干细胞与医学

医学生物学第十六章干细胞与医学现代生物学与现代医学干细胞与医学

1896年EBWilson研究蠕虫发育提出的干细胞名词。20世纪70年代胚胎癌细胞、小鼠胚胎干细胞分离培养成功，并证实了其多向分化的潜能，由此干细胞引起广泛的关注。90年代，人类胚胎干细胞和一些组织干细胞培养成功。1998年9月，美国有两个小组分别培养出了人的多能干细胞。干细胞与医学

美国威斯康星大学(UniversityofWisconsin)科学家汤姆森(JamesA.Thomson)带领研究团队首次从人类胚胎组织中提取培养出胚胎干细胞(EmbryonicStemCell，ESCell)株，并且证实此株细胞具有全能干细胞特征。此项研究论文发表在1998年11月6日出版的顶级学术期刊Science上，标志着一个干细胞时代的到来，而汤姆森也被人称作“干细胞研究之父”。干细胞与医学

约翰霍普金斯医学中心的JohnGearhart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5~9周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞(primordialgermcell)。由此培养的细胞株，证实具有全能干细胞的特征。干细胞与医学

这一科学成果不但震撼了整个生物界，也引发了世界各国政府与经济界乃至全社会的关注。其重要意义就在于：干细胞系的获得不但为生物基础领域的研究提供了重要工具，而且使现代医学领域应用干细胞移植治疗各种难治性疾病成为可能，这意味着干细胞医学将产生巨大的发展潜力和应用前景。1999年12月，美国《Science》将人类干细胞研究列为人类十大科学成就榜首。干细胞与医学

1999年12月，美国科学家在《美国科学院院刊》报告说，小鼠肌肉组织的成体干细胞可以“横向分化”为血液细胞。随后，世界各国的科学家相继证实，成体干细胞具有可塑性。成体干细胞的可塑性研究，为干细胞的临床应用开辟了更为广泛的空间。干细胞与医学

2006年8月，日本科学家山中伸弥等公布了另一个无需克隆制造“个性化”细胞的方法：他们用四个在胚胎干细胞中十分活跃的基因产物处理老鼠的皮肤细胞，把皮肤细胞转化为类似干细胞的细胞，并命名为诱导多能干细胞(inducedPluripotentStemCell，iPSCs)。此项研究成功将干细胞研究扩充到一个新的领域！一、干细胞研究的基本内容干细胞与医学干细胞(stemcell)是具有自我更新(self-renew)和分化潜能的细胞。它存在于人和动物个体发育各阶段的组织器官中，是各种分化细胞和特化细胞的初始来源。1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类生殖医学

干细胞与医学

1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞来源分化潜能全能干细胞多能干细胞专能干细胞胚胎干细胞成体干细胞干细胞与医学

按分化潜能的高低全能干细胞(totipotentstemcell)哺乳动物的生命起源于受精卵，受精卵经卵裂进行增殖并分化成200多种不同类型的细胞而发育成一个完整个体，细胞的这种潜能称全能性，具有这种潜能的细胞即称为全能干细胞。1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按分化潜能的高低全能干细胞(totipotentstemcell)1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类受精卵到人的演变干细胞与医学

按分化潜能的高低全能干细胞(totipotentstemcell)受精卵经卵裂分裂为8-16个细胞时，每个细胞仍保持全能性，此时，将其中任意一细胞移入子宫中，均可发育成一个完成个体。1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按分化潜能的高低全能干细胞(totipotentstemcell)1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按分化潜能的高低多能干细胞(pluripotentstemcell)囊胚期，即开始了整个胚胎的最早期分化，此时形成的内细胞团即已失去了发育成完整个体的能力，但仍具有分化成包括生殖细胞在内的各种类型细胞的潜能。1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按分化潜能的高低多能干细胞(pluripotentstemcell)1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按分化潜能的高低专能干细胞(unipotentstemcell)组织器官中的干细胞分化潜能低，只能分化成参与相应组织器官组成的几种特定类型的细胞，如间充质干细胞能分化成骨、肌肉、软骨、脂肪及其它结缔组织。1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按分化潜能的高低单能干细胞(monopotentstemcell)单能干细胞则只能分化成一种细胞，如神经干细胞只能分化成神经元。1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按细胞来源胚胎干细胞指源自囊胚内细胞团的胚胎干细胞(embryonicstemcells，ES)和来源于早期胎儿原始生殖嵴的生殖干细胞(embryonicgermcells，EG)。1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按细胞来源胚胎干细胞1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按细胞来源成体干细胞(adultstemcell)为胎儿或成体已分化组织中存在的未分化的细胞。它保持自我更新的能力和具有分化为该组织特定形态特征和独特功能的各种类型细胞的能力。1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类干细胞与医学

