脐血干细胞分化与应用

关于脐血干细胞分化与应用“干细胞”的概念在数十年前就已有介绍，但是直到目前，仍然还无法从形态或表型界定干细胞，而只能根据其功能定义。干细胞具有两种特定的功能。增殖功能指干细胞具有自我更新能力，可以生成更多的干细胞；分化功能则指干细胞能分化成为各种祖细胞，后者可以进一步分化成各种特定成熟细胞系。因此，目前干细胞的最好界定方法是功能学法。第2页,共32页，星期六，2024年，5月胚胎干细胞(embryonicstemcells,ES)被认为是最多能的干细胞群体，具有最大的发展潜能，对胚胎细胞或组织的利用还存在伦理学争议。成体干细胞。在许多成人组织中已经发现有多种干细胞群体存在，如骨髓中的造血干细胞，以及其他骨髓衍生干细胞(BMSC)能分化为血细胞和多种组织细胞。为了避免潜在的伦理学问题，克服免疫不相容性，在未来的组织工程中自身成人干细胞可能成为理想的选择。脐带血干细胞的特性和用途可能有效地替代骨髓和外周血。第3页,共32页，星期六，2024年，5月体外实验技术以识别干细胞表面标记物作为基础，如CD34、AC133、STRO-1和神经营养素受体p75等已经用于干细胞的纯化实验，包括细胞淘选、荧光激活细胞分类、免疫磁性选择和免疫吸附柱分离等。目前有证据表明，如果利用某种单一的标记物分子进行干细胞分离，而对不表达该标记物的新干细胞群体尚未充分研究，则不能完全肯定分离结果。例如，干细胞活性与CD34分子在细胞膜上的表达不完全相关，小鼠体内存在一大群“静默”干细胞，它们不表达CD34分子但仍具有完整的重建能力。在人体内也发现存在类似的CD34阴性休眠生血干细胞。因此，在未来实验中应设计新的方案，以成熟细胞系的标记物作为细胞转移基础会更有效。第4页,共32页，星期六，2024年，5月为了克服干细胞数量少的不足，众多学者已经在探索干细胞的体外扩增方法。但是，如何在长期的扩增过程中使干细胞不分化而又保持其多系分化能力成为一大难题。在干细胞临床实际应用中，理论上认为需要一个无基质、无血清的体外系统，并用已知的细胞因子和生长因子维持。白细胞介素-3(IL-3)、干细胞因子(SCF)和Flt-3配体(FL)具有非细胞系特异性的早期生血刺激作用，可用于脐血干细胞的增殖培养。血小板衍生生长因子(PDGF)-BB和表皮生长因子(EGF)是最有效的人类骨髓衍生干细胞克隆生长支持因子。从人类发育中的脑皮层中已成功分离出神经前细胞，并利用表皮生长因子和纤维母细胞生长因子-2(FGF-2)使其扩增。进一步的研究，如系统性分析生长因子受体的表达，将有助于设计新的干细胞体外扩增培养方案。第5页,共32页，星期六，2024年，5月在干细胞研究中，热点之一是调控细胞向预定群体分化。过去数年间，关于干细胞在体内以及体外分化成各种成熟细胞的报道大批涌现。干细胞最重要的细胞外调控信号之一是生长和分化因子。转化生长因子-β(TGF-β)家族成员对胚胎干细胞和神经脊干细胞有显著的促分化效应，Wnt家族分子在多种不同的细胞分化中也起着重要作用。但是，由于还无法得到纯化的功能性Wnt蛋白，对于多种Wnt因子的确切效应的更深入研究受到了限制。除了各种分泌因子外，整合膜蛋白和整合素、细胞外基质在干细胞调控微环境中也发挥作用。第6页,共32页，星期六，2024年，5月细胞产生的具有生物学活性的小分子蛋白质。产生和作用的高效性、多样性、瞬时性。细胞因子的作用通过与细胞表面相应受体结合而起作用。一般培养细胞中细胞因子的使用量为5ng~100ng/ml,有量效关系。细胞因子间有协同作用、相加作用、拮抗作用用于细胞增殖的细胞因子

