15章-干細(xì)胞-楊課件

Stemcell

干細(xì)胞2013-121干細(xì)胞的定義及特點(diǎn)一類具有自我更新與分化潛能的未分化或低分化細(xì)胞。干細(xì)胞具有“無限”的增殖能力，能夠產(chǎn)生與母代細(xì)胞完全相同的子代細(xì)胞，維持該干細(xì)胞種群。

自我更新多分化潛能（可塑性）

干細(xì)胞能分化生成不同表型的成熟細(xì)胞，例如胚胎干細(xì)胞可以分化形成個(gè)體的所有成熟細(xì)胞類型。干細(xì)胞分化常發(fā)生在病理情況下，向病理部位遷移，成為病理部位的前體細(xì)胞，并分化為終末成熟細(xì)胞，因此不僅可以修復(fù)組織的損傷，而且可以作為細(xì)胞替代治療和‘基因治療’的理想載體?；瘜W(xué)趨向性干細(xì)胞系的獲得不但為生物基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究提供了重要工具，而且使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用干細(xì)胞移植治療各種難治性疾病成為可能，這意味著干細(xì)胞醫(yī)學(xué)將產(chǎn)生巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。干細(xì)胞與醫(yī)學(xué)

根據(jù)細(xì)胞分化潛能不同，分為全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞（unipotentstemcells）。(二)干細(xì)胞的分類

根據(jù)細(xì)胞所處的發(fā)育階段和發(fā)生學(xué)來源的不同，分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞（包括組織干細(xì)胞和生殖干細(xì)胞）。①胚胎干細(xì)胞(embryonicstemcell)：受精胚胎囊胚期的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)、胎兒原始生殖嵴、重構(gòu)胚的囊胚期細(xì)胞②成體干細(xì)胞(somaticstemcell)：干細(xì)胞分化時(shí)，干細(xì)胞的獨(dú)特增殖方式：干細(xì)胞具有獨(dú)特的增殖方式，即不對稱分裂（asymmetricdivision）。干細(xì)胞通過非對稱分裂產(chǎn)生與一個(gè)與母代細(xì)胞完全相同的子代細(xì)胞，以保持干細(xì)胞穩(wěn)定；同時(shí)還產(chǎn)生過渡放大細(xì)胞（TA細(xì)胞），再由過渡放大細(xì)胞經(jīng)過若干次分裂，最終產(chǎn)生分化細(xì)胞。

概念：個(gè)體出生以后，組織干細(xì)胞（包括生殖干細(xì)胞）生活的特殊微環(huán)境稱為干細(xì)胞微環(huán)境，這個(gè)微環(huán)境對干細(xì)胞的增殖與分化起著嚴(yán)密的調(diào)控作用，又稱為干細(xì)胞巢（stemcellniche）。不同組織類型的“干細(xì)胞微環(huán)境”的組成及定位不同。五、干細(xì)胞生理活動(dòng)的微環(huán)境是干細(xì)胞維持自我更新和分化潛能的重要場所

干細(xì)胞需要特殊的微環(huán)境才能執(zhí)行正常的生理功能。如果將造血干細(xì)胞從其正常生存的微環(huán)境中分離，它們即喪失了自我更新的能力。（一）干細(xì)胞需要特殊的微環(huán)境才能執(zhí)行正常的生理功能

微環(huán)境還能調(diào)控干細(xì)胞的分化發(fā)育方向，例如，在不同信號途徑構(gòu)成的微環(huán)境中，干細(xì)胞能向不同的譜系細(xì)胞分化。

果蠅卵巢干細(xì)胞微環(huán)境果蠅卵巢干細(xì)胞微環(huán)境成年果蠅卵巢生殖干細(xì)胞（germlinestemcell，GSC）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(terminalfilament)、帽細(xì)胞(capcell)以及內(nèi)鞘細(xì)胞（innersheathcell）。這三種基質(zhì)細(xì)胞以及基膜共同構(gòu)成GSC微環(huán)境，其中帽細(xì)胞通過E-cadherin介導(dǎo)的緊密連接將GSC固定在微環(huán)境中，與其他基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞信號分子如BMP、Notch等共同調(diào)控GSC的生長和分化。（二）干細(xì)胞微環(huán)境包括多種組成成分信號分子:以自分泌或旁分泌的形式影響干細(xì)胞的增殖與分化。細(xì)胞黏附分子:確保干細(xì)胞定居于微環(huán)境中，并接受信號分子的調(diào)節(jié)。細(xì)胞外基質(zhì):對干細(xì)胞正常功能的維持提供了重要信號，并且可以直接調(diào)節(jié)干細(xì)胞的分化方向?？臻g效應(yīng):空間結(jié)構(gòu)對保持適宜的干細(xì)胞數(shù)目和干細(xì)胞的定向分化發(fā)揮了重要作用。

干細(xì)胞微環(huán)境是由定位于組織內(nèi)的一群特殊細(xì)胞和細(xì)胞外支持結(jié)構(gòu)組成（三）干細(xì)胞微環(huán)境具有一些共同的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)