按细胞来源成体干细胞(adultstemcell)1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类个体发育中残留下来的胚胎性干细胞是成体干细胞在特殊情况下（如外伤），经过重新编程后形成干细胞与医学

按细胞来源成体干细胞(adultstemcell)1．干细胞及其生物学特征（1）干细胞概念及分类数量少，难以识别、分离纯化体外培养时不能长时间增殖具有可塑性（神经干细胞—造血干细胞）干细胞与医学

形态特征1．干细胞及其生物学特征（2）干细胞的形态与生化特征胞体小，圆形或椭圆形，核质比大；胚胎干细胞克隆紧密堆积，无明显的界限，形似鸟巢。干细胞与医学

生化特征1．干细胞及其生物学特征（2）干细胞的形态与生化特征碱性磷酸酶、较高的端粒酶活性；阶段特异性胚胎细胞表面抗原等不同类型干细胞的形态特征有所不同，生化特点也各有差异细胞表面标记物。干细胞与医学

生化特征1．干细胞及其生物学特征（2）干细胞的形态与生化特征胚胎干细胞标志物：Oct-4，SSEA-3和SSEA-4造血干细胞标志物：CD34表皮干细胞标志物：如角蛋白15干细胞与医学

干细胞增殖的缓慢性1．干细胞及其生物学特征（3）干细胞增殖特征干细胞具有无限的增殖能力，但是增殖周期缓慢，这有利于其对特定的外界信号做出反应，以决定是进入增殖还是进入分化程序，同时有利于减少干细胞内基因突变的危险。干细胞与医学

干细胞增殖的缓慢性1．干细胞及其生物学特征（3）干细胞增殖特征干细胞在进行分化时，并非直接形成为分化细胞，而是须经过一个快速的增殖期，产生过渡放大细胞(transitamplifyingcell)，又称快速自我更新细胞(rapidlyself-renewingcells，RScells)。干细胞与医学

干细胞增殖的缓慢性1．干细胞及其生物学特征（3）干细胞增殖特征过渡放大细胞是介于干细胞和分化细胞之间的过渡细胞，过渡放大细胞分裂较快，经若干次分裂后产生分化细胞，其作用是可以通过较少的干细胞产生较多的分化细胞。干细胞与医学

干细胞增殖的自稳定性1．干细胞及其生物学特征（3）干细胞增殖特征在生物体个体发育漫长的一生中，干细胞不断自我更新并可维持自身数目恒定，这就是干细胞的自稳定性(self-maintenance)，是干细胞的基本特征之一。干细胞与医学

干细胞增殖的自稳定性1．干细胞及其生物学特征（3）干细胞增殖特征对称分裂(symmetrydivision)指干细胞分裂时产生同型的细胞，如两个子细胞全是干细胞或全是分化细胞。干细胞与医学

干细胞增殖的自稳定性1．干细胞及其生物学特征（3）干细胞增殖特征不对称分裂(asymmetrydivision)是指干细胞每经过一次细胞分裂周期后产生两个异型的子代细胞，其中一个仍然维持干细胞状态，另一个则形成干细胞和终末分化细胞的中间细胞类型-祖细胞(progenitorcell)，祖细胞失去自我更新能力，但可以分化成多种组织细胞。干细胞与医学