造血干细胞：Flt-3ligand,SCF,TPO,IL-3,IL-7,IL-11

树突状细胞：GM-CSF,G-CSF,IL-1beta,IL-4,TNFalpha

神经干细胞：EGF,FGF-basic

间充质干细胞：EGF,PDGF-AA

胚胎干细胞：FGF-basic

用于细胞分化诱导的细胞因子

Activins,BMPs,Cripto-1,Dkk-1,FGF-8,GDFs,Lif,Nodal,Noggin,Notch,Shh,TGFbeta,Wnts第7页,共32页，星期六，2024年，5月第8页,共32页，星期六，2024年，5月造血干细胞CD133、CD34等+间充质干细胞CD13、29、44、105等+SCF、CSF

、IL-3,6

等可刺激细胞扩增采用密度梯度离心法和贴壁法分离采用密度梯度离心法和免疫磁珠法分离调整培养基偏酸性，1%pen-strep不同诱导分化条件分化为不同细胞第9页,共32页，星期六，2024年，5月脐血造血干细胞的含量等于或超过骨髓。造血谱系标记,如CD3、CD14、CD19、CD34、CD45等呈阳性。在体外对脐血祖细胞进行培养,发现使用SCF加G-CSF、

GM-CSF、IL-3、IL-6等作为刺激因子培养

,细胞集落形成增加,脐血中的造血干细胞有更大的潜在分化和增殖能力。从脐血中分离出单核细胞,在体外培养,贴壁细胞形态表现为破骨细胞样细胞和间充质样细胞两种,间充质样细胞表达多种间叶祖细胞(MPCs)的相关抗原(SH-2、SH-3、SH-4、ASMA、MABl470、CDl3、CD29、CD44、CD105)。用含2%和5%较低血清浓度的条件下,脐血单个核细胞可分化成较为均一的间充质样细胞,并可以在数量上扩增的同时,保持其多向分化的潜能，在一定条件下可以诱导分化为神经细胞、骨细胞、软骨细胞、肌细胞、脂肪细胞、心肌细胞、肝细胞等。第10页,共32页，星期六，2024年，5月采用MiniMACS分选系统分离脐血CD34+细胞,其纯度可达到(83.13±10.73)%,得率一般为1%。采用新鲜的脐血分离CD34+单个核细胞。一般(2～5)×108脐血单个核细胞能分离出(3～5)×106CD34+细胞。第11页,共32页，星期六，2024年，5月脐血、成人外周血和骨髓CD34+含量（x±S）

标

本

标本数（n）

CD34+含量（%）

成人骨髓73.19±1.05*Δ

脐血

482.14±1.23**成人外周血

480.19±0.14

*骨髓与脐血比较P<0.05；**脐血与外周血比较P<0.001

Δ骨髓与外周血比较P<0.001

脐血中CD34+含量与新生儿性别、体重、脐血血象和产妇年龄的关系

（1）脐血中CD34+含量与新生儿性别关系：

男性CD34+细胞百分率为1.87±0.79

女性CD34+细胞百分率为2.51±1.49

两者比较有显著性差异（P<0.001），女性高于男性。

（2）新生儿体重、产妇年龄（24~39岁）与CD34+百分比无相关性（P>0.05）

（3）脐血血象与脐血CD34+细胞含量关系无相关性（P>0.05）第12页,共32页，星期六，2024年，5月

脐血和成人外周血淋巴细胞表型及NK细胞活性（x±S）

脐血成人血CD350.0±12.4Δ73.3±8.9CD440.1±12.440.7±7.1CD813.8±4.3Δ27.0±5.5CD4/CD83.2±1.5Δ1.6±0.4CD1616.9±6.2Δ11.9±6.3NK-A17.8±12.4Δ40.8±21.6

Δ脐血与成人血比较，P<0.01。

第13页,共32页，星期六，2024年，5月脐血清与成人外周血清中IL-2、TNFα、SIL-2R水平（x±S）

标本样品数量IL-2（pg/ml）TNFα（pg/ml）SIL-2R（pg/ml）脐血404240181.4±113.35.51±0.92214.0±96.1成人血373537305.2±125.47.45±1.58112.1±72.5

