干細胞ppt課件

干細胞研究及其應用 干細胞 stemcell 在個體發(fā)育過程中 具有自我復制能力 并在一定條件下分化形成多種類型細胞的原始細胞稱為干細胞 干細胞是一類具有自我更新和分化潛能的細胞 1981 M J Evans等體外培養(yǎng)老鼠的胚胎干細胞 ElizabethCarr成為美國的第一個試管寶寶 1878 出現(xiàn)第一篇哺乳類的體外受精卵報導 1959 完成第一例兔子的體外受精卵 1960 展開畸胚瘤的研究 1968 R G Edwards和B D Bavister進行人體外受精研究 1970 用畸胚瘤細胞注入鼠胚胎 制造鑲嵌鼠進行發(fā)育研究 1978 世界第一個試管寶寶LouiseBrown在英國誕生 1980 CandaceReed成為澳洲的第一個試管寶寶 1984 1988 P W Andrews等體外培養(yǎng)人畸胚瘤細胞 1989 M F Pera等制造人類畸胚瘤細胞株 1994 首次使用人類人工受精的囊胚進行干細胞研究 干細胞的研究進展 1995 1996 恒河猴胚胎干細胞 在體外培養(yǎng)分化成三種胚層 1998 JamesThomson從人類體外受精卵取得胚胎干細胞 并能穩(wěn)定地在體外培養(yǎng) J Gearhart從胎兒卵巢或睪丸組織 得到一種具有干細胞特性的原始生殖細胞 稱為人類生殖干細胞 1999 Science雜志公布干細胞為世界十大科技進展榜首 從小鼠肌肉組織取得的成體干細胞可以橫向分化為血液細胞 此后 科學家相繼證實成體干細胞具有可塑性 2000 美國總統(tǒng)克林頓宣布美國政府準許用政府經(jīng)費進行人胚胎干細胞研究 科學家成功分離出人類胚胎干細胞并使其在體外分化 2001 美國總統(tǒng)布什宣布聯(lián)邦政府將有限資助胚胎干細胞研究 2002 Nature評選 干細胞的爭議 為本年度科學界重大新聞 2003年 美國衛(wèi)生獨立研究院 NIH 施松濤等人首次發(fā)現(xiàn)牙齒間質(zhì)存在干細胞 2005年 干細胞研究領域?qū)W術丑聞 韓國漢城大學黃禹錫干細胞研究論文造假 2006年 日本科學家山中亞彌等成功誘導出鼠iPS 將干細胞研究擴充到一新領域2007年 山中亞彌等人和湯姆森宣布成功利用人類上皮細胞誘導出iPS細胞 2008年 美國科學家宣布在不傷害胚胎的前提下成功獲取胚胎干細胞 并解析了microRNAs在干細胞發(fā)育及分化中的調(diào)控作用 2009年 湯姆森利用皮膚細胞培養(yǎng)的iPS重分化為神經(jīng)細胞 并在試管內(nèi)成功再現(xiàn)神經(jīng)細胞死亡過程 德國科學家首次利用單基因調(diào)控方法成功誘導iPS 2009年 美國白頭研究所科學家巧妙的將誘導iPS時帶入細胞的基因去除 大大降低了細胞癌變風險 湯姆森和俞君英等利用質(zhì)粒為誘導iPS基因載體誘導iPS 隨著細胞分裂丟失質(zhì)粒 可得到純凈無外源DNA的iPS 在iPS應用安全性方面又進一步 我國上海交大吳際教授等人在國際上首次分離出生殖干細胞 并培養(yǎng)得到能長期自我更新的生殖干細胞 我國干細胞研究主要集中在中科院和幾大高校 上海生科院 時玉舫 金穎 楊黃恬 肖磊 北京大學 鄧宏魁 李凌松 復旦大學 朱劍虹等 我國衛(wèi)生部部長陳竺看到了我國干細胞研究的潛力和廣闊前景 組織了 干細胞之春 系列活動 帶動了我國干細胞研究進步及產(chǎn)業(yè)發(fā)展 促進了我國干細胞研究與世界接軌 一 干細胞的基本特性 多呈圓形且具有不同生化標志 能無限分裂 連續(xù)分裂幾代或長時間靜止 本身不是終末分化細胞 具不同的分化潛能 分裂有兩種形式 干細胞或特定細胞 增殖與分化受微環(huán)境調(diào)控 干細胞巢 stemcellniche 干細胞在機體組織中的居所 增殖與分化受微環(huán)境調(diào)控 分泌因子 受體介導細胞間相互作用 整合素與細胞基質(zhì) 全能干細胞 totipotentstemcell 多能干細胞 pluripotentstemcell 單能干細胞 unipotentstemcell 一 分化潛能 二 干細胞的分類 全能干細胞 totipotentstemcell 具有自我更新和分化形成任何類型細胞 并發(fā)育成為一個完整個體淺能的細胞 具有產(chǎn)生多種類型細胞 但失去發(fā)育成完整個體的能力 