1．干细胞及其生物学特征（4）干细胞的分化特性根据干细胞的分化潜能可将其分为全能干细胞、多能干细胞及单能干细胞。胚胎性干细胞属全能或多能性干细胞，成体干细胞为专能或单能干细胞，其分化潜能受限。干细胞与医学

1．干细胞及其生物学特征（4）干细胞的分化特性转分化(transdifferentiation)由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细胞的现象，称为干细胞的转分化。干细胞与医学

1．干细胞及其生物学特征（4）干细胞的分化特性去分化(dedifferentiation)干细胞向其前体细胞的逆向转化称为干细胞的去分化。干细胞与医学

1．干细胞及其生物学特征（5）干细胞增殖与分化的微环境干细胞生境(stemcellniche)干细胞与细胞外所有物质共同构成的一个细胞生长的微环境称为干细胞生境。干细胞能否维持其未分化的状态，或增殖或分化，均依赖于干细胞生境对它的调控作用，细胞分泌的因子、细胞间的相互作用以及细胞外基质成分均对干细胞的生存及发育起到重要的调控作用。干细胞与医学

1．干细胞及其生物学特征（5）干细胞增殖与分化的微环境干细胞的可塑性(stemcellplasticity)干细胞被移植到新的环境后，干细胞的特性会发生改变，而带有新环境的烙印，形成与新环境相关的干细胞，从而体现出干细胞的可塑性。干细胞与医学

2．胚胎性干细胞确认胚胎性干细胞的标准取自胚胎或胎儿中的多能性细胞群细胞的核型应正常细胞可在体外无限增殖，并保持未分化状态单个细胞可形成基因型相同的细胞群体，并能分化为各种细胞类型干细胞与医学

胚胎性干细胞具有相似的形态特点，与早期胚胎细胞相似，细胞较小，核质比高，细胞核明显，有一个或多个核仁，染色质较分散，细胞质内除游离核糖体外，其他细胞器很少；体外培养细胞呈多层集落状生长，紧密堆积在一起，无明显细胞界限。ES和EG细胞的染色体均为稳定的二倍体核型。2．胚胎性干细胞（1）胚胎性干细胞的形态生化特征干细胞与医学

Oct-4为目前广泛用于鉴定胚胎性干细胞是否处于未分化状态的一个重要的标记分子。观察发现，它最早表达于胚胎8细胞时期，一直到细胞发育至桑葚胚时期，在每个卵裂球中都可检测到大量的Oct-4的表达产物，这之后Oct-4的表达局限于内细胞团细胞。2．胚胎性干细胞（1）胚胎性干细胞的形态生化特征干细胞与医学

SSEA-1、SSEA-3、SSEA-4等属阶段性的胚胎细胞表面抗原，这些抗原的表达具有种属特异性。2．胚胎性干细胞（1）胚胎性干细胞的形态生化特征干细胞与医学

体内分化体外分化嵌合体的形成2．胚胎性干细胞（2）胚胎性干细胞的分化潜能干细胞与医学

增殖激活STAT3转录因子，促进ES细胞增殖。2．胚胎性干细胞（）胚胎性干细胞增殖与分化的分子机制干细胞与医学

分化激活磷酸酯酶SHP-2，SHP-2与底物Gab1结合，激活ERK(Extracellularsignal-regulatedkinase)信号途径，抑制ES细胞增殖，促进ES细胞分化。2．胚胎性干细胞（3）胚胎性干细胞增殖与分化的分子机制干细胞与医学

定向分化体外培养时改变培养条件，包括向培养基中加入不同种类的生长因子及化学诱导剂。2．胚胎性干细胞（3）胚胎性干细胞增殖与分化的分子机制分化干细胞与医学

2．胚胎性干细胞（3）胚胎性干细胞增殖与分化的分子机制通过转染或其他方法导入外源性基因来激活细胞的定向分化，但必须在明确导入基因定向分化的方向，且选择合适的导入时间及准确的导入位置的条件下才能达到细胞的定向分化目的。分化定向分化干细胞与医学