一些重要的信號分子輔助干細(xì)胞定位于微環(huán)境

干細(xì)胞微環(huán)境能夠產(chǎn)生多種外源信號分子，調(diào)控干細(xì)胞分化及增殖

脊椎動(dòng)物和哺乳動(dòng)物干細(xì)胞微環(huán)境具有特定的結(jié)構(gòu)骨髓干細(xì)胞微環(huán)境胚胎干細(xì)胞特征性的基因產(chǎn)物和表面標(biāo)記分子：特征性基因產(chǎn)物如SSEA-3，SSEA-4,TRA-1-60，TRA-1-81,堿性磷酸酶等整合素如整合素α6和β1，連接蛋白43等轉(zhuǎn)錄因子如Oct3/4，Nanog，Sox2等人類ES細(xì)胞與小鼠ES細(xì)胞的比較人類ES細(xì)胞小鼠ES細(xì)胞形態(tài)扁平的、有明顯細(xì)胞邊界的克隆

緊密聚集型，形成圓頂樣克隆

分化差異體外培養(yǎng)條件下較容易分化，并形成多種原始干細(xì)胞和部分處于不同分化階段幼稚細(xì)胞的多克隆

體外培養(yǎng)條件下較容易分化培養(yǎng)條件加入細(xì)胞因子LIF不能完全替代飼養(yǎng)細(xì)胞的作用細(xì)胞因子LIF不能完全替代飼養(yǎng)細(xì)胞的作用組織干細(xì)胞和多能干細(xì)胞用圓形表示，分化細(xì)胞用方形表示。

造血干細(xì)胞造血干細(xì)胞（HSC）的分化是典型的等級式分化過程，HSC首先分化形成多能造血祖細(xì)胞，然后分化為髓系干細(xì)胞和淋巴系干細(xì)胞，髓系干細(xì)胞分化形成紅細(xì)胞、血小板、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞，而淋巴系細(xì)胞則形成T細(xì)胞，B細(xì)胞，NK細(xì)胞等。

間充質(zhì)干細(xì)胞的體外誘導(dǎo)分化

MSC的應(yīng)用

MSC局部移植治療組織器官的系統(tǒng)移植干細(xì)胞的基因治療組織工程中MSC的應(yīng)用器官移植的排斥反應(yīng)中起免疫調(diào)節(jié)作用

神經(jīng)干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)1992年BrentA.Reynolds和SamuelWeiss從成年小鼠側(cè)腦室膜下區(qū)分離出能夠不斷增殖并具有分化潛能的細(xì)胞。

神經(jīng)干細(xì)胞的特征性表面標(biāo)志物包括神經(jīng)細(xì)胞中間絲蛋白，即巢蛋白（nestin），以及波形蛋白（vimentin）、膠質(zhì)細(xì)胞原纖維酸性蛋白（GFAP）等。皮膚毛囊干細(xì)胞、肝和小腸干細(xì)胞的定位及分化調(diào)控皮膚干細(xì)胞表皮干細(xì)胞毛囊干細(xì)胞、毛囊黑素干細(xì)胞真皮中分離的間充質(zhì)干細(xì)胞皮膚表皮干細(xì)胞的表面標(biāo)志物

整合素運(yùn)鐵蛋白受體（transferrinreceptor）角蛋白（Keratin，CK）c-Myc和p63

小腸干細(xì)胞位于小腸隱窩底部，分散于潘氏細(xì)胞周圍，隱窩干細(xì)胞的數(shù)目約占0.4%～0.6%，每一個(gè)隱窩大約包括了4～6個(gè)小腸干細(xì)胞。

肝干細(xì)胞的特征性標(biāo)志物肝干細(xì)胞角蛋白19（CK19）神經(jīng)細(xì)胞黏附分子（NCAM）上皮細(xì)胞黏附分子（EpCAM）claudin-3(CLDN-3)Liv2、Dlk-2肝祖細(xì)胞甲胎蛋白（AFP）Alb基因

成體肝組織內(nèi)分離得到具有向肝細(xì)胞和膽管上皮細(xì)胞雙向分化特性的肝干細(xì)胞。體外胚胎干細(xì)胞向肝細(xì)胞的定向誘導(dǎo)分化：主要經(jīng)過胚狀體形成—內(nèi)胚層特定分化—肝祖細(xì)胞形成—類肝細(xì)胞成熟四階段形成肝樣細(xì)胞。起源于卵黃囊內(nèi)胚層細(xì)胞,位于卵黃囊的前尾區(qū)。在不斷分裂增殖的過程中遷徙至尿生殖嵴,以后發(fā)育為精原細(xì)胞。原始生殖細(xì)胞的來源多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為其來源于胚胎外胚層，但人類原始生殖細(xì)胞可能起源于靠近尿囊基部的卵黃囊背側(cè)內(nèi)胚層。原始生殖細(xì)胞的來源多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為其來源于胚胎外胚層，但人類原始生殖細(xì)胞可能起源于靠近尿囊基部的卵黃囊背側(cè)內(nèi)胚層。