既發(fā)育潛能受到一定限制 多能干細胞 pluripotentstemcell 單能干細胞 unipotentstemcell 只能向一種類型或密切相關的兩種類型細胞分化的干細胞 上皮組織基底層干細胞 肌肉中成肌細胞 胚胎干細胞 EmbryonicStemCell ESC 胚胎性生殖細胞 EmbryonicGermCell EGC 成體干細胞 somaticstemcell SSC 成體組織來源的干細胞 Adult derivedStemCell ASC 二 細胞來源 造血干細胞骨髓間質(zhì)干細胞肌肉干細胞成骨干細胞內(nèi)胚層干細胞視網(wǎng)膜干細胞胰腺干細胞 組織發(fā)生 胚胎干細胞 EmbryonicStemCell ESC 指存在于早期胚胎中 具有多分化潛能和較長期進行自我更新的細胞 1998年美國科學家從人胚胎組織中培養(yǎng)出了干細胞株 JamesA Thomson Wisconsin 人體外受精卵囊胚innercellmass細胞株檢測 marker和酶活性 JohnD Gearhart JohnsHopkins 5 9周人工流產(chǎn)胚胎primordialgermcell細胞株檢測 1 胚胎干細胞系的建立 1 受精卵的囊胚內(nèi)細胞團 3 細胞核移植技術 畸胎瘤細胞 桑椹球細胞 擬胚體細胞 2 胚胎的生殖嵴或腸系膜體細胞 目前已證明 小鼠 兔 羊 豬 牛等多種動物的桑椹胚前及囊胚的ICM細胞具有發(fā)育的全能性 因此桑椹胚或囊胚是分離ES細胞的常用材料 形態(tài)特征 生化特征 2 胚胎干細胞的特性 增殖特征 分化潛能 1 胞體體積小 核大 有一個或幾個核仁 2 與胚胎外胚層和原始生殖細胞類似 而與ICM細胞不同 3 細胞中多為常染色質(zhì) 胞質(zhì)結(jié)構簡單 散布著大量核糖體和線粒體 核型正常 保留整倍體性質(zhì) 正常ES染色體正常 如異常則很難發(fā)育分化成動物個體 4 在體外分化抑制培養(yǎng)中 呈克隆狀生長 細胞緊密聚集形似鳥巢 細胞界限不清 周圍有時可見單個ES和分化的扁平狀上皮細胞 一個克隆細胞具有同樣特征 形態(tài)特征 增殖特征 1 增殖迅速 每18 24h分裂增殖1次 2 可在體外進行選擇 操作 凍存而不失其原有特性 堿性磷酸酶表達 桑椹胚和囊胚細胞均有堿性磷酸酶 AKP表達 特異性細胞表面抗原表達 早期胚胎細胞表面均表達胚胎特異抗原 SSEA 1 生化特征 1 形成畸胎瘤2 形成類胚體3 形成嵌合體4 定向分化 改變培養(yǎng)條件 導入外源基因 體內(nèi)定向誘導 分化潛能 3 ES細胞的鑒定 細胞的形態(tài)結(jié)構 核型分析 堿性磷酸酶 AKP 染色 SSEA I免疫熒光標記 分化能力檢測 體外分化試驗體內(nèi)分化試驗嵌合體形成試驗核移植試驗 4 胚胎干細胞的應用前景 1 用于移植治療 2 發(fā)育生物學基礎研究的理想模型 3 藥理研究和新藥開發(fā) 5 制備嵌合體動物 4 在動物克隆和轉(zhuǎn)基因動物中的應用 5 面臨問題 1 來源有限 2 如何定向誘導分化 3 如何維持體外擴增 不分化 4 如何獲得高數(shù)量高純度分化細胞 5 如何克服移植排斥反應 6 形成器官需要技術上的突破 7 用于臨床治療需解決安全性問題 8 倫理道德問題 在成體組織或器官內(nèi) 具有自我更新及分化形成部分組織細胞能力的未成熟細胞 成體干細胞 somaticstemcell SSC Science Volume288 Number5471 Issueof2Jun2000 pp 1660 1663 1 種類BoneMarrowHematopoieticStemCells造血干細胞PeripheralBloodStemCellsUmbilicalCordBloodStemCells間充質(zhì)干細胞DesmohemoblastStemCells神經(jīng)干細胞NeuralStemCells皮膚干細胞DermStemCells腸干細胞IntestinalStemCells肝干細胞FetalLiverStemCells 造血干細胞 存在于造血組織內(nèi)的一類能分化生成各種血細胞的原始細胞 1 形態(tài)似小淋巴細胞 HematopoieticStemCells HSC 造血細胞是細胞增殖分化的最佳模型 造血干 祖細胞及各血細胞表面標志較為清楚 細胞表型特征可進行定量分析 