干細(xì)胞與組織的維持和再生

第十七章干細(xì)胞與組織的維持和再生StemCellandTissueRegeneration第一節(jié)干細(xì)胞概述

一、干細(xì)胞的存在(一)干細(xì)胞的存在干細(xì)胞〔stemcell〕：是一類(lèi)具有自我更新和多向分化潛能的細(xì)胞。存在部位：人體或動(dòng)物個(gè)體整個(gè)發(fā)育過(guò)程中的各種組織中。功能：個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育、組織器官的結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)平衡，以及其損傷后的再生修復(fù)等生命現(xiàn)象發(fā)生的重要根底。1.全能干細(xì)胞〔totipotentstemcell〕指那些具有發(fā)育全能性的早期胚胎細(xì)胞，如處于8細(xì)胞期之前的每一個(gè)胚胎細(xì)胞〔包括受精卵〕，這種狀態(tài)的任何一個(gè)細(xì)胞植入子宮后，都可以發(fā)育為一個(gè)完整的個(gè)體。StemCellandTissueRegeneration2.多能干細(xì)胞〔pluripotentstemcell〕指那些具有分化為成熟個(gè)體中所有類(lèi)型細(xì)胞的潛能，但不能形成完整個(gè)體的早期胚胎干細(xì)胞,也習(xí)慣稱(chēng)為胚胎干細(xì)胞〔embryonicstemcell，ES細(xì)胞〕，如內(nèi)細(xì)胞團(tuán)。(二)干細(xì)胞的類(lèi)型3.組織特異性干細(xì)胞〔tissuespecificstemcell〕指在組織器官發(fā)育過(guò)程中起著重要作用的干細(xì)胞，是一種專(zhuān)能性干細(xì)胞。在成體組織中的干細(xì)胞也稱(chēng)成體干細(xì)胞(adultstemcell)它們通過(guò)有序的增殖與分化，以實(shí)現(xiàn)其所在組織中細(xì)胞的新舊更替，并維持組織器官結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)平衡。受精卵細(xì)胞團(tuán)囊胚胎兒成體專(zhuān)能

unipotency全能

totipotency多能

pluripotenyStemCellandTissueRegeneration二、干細(xì)胞的形態(tài)和生化特征1.干細(xì)胞的形態(tài)特征所有干細(xì)胞在形態(tài)學(xué)上都具有原始細(xì)胞的一些根本特征：呈圓形或橢圓形；體積較?。缓速|(zhì)比較大；細(xì)胞質(zhì)中各種細(xì)胞器不夠興旺。StemCellandTissueRegeneration2.干細(xì)胞的生化特性干細(xì)胞都具有較高的端粒酶活性。不同的干細(xì)胞可能具有各異的生化標(biāo)志，如nestin為神經(jīng)干細(xì)胞的標(biāo)志分子。干細(xì)胞的生化特性常被用作鑒定干細(xì)胞在組織中存在和評(píng)價(jià)其分化程度的標(biāo)志。

干細(xì)胞過(guò)渡細(xì)胞分化細(xì)胞三、干細(xì)胞的增殖特征1.干細(xì)胞的增殖速率具有緩慢性干細(xì)胞增殖時(shí)，首先要經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的增殖期，產(chǎn)生過(guò)渡細(xì)胞。