P值<0.01<0.01<0.01不同血清培养体系中脐血CFU-GM产率（x±S，n=5）

刺激因子

脐血清脐血清+GM-CSF胎牛血清

胎牛血清+GM-CSF

集落产率/10.6±3.837.4±11.6*012.8±4.0

1×105

细胞

*脐血清与胎牛血清比较P<0.01

脐血清对脐血细胞有体外促增殖作用，而胎牛血清则无此作用，说明脐血清含有促CFU-GM生长的造血活性物质。在培养体系中加入GM-CSF时，集落数都增加，但脐血清组增加显著，说明脐血清中含有与外源性GM-CSF协同因子。

第14页,共32页，星期六，2024年，5月脐血清与成人外周血清中集落刺激活性（CSA）、白细胞介素3（IL-3）、粒巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）水平脐血、成人血清中CSA、IL-3、GM-CSF活性比较（x±S）

血清脐血清（U/ml）外周血清（U/ml）

CSA248.30±155.974.38±1.89GM-CSF197.78±111.01112.09±91.91*IL-3638.3±205.966.8±39.3

脐血中含有高水平的CSA，之中以IL-3含量为主，而GM-CSF含量很低。t值12.9，

P值<0.001

研究方法：1．粒系集落计数法

2．脐血粒巨噬细胞集落形成单位（CFU-GM）微量培养法

3．MTT法第15页,共32页，星期六，2024年，5月(1)来源丰富,易于获得;(2)取血时对于母体和婴儿均无痛苦;(3)脐血可以长期储存

;(4)发生移植物抗宿主病的发生率低

;HLA-DR、CD80、CD86阴性表达;其中,HLA-DR位点是异基因移植时免疫排异反应发生的主要位点;CD80和CD86是移植物抗宿主病(GVHD)发生的最重要共刺激通路B7/CD28的信号分子。(5)脐血中含各种原始细胞如造血干细胞、间充质干细胞,具有较强的增殖分化的能力;(6)脐血中各种病毒感染的几率相对较少。近年来,脐血由于其独特的生物学特点,储存数量及进行脐血治疗的患者日益增多。第16页,共32页，星期六，2024年，5月第17页,共32页，星期六，2024年，5月SCF/CSF/IL-3等刺激细胞扩增bFGF/EGF/NGF/IGF等促进细胞定向分化CD34+细胞向神经元样细胞的分化多种细胞因子的组合会更好。但细胞因子和细胞因子之间存在协同作用、拮抗作用、叠加作用等IL-3能促进G0期造血干细胞（静默干细胞）进入细胞增殖周期，IL-6可协同IL-3支持多能干细胞分化增殖。第18页,共32页，星期六，2024年，5月脐血单个核细胞106/cm2

接种于MesencultTM培养液(StemCell公司)中,调整培养基偏酸性，1%pen-strep，37℃、5%CO2培养。1周后,更换培养基,弃掉未贴壁细胞。以后每3d换液1次。细胞长到80%融合时,用1∶1的2.5g/L的胰蛋白酶和0.2g/LEDTA混合液消化(在显微镜下控制消化时间),以8.0×103/cm2