且可分選 造血干細胞增殖及向各系分化的重要誘導因子 受體 信號轉(zhuǎn)導 微環(huán)境等因素較為清楚 造血細胞發(fā)揮功能相對游離 不需 生物支架 神經(jīng) 血管 外科移植等復雜的 下游 工藝 因此便于直接應用于臨床 2 特點 通過組織細胞直接分離 3 來源 通過表面標志分離純化 卵黃囊有核紅細胞造血環(huán)境 前體細胞 大動脈 性腺脊 中期腎 胎肝骨髓 髓系和淋巴系 4 發(fā)育 5 生長分化調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)物不同分化不同 表達產(chǎn)物不同分化方向不同 表達量不同分化方向不同 間充質(zhì)干細胞 存在于骨髓竇內(nèi)腔面的一類能分化生成各種細胞的原始細胞 骨組織為主 形態(tài) 類似前成骨細胞 分化 骨 關節(jié) 脂肪 肌腱 肌肉 骨髓基質(zhì) 特點 來源 DesmohemoblastStemCells 地塞米松和細胞因子bFGF 成骨細胞 成軟骨細胞和脂肪細胞 骨髓間充質(zhì)干細胞 調(diào)節(jié) 特異性表面抗原 SH2 SH3 CD29 CD44 CD71 CD90 CD106 CD120a CD124 主要的細胞標記物 堿性磷酸酯酶 神經(jīng)干細胞 在哺乳動物中 中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有自我更新及分化產(chǎn)生多種腦神經(jīng)細胞的細胞 NeuralStemCells 來源 調(diào)節(jié) 主要標記物 表皮生長因子 維持干細胞生存成纖維細胞生長因子 2 促進干細胞分化 巢素蛋白 表皮干細胞 在表皮中具有較高自我更新及分化產(chǎn)生表皮細胞的基底細胞 稱為表皮干細胞 主要細胞標記物 角蛋白 EpidermicStemCells 胚胎細胞 胚胎組織 成體組織 2 來源 是已決定 未分化的細胞 不是終末分化細胞 3 特點 橫向分化 干細胞能無限地分裂 來源于自身 避免排斥反應 4 優(yōu)點 可在體外大量擴增 且無倫理問題 在特定環(huán)境下可分化為特定類型細胞 直接用于組織修復 有沒有通用的干細胞 5 面臨問題 在體內(nèi)的來源 有多少種 存在那些組織 增殖分化如何調(diào)節(jié) 在體內(nèi)是否發(fā)揮可塑性 第五節(jié)人類干細胞研究的應用 1 成為基因功能研究的有效手段2 可從根本上揭示人及動物發(fā)育的決定基因3 可作為評價新藥及化學產(chǎn)品毒性及效能檢測系統(tǒng)4 ES細胞有可能成為今后細胞替代療法和組織器官移植的最佳來源 基礎研究 SuccessfulTrialofGeneTherapyinFranceUses Adult StemCellsScience288 669 672 April28 2000 Frenchresearchersrecentlyreportedwhatappearstobethefirstsuccessfultrialofhumangenetherapy boostingtheimmunesystemsoftwoinfantswithseverecombinedimmunodeficiencybyinjectingthemwiththeirownstemcellscontaininganormalcopyofthegenethattheylacked Researchersremovedstemcellsfromtheinfants bonemarrow addedaworkingcopyofthegenetothecells DNA andinjectedtherepairedstemcellsbackintotheinfants 8and11monthsoldatthetimeoftreatment 臨床應用 截止2010年底 全球共有約3300項干細胞相關的臨床試驗研究已開展或者正在開展 其中 期臨床研究1009項 期臨床研究1712項 期臨床研究429項 期臨床研究81項 絕大多數(shù)涉及成體干細胞 有2項去年剛剛通過FDA批準的ES細胞產(chǎn)品的臨床試驗 近半個世紀以來 利用造血干細胞和骨髓移植治療再生障礙性貧血和白血病取得一些成功經(jīng)驗 應用干細胞可治療老年癡呆 帕金森病 肌肉萎縮 糖尿病 腦卒中 