StemCellandTissueRegeneration緩慢增殖的生理意義:有利于干細(xì)胞對(duì)特定的外界信號(hào)作出反響，以決定其細(xì)胞是進(jìn)入增殖狀態(tài)，還是進(jìn)入特定的分化程序。可以減少發(fā)生基因突變的危險(xiǎn)，使干細(xì)胞有更多的時(shí)間發(fā)現(xiàn)和校正復(fù)制錯(cuò)誤。2.干細(xì)胞增殖系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自穩(wěn)定性自穩(wěn)定性:指干細(xì)胞可以在生物個(gè)體生命區(qū)間中自我更新，并維持自身數(shù)目恒定，這是干細(xì)胞的根本特征之一。對(duì)稱(chēng)分裂:當(dāng)干細(xì)胞發(fā)生分裂后,產(chǎn)生的兩個(gè)子代細(xì)胞都是干細(xì)胞或都是分化細(xì)胞的分裂方式。不對(duì)稱(chēng)分裂:當(dāng)干細(xì)胞發(fā)生分裂后，產(chǎn)生一個(gè)干細(xì)胞和一個(gè)分化細(xì)胞的分裂方式。不對(duì)稱(chēng)分裂與對(duì)稱(chēng)分裂對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物而言，不對(duì)稱(chēng)分裂是干細(xì)胞維持自身數(shù)目恒定的根本方式。哺乳動(dòng)物的單個(gè)干細(xì)胞通常進(jìn)行對(duì)稱(chēng)分裂，哺乳動(dòng)物的干細(xì)胞是種群意義上的不對(duì)稱(chēng)分裂。干細(xì)胞的不對(duì)稱(chēng)分裂A．干細(xì)胞的簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)分裂B.干細(xì)胞的種群不對(duì)稱(chēng)分裂四、干細(xì)胞的分化特征1.干細(xì)胞分化的譜系限定性處于不同發(fā)育階段和不同組織器官中的干細(xì)胞的分化潛能，具有嚴(yán)格的譜系限定性。受精卵形成個(gè)體；內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞產(chǎn)生個(gè)體中任何一種組織細(xì)胞；組織干細(xì)胞只產(chǎn)生其細(xì)胞譜系以?xún)?nèi)的細(xì)胞類(lèi)型，而不產(chǎn)生其他組織中的細(xì)胞類(lèi)型。StemCellandTissueRegeneration2.干細(xì)胞分化的可塑性

干細(xì)胞在適當(dāng)?shù)臈l件下，發(fā)生直接誘導(dǎo)分化：將多潛能性干細(xì)胞直接誘導(dǎo)為一種特定的分化細(xì)胞。轉(zhuǎn)決定：將一種前體細(xì)胞誘導(dǎo)分化為與其共同的干細(xì)胞譜系內(nèi)的另一種細(xì)胞類(lèi)型。轉(zhuǎn)分化：將一種已分化細(xì)胞直接誘導(dǎo)為另一種已分化細(xì)胞。去分化：干細(xì)胞向其前體細(xì)胞逆向轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。如采用高表達(dá)特定轉(zhuǎn)錄因子的手段，可以將成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)分化為類(lèi)似于ES細(xì)胞的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞〔inducedpluripotentstemcell,iPS細(xì)胞〕。干細(xì)胞的可塑性

a.去分化；b.轉(zhuǎn)決定；c.轉(zhuǎn)分化；d.直接誘導(dǎo)分化StemCellandTissueRegeneration細(xì)胞重編程的主要策略A．體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移〔SCNT〕：將體細(xì)胞核注射到去核的卵細(xì)胞，在體外特殊培養(yǎng)條件下，可以產(chǎn)生ES細(xì)胞；B.細(xì)胞融合：將體細(xì)胞與ES細(xì)胞融合，可以產(chǎn)生雜合細(xì)胞，具備多能ES細(xì)胞的一些生物學(xué)特性；C.iPS細(xì)胞：將體細(xì)胞通過(guò)誘導(dǎo)表達(dá)某些特定基因轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄芨杉?xì)胞，例如導(dǎo)入Oct3/4、Sox2、C-Myc和Klf4基因可以將小鼠成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄芨杉?xì)胞；D.譜系轉(zhuǎn)化：例如直接將胰腺細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肝細(xì)胞。在此過(guò)程中，將一種細(xì)胞類(lèi)型轉(zhuǎn)化為另一種細(xì)胞的特異性轉(zhuǎn)錄因子是非常關(guān)鍵的StemCellandTissueRegenerationStemCellandTissueRegeneration五、干細(xì)胞生理活動(dòng)的微環(huán)境