生殖干細(xì)胞維持了生物種代間的延續(xù)性胚胎來源的胚胎生殖細(xì)胞成體組織來源的生殖干細(xì)胞生殖干細(xì)胞生殖干細(xì)胞是形成成熟配子體（精子或卵子）的前體細(xì)胞，通常認(rèn)為其起源于原始生殖細(xì)胞(primordialgermcell，PGC)。原始生殖細(xì)胞具有特征性的表面標(biāo)志物人類原始生殖細(xì)胞高表達(dá)堿性磷酸酶、糖脂類SSEAs、糖蛋白TRA-1-60、TRA-1-81、EMA-1、轉(zhuǎn)錄因子OCT-4及端粒末端轉(zhuǎn)移酶（hTERT）。

PGC的分化需要BMP和轉(zhuǎn)化生長因子超家族成員的協(xié)同作用。是從腫瘤組織中分離或鑒定的少數(shù)細(xì)胞，具有無限的自我更新和誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生的能力，是腫瘤產(chǎn)生的種子細(xì)胞。

1994年JohnDick首先發(fā)現(xiàn)急性髓樣白血病（AML）病人體內(nèi)存在腫瘤干細(xì)胞。2003年發(fā)現(xiàn)了乳腺癌干細(xì)胞和腦腫瘤干細(xì)胞。目前已經(jīng)在腸道腫瘤、骨肉瘤、肝癌等實(shí)體瘤以及血液系統(tǒng)腫瘤中發(fā)現(xiàn)了腫瘤干細(xì)胞。腫瘤干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)腫瘤干細(xì)胞與正常干細(xì)胞的比較

具有一些共同的表面標(biāo)志物均具有體內(nèi)組織器官的遷移能力均具有強(qiáng)大的自我更新能力存在相似的、調(diào)節(jié)自我更新的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

腫瘤干細(xì)胞的生物學(xué)特征圖已經(jīng)鑒定的腫瘤干細(xì)胞表面標(biāo)志物腫瘤類別細(xì)胞表面標(biāo)志物AMLCD34+CD38-多發(fā)性骨髓瘤CD34-CD138-神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤CD133+乳腺癌CD44+CD24-/low結(jié)腸癌CD133+肝癌CD90+CD45-胰腺癌CD44+CD24+ESA+頭頸部腫瘤CD44+Lineage-基因突變與“克隆進(jìn)化”假說不能完全解釋腫瘤的發(fā)生機(jī)制

體細(xì)胞自發(fā)突變形成腫瘤的可能性比較小。腫瘤的發(fā)生必須突破細(xì)胞靜止?fàn)顟B(tài)的限制，例如逃逸一些調(diào)控細(xì)胞周期關(guān)鍵分子的作用。干細(xì)胞強(qiáng)大的增殖能力可以作為腫瘤細(xì)胞的重要來源，同時(shí)它們在體內(nèi)長期存在，也為基因的突變積累提供了基礎(chǔ)。干細(xì)胞異常分化與腫瘤的發(fā)生

腫瘤的發(fā)生是一種克隆進(jìn)化疾病。

腫瘤的發(fā)生是體細(xì)胞基因多階段突變積累和演變的過程，經(jīng)歷了起始（initiation）、積累（accumulation）和促進(jìn)（promotion）三個(gè)階段。

結(jié)腸癌的發(fā)生是典型的、研究較為透徹的基因突變積累過程的例子。

腫瘤發(fā)生的克隆選擇假說與腫瘤干細(xì)胞假說瘤腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境與腫瘤干細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境圖腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境中的信號異?；罨蛘呓Y(jié)構(gòu)改變，是腫瘤干細(xì)胞惡性表型的重要刺激因素（小腸腺瘤細(xì)胞、皮膚毛囊腫瘤細(xì)胞和淋巴細(xì)胞性白血病細(xì)胞信號通路的異常）細(xì)胞治療（celltherapy）

將體外培養(yǎng)的、具有正常功能細(xì)胞植入病人體內(nèi)（或直接導(dǎo)入病變部位），以代償病變細(xì)胞所喪失的功能?；虿捎没蚬こ碳夹g(shù)，將所培養(yǎng)的細(xì)胞在體外進(jìn)行遺傳修飾后，再將其用于疾病的治療。

細(xì)胞治療示意圖

MouseembryonicstemcellsinjectedintoratbrainsexpresstheAHD2proteinmarker(yellow)characteristicofcellslostinParkinson'sdisease.神經(jīng)干細(xì)胞(red)用于顱內(nèi)腫瘤(green)的治療心血管內(nèi)科內(nèi)分泌內(nèi)科神經(jīng)內(nèi)科腫瘤內(nèi)科免疫內(nèi)科心血管病急性心肌梗塞缺血性心臟疾病心力