的密度接种于传代培养瓶中进行扩增培养。第19页,共32页，星期六，2024年，5月定向诱导MSCs向神经元样细胞分化：取传至第3代的MSCs按4×105/L密度接种于事先放置有消毒盖玻片的六孔板内制备细胞爬片，用含有1mmol/Lβ-巯基乙醇的DMEM（20％FCS）预诱导24h，PBS洗涤3遍后，换成含10g/L二甲基亚砜和100mmol/L丁化羟基苯甲醚的无血清DMEM进行诱导，每隔30分钟在倒置相差显微镜观察细胞型态变化。第20页,共32页，星期六，2024年，5月贴壁细胞以间充质细胞为主，同时有大量破骨样细胞传代后，破骨样细胞减少，逐渐形成MSCs传代1-2周后，MSCs融合，增殖能力强第21页,共32页，星期六，2024年，5月第22页,共32页，星期六，2024年，5月心血管、脑血管、外周血管等缺血性病变引起多种临床疾病，如冠心病、心肌梗塞、脑血栓、脉管炎、股骨头坏死、糖尿病足等….10几年前人们已开始血管再生的试验研究和临床应用。如将VEGF质粒直接注入闭塞的外周动脉,4周后血管造影显示侧支血管增加,多普勒超声检查示血流量增加80%,外周动脉闭塞的间歇性跛行和冠心病应用中有明显疗效。近年,内皮前体细胞(EPC)与血管新生的关系及在治疗性血管新生中的作用受到特别的注意。第23页,共32页，星期六，2024年，5月成年后EPC主要分布于骨髓,外周血液中也有少量EPC,约为2～4EPC/ml,在急性心肌梗死时为10～40EPC/ml,脐带血中可达1000～4000EPC/ml,其特异的细胞表面标志为CD34+、Flk21+与AC133+。VEGF是EPC的增殖与分化的必需诱导因子,GM-CSF也促进EPC的增生与分化,而血管抑制素(angiostatin)起抑制作用。此外,他汀类药物可将EPC从骨髓动员至外周血并增加其功能与活性。动物实验：

1）给后肢缺血的裸鼠注入人脐血EPC能显著增加局部血流量与微血管密度。

2）给心肌梗死的裸鼠静脉注射EPC可促进新血管的形成,并减少缺血心肌细胞的凋亡。

3）年幼(3月)小鼠骨髓EPC能促进老年(18月)小鼠的心肌血管增生与心脏功能改善。

4）将VEGF基因转染至EPC,使后者具有更高的增殖活性与功能,动物实验已证实,转染有VEGF的EPC增加细胞的增殖与参与血管形成,促进缺血心肌与肢体的血管新生,达到改善功能与保护肢体的目的。

第24页,共32页，星期六，2024年，5月LygaseClosedCircleCohesiveEndsLinearDoubleStrandedOpenedCircle第25页,共32页，星期六，2024年，5月血管新生是当前医学与生物学研究的热点,治疗性血管新生在心脏血管与外周血管狭窄的动物实验中有很好的效果,并且已在数百例心与外周动脉缺血患者进行了临床一、二期试验治疗,取得了一定的成绩。但由于对人有效灌注所需的管腔面积要比实验动物大得多,因此取得理想治疗效果要困难得多。一些重要的问题尚待进一步解决:①确定合适的剂量以及更合理地联合运用多种诱导因子?②延长转染的基因在体内的表达时间?③是否有使机体其他部位不该增生的血管增生的危险?

治疗性血管新生为心与外周血管疾病的防治开辟了一个新的途径,并可能特别适用于那些不能用药物、介入和/或手术治疗,或治疗效果不好的患者。此外,这种新的治疗方法也可促进创伤愈合与手术伤口愈合,将有广泛的应用前景。第26页,共32页，星期六，2024年，5月血管内皮生长因子(VEGF)是一种内皮细胞专一性丝裂原和血管新生强烈的刺激因子。内皮细胞表面的两个酪氨酸激酶受体Flt-1与Flt-1/KDR与VEGF结合后,传导相应的增殖与迁移信号,使内皮细胞增殖,形成新的毛细血管并重构与稳定。碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)及其受体FGR2,血管生长素1(Ang-1)及其受体Tie-1与Tie-2,胎盘生长因子(PlGF),肝细胞生长因子(HGF),血管生成素(angiogenin)、血小板衍生生长因子(PDGF)与环氧化酶-2也是重要的促血管新生因子。这些因子相互协同,并且在细胞分化的不同阶段发挥不同的作用。VEGF在血管新生的起始与维持阶段都有作用,bFGF主要参与初期过程,而Ang-1、PlGF与PDGF主要影响血管的成熟与稳定。第27页,共32页，星期六，2024年，5月Ficoll密度梯度离心法得脐血单个核细胞MACS法脐血CD34+单个核细胞分离细胞培养:将分离所得CD34+和CD34-单个核细胞分别接种于60mm培养皿中,加入M-199培养基,20%FCS、牛脑提取物作为内皮细胞生长补充,抗生素、生长因子VEGF30ng和bFGF24ng,于37℃,5%CO2饱和湿度的孵箱中培养。培养3、7、14