干細(xì)胞的增殖與分化存在一個(gè)嚴(yán)密的調(diào)控機(jī)制，而這個(gè)調(diào)控機(jī)制可能就與它所在組織中的微環(huán)境有關(guān)，這種微環(huán)境稱(chēng)為“干細(xì)胞巢〞。干細(xì)胞巢的根本特征：即在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)由干細(xì)胞及其外圍細(xì)胞、以及參與其增殖分化調(diào)控的相關(guān)因子所組成的，并具有動(dòng)態(tài)平衡特性的局部環(huán)境。1.干細(xì)胞巢中的分泌因子是干細(xì)胞增殖分化的調(diào)控因子分泌因子的來(lái)源：干細(xì)胞自身分泌的，也可以來(lái)自外圍細(xì)胞或者其他組織細(xì)胞。分泌因子的種類(lèi)及其水平與機(jī)體發(fā)育或生理狀態(tài)的需求相適應(yīng)。2.細(xì)胞間直接相互作用也是干細(xì)胞增殖分化的一種調(diào)控因素細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用通常是由整合膜蛋白介導(dǎo)。在相互作用的兩個(gè)細(xì)胞中，一個(gè)細(xì)胞中跨膜蛋白的胞外段作為配體，另一個(gè)細(xì)胞的跨膜蛋白的胞外段那么作為受體。3．整聯(lián)蛋白和胞外基質(zhì)參與干細(xì)胞巢的結(jié)構(gòu)體系的形成干細(xì)胞巢StemCellandTissueRegeneration果蠅卵巢干細(xì)胞微環(huán)境成年果蠅卵巢生殖干細(xì)胞位于卵巢原卵區(qū)的頂部，并被三種不同的基質(zhì)細(xì)胞群所包繞：端絲、帽細(xì)胞以及內(nèi)鞘細(xì)胞。這三種基質(zhì)細(xì)胞以及基膜共同構(gòu)成卵巢干細(xì)胞微環(huán)境，其中帽細(xì)胞通過(guò)E-cadherin介導(dǎo)的緊密連接將卵巢干細(xì)胞固定在微環(huán)境中，與其他基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞信號(hào)分子如BMP、Notch等共同調(diào)控卵巢干細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。第二節(jié)胚胎干細(xì)胞一、胚胎干細(xì)胞的生物學(xué)特征胚胎干細(xì)胞(embryonicstemcell，ESC)指存在于囊胚期胚胎中內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(innercellmass，ICM)的細(xì)胞。這種細(xì)胞具有分化為一個(gè)個(gè)體中的任何細(xì)胞類(lèi)型的潛能。形態(tài)特征：圓形細(xì)胞，細(xì)胞較小，核質(zhì)比例高。體外抑制分化培養(yǎng)時(shí)呈集落樣〔克隆樣〕生長(zhǎng)，形似鳥(niǎo)巢。1.形態(tài)和生化特征：A.內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞形成的原代克隆；B.H9株人胚胎干細(xì)胞的克??；C.放大的H9株人胚胎干細(xì)胞的克??；D.H9株人胚胎干細(xì)胞分化后的形態(tài)。

生化特征：表達(dá)胚胎階段特異性抗原〔stage-specificembryonicantigen，SSEA〕、堿性磷酸酶(AKP)和端粒酶等。SSEA常作為ES細(xì)胞鑒定的一個(gè)標(biāo)志。堿性磷酸酶常作為鑒定ES細(xì)胞分化與否的標(biāo)志之一。H9細(xì)胞的外表標(biāo)志分析A：AKPB：SSEA-1C：SSEA-3D：SSEA-4E：TRA-1-60F：TRA-1-812.分化潛能