心力衰竭 近年來人們發(fā)現(xiàn)許多腫瘤的發(fā)生都與成體干細胞 腫瘤干細胞 tumorstemcells TSC 有著密切的關系 證實腫瘤干細胞是形成不同分化程度腫瘤細胞和腫瘤不斷擴大的源泉 因此 消滅腫瘤干細胞就意味著消滅了腫瘤 法國和美國應用干細胞成功地制備出人工氣管 治愈了呼吸衰竭 英國和德國應用干細胞成功治療了黃斑退行性病變 使老年失明患者重見光明 成功地開發(fā)iPs新技術 使干細胞轉(zhuǎn)化效率提高了100多倍 并降低了致癌風險 應用iPs技術從成年小鼠細胞分離出新的iPs系 并培育出成年小鼠 在世界上首次證明iPs的全能性等 在臨床應用方面 應用骨髓造血干細胞 臍帶血干細胞治療再生障礙性貧血 白血病 淋巴瘤 神經(jīng)損傷 心功能不全亦有成千上萬例的報道 我國干細胞研究 干細胞幾乎可以應用到涉及人體所有的重要組織器官及人類所面臨的很多醫(yī)學難題 癌癥患者手術后大劑量化療后的造血和免疫重建 血管疾病或損傷后的血管替代 糖尿病患者的胰島植入 神經(jīng)疾病 感染性疾病 移植 部分遺傳缺陷疾病的治療 意外損傷 放射損傷等患者的植皮 肌肉 骨及軟骨缺損的修補 髖 膝關節(jié)的置換 眼科 AdultStemCellsReverseDiabetesinMiceNatureMedicine6 278 282 March2000ResearchersattheUniversityofFloridaannouncedinMarchthattheyhavereverseddiabetesinmiceusingadultpancreaticstemcells Thepancreaticstemcellswereharvestedfromadultdonorsandgrowninculture wheretheyformedsmallfunctionalorgansknownasisletsofLangerhans theinsulin secretingpartsofthepancreas Thecellsweretheninjectedundertheskinofthediabeticmice wheretheybegansecretinginsulin Within7 10days themicewereabletoregulatethelevelsofglucoseintheirblood BoneMarrowStemCellTransplantUsedtoTreatChildrenwithCartilageDefectNatureMedicine5 309 313 March1999Bonemarrow derivedstemcellshavebeenusedclinicallytotreatchildrenwithosteogenesisimperfecta aconditionthatleadstomultiplefractures severebonydeformities andconsiderablyshortenedstature Threemonthsaftertreatment thethreechildrenshowedchangesindicatingnewdenseboneformation ThereportbyresearchersatSt JudeChildren sHospitalinMemphisindicatesthepromisingpossibilityfortreatmentofthisaswellassimilarstemcelldisorders NeuralStemCellsAbletoRepairDamageThroughoutBrainSciencesUSA96 7029 7034 June8 1999Instudieswithmice neuralstemcellshavebeenshowntogloballyreplacedamagedbraintissue Thestudy performedbyresearchersatHarvardMedicalSchool involvedtransplantingneuralstemcellsfrombornmiceintothebrainsof shiverer mice amodelforParkinson sandsimilarcentralnervoussystemdiseases T