2．胚胎性干细胞（3）胚胎性干细胞增殖与分化的分子机制体内的定向分化，是将胚胎性干细胞移植到动物体内的某一部位，在体内微环境中，干细胞诱导分化为该部位相应的特异性细胞。分化定向分化干细胞与医学

3．成体干细胞（1）成体干细胞的形态生化特征类型存在部分细胞形态表面标记造血干细胞骨髓类似小淋巴细胞CD34+，CD38，CD38Lin-HLA-DR+D45RA+，CD71-等间充质干细胞骨髓腔脐带血外周血肌肉骨

软骨脂肪血管类似成纤维细胞SH2，SH3，CD29，CD44，CD71，CD90，CD160，CD120a等神经干细胞侧脑室室管膜下区

海马嗅球小脑

脊髓大脑皮层表皮生长因子，成纤维生长因子，巢素蛋白，CD133表皮干细胞表皮基底细胞层

毛囊膨胀部位K5，K4，K19肝脏干细胞门管区肝组织

门管区肝管周围Hering管卵圆细胞？小干细胞？α-甲胎蛋白，核糖激酶，醛缩酶，丙酮酸激酶同工酶胰脏干细胞胰腺导管周围类似小淋巴细胞TH，GLUT-2，CK20，CK19，PDX-1，Bcl-2，波形蛋白肠黏膜干细胞肠腺基部或近基部K8，K18，K19等注：?表示仍有疑义干细胞与医学

3．成体干细胞（2）成体干细胞的增殖成体组织中的成体干细胞与胚胎性干细胞一样具有自我更新的能力，即它们能在很长一段时间内准确地复制自己，这种能力靠对称分裂来实现。干细胞与医学

3．成体干细胞（2）成体干细胞的增殖成体干细胞也具有分化潜能，只是分化潜能已经局限，它们只能分化成相应的成体组织细胞，而且在达到完全分化状态之前，成体干细胞往往产生祖细胞，在祖细胞阶段产生定向分化某种终末分化细胞的能力，因而也称定向祖细胞。这种定向祖细胞是靠成体干细胞的不对称分裂而来，即成体干细胞分裂为一个干细胞和一个定向祖细胞。干细胞与医学

3．成体干细胞（3）成体干细胞的定向分化经典发育生物学认为成体组织干细胞的分化方向是稳定的，而且是不可逆的，即组织沿着一定方向发生分化，且一旦分化完成，就不会回复到原来状态，如造血干细胞只能分化为红细胞、白细胞、血小板、淋巴细胞等血细胞，而不能分化为其他组织细胞类型。干细胞与医学

3．成体干细胞（3）成体干细胞的定向分化越来越多的实验结果表明来源于各种组织的成体干细胞事实上并未定型，在一定的条件下可以像胚胎性干细胞一样重新分化，具有分化为别种细胞类型的潜能。二、干细胞与疾病干细胞与医学干细胞具有自我更新、无限增殖和多向分化潜能。一旦这些功能发生紊乱，就会引起相应的疾病。干细胞的自我更新、分化发生紊乱，可以引起干细胞及其子代细胞的生长失控，形成细胞增生性疾病；干细胞的自我更新能力减弱或障碍、干细胞提前老化和干细胞分化障碍均可导致组织器官的功能细胞减少，当功能细胞的数量不能满足组织器官的耗损时，可导致组织器官更新与修复不全，引起组织器官衰竭，形成退行性疾病。干细胞与医学

1．干细胞增殖、分化异常与疾病发生（1）肿瘤干细胞与肿瘤肿瘤干细胞假说理论认为在肿瘤组织中存在着一种具备增殖能力和多向分化潜能的细胞亚群，他们充当类似干细胞的角色，能够分化为肿瘤细胞，作为维持肿瘤的源泉，在肿瘤形成和肿瘤生长中起决定性作用，并使肿瘤具有异质、增殖、浸润等特性，这一细胞亚群被称为肿瘤干细胞(cancerstemcells，CSC)。干细胞与医学

1．干细胞增殖、分化异常与疾病发生（1）肿瘤干细胞与肿瘤实验显示肿瘤干细胞可能起源于祖细胞，是在定向祖细胞突变获得自