ESC是多能性干細(xì)胞，在個(gè)體發(fā)育中，胚胎干細(xì)胞具有分化為后續(xù)發(fā)育個(gè)體的任何組織細(xì)胞的潛能，即可分化為內(nèi)、中、外三個(gè)胚層的細(xì)胞。StemCellandTissueRegeneration如何評(píng)價(jià)ESC的多能性？體內(nèi)實(shí)驗(yàn)—畸胎瘤實(shí)驗(yàn)：假設(shè)將ES細(xì)胞給同源動(dòng)物或重癥聯(lián)合免疫缺陷小鼠的皮下注射，會(huì)形成復(fù)雜的混合組織瘤〔畸胎瘤〕。腸樣結(jié)構(gòu)神經(jīng)上皮骨組織軟骨組織橫紋肌腎小球腎小管結(jié)構(gòu)金標(biāo)準(zhǔn)——嵌合體試驗(yàn)：假設(shè)將小鼠等哺乳動(dòng)物的ES細(xì)胞注射到胚胎的囊胚腔，ES細(xì)胞那么與正常胚胎嵌合形成嵌合體(chimera)并可參與形成包括生殖系在內(nèi)的各個(gè)組織器官，且能產(chǎn)生嵌合的功能性配子。二、胚胎干細(xì)胞的體外分化胚胎干細(xì)胞在體外培養(yǎng)的條件下可被誘導(dǎo)分化為各種類(lèi)型的成熟體細(xì)胞。在實(shí)際研究中，目前的一般思路是先誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞形成類(lèi)胚體然后再?gòu)念?lèi)胚體中別離所需要的目標(biāo)細(xì)胞，進(jìn)而擴(kuò)大培養(yǎng)和利用。StemCellandTissueRegeneration經(jīng)分化形成的類(lèi)胚體樣結(jié)構(gòu)心肌組織表達(dá)心臟特異性肌鈣蛋白脂肪骨骼骨髓基質(zhì)肌腱，韌帶基因傳遞軟骨心肌生物制藥StemCellandTissueRegeneration第三節(jié)組織干細(xì)胞一、造血干細(xì)胞二．間充質(zhì)干細(xì)胞三、神經(jīng)干細(xì)胞四、肝干細(xì)胞五、精原干細(xì)胞StemCellandTissueRegeneration目前已別離或鑒定的組織干細(xì)胞：造血干細(xì)胞(hematopoiesisstemcell，HSC)；間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymalstemcell,MSC)；神經(jīng)干細(xì)胞(neuralstemcell,NSC)；肝干細(xì)胞(liverstemcell)；皮膚干細(xì)胞(epidermalstemcell)；小腸干細(xì)胞(intestinalstemcell)；角膜的干細(xì)胞(cornealstemcell)；腎臟干細(xì)胞(renalstemcell)；肌肉干細(xì)胞(myogenicstemcell)；胰腺干細(xì)胞(pancreaticstemcell)；肺臟干細(xì)胞(lungstemcell)。StemCellandTissueRegeneration組織干細(xì)胞示意圖A．表皮組織，干細(xì)胞位于基底層；B.毛囊，干細(xì)胞位于膨脹部位；C.小腸隱窩干細(xì)胞；D.大腦，干細(xì)胞位于室管膜或下腦室〔V：腦室區(qū)；SVC：下腦室區(qū)；E：室管膜；OB：嗅覺(jué)球〕；E.造血系統(tǒng)〔HSC：造血干細(xì)胞；A：脂肪細(xì)胞；M：巨噬細(xì)胞；T-L：T淋巴細(xì)胞；B-L：B淋巴細(xì)胞；B：嗜堿性粒細(xì)胞；E：嗜酸性粒細(xì)胞；N：中性粒細(xì)胞；Er：紅細(xì)胞；P：血小板；S：基質(zhì)細(xì)胞；V：靜脈；Art：動(dòng)脈〕StemCellandTissueRegenerationA：脾內(nèi)肝源性結(jié)節(jié)B：脾內(nèi)肝源性結(jié)節(jié)HE染色C：脾內(nèi)肝源性結(jié)節(jié)免疫組化形成于個(gè)體發(fā)育中的骨髓腔〔marrowcavity〕。特異性外表抗原有：SH2,、SH3、CD29、CD44、CD71、CD90、CD106、CD120a及CD124等。但是與造血干細(xì)胞不同，間充質(zhì)干細(xì)胞不表達(dá)CD45、CD34、CD41、CD14等外表抗原。間充質(zhì)干細(xì)胞可分化為多種間充質(zhì)組織：如骨、關(guān)節(jié)、脂肪、肌腱、肌肉、骨髓基質(zhì)等。二、間充質(zhì)干細(xì)胞StemCellandTissueRegenerationMSC地塞米松、β-磷酸甘油Vc和含有10%FBS

體外誘導(dǎo)分化脂肪細(xì)胞

軟骨細(xì)胞

TGFβ3，無(wú)血清培養(yǎng)

成骨細(xì)胞

1-甲基-3-異丁基黃嘌呤、地塞米松、吲哚美辛

三、神經(jīng)干細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中局部細(xì)胞仍具有自我更新及分化產(chǎn)生成熟腦細(xì)胞的能力，這些細(xì)胞被稱(chēng)為神經(jīng)干細(xì)胞〔neuralstemcells,NSC〕。神經(jīng)干細(xì)胞表達(dá)的一種中間纖維nestin可作為神經(jīng)干細(xì)胞的特征性生物學(xué)標(biāo)記。神經(jīng)干細(xì)胞可以從中樞神經(jīng)的嗅球、海馬、下腦室、腦干、大腦等部位獲得，也可以從外周神經(jīng)系統(tǒng)如脊髓、感覺(jué)器官〔嗅覺(jué)上皮和視網(wǎng)膜〕等部位獲得。StemCellandTissueRegeneration神經(jīng)干細(xì)胞表達(dá)的一種