器官（嗅觉上皮和视网膜）等部位获得。官（嗅觉上皮和视网膜）等部位获得。 Stem Cell and Tissue Regeneration神经干细胞表达的一种中间纤维神经干细胞表达的一种中间纤维nestin作为神经干细胞的特征性生物学标记。作为神经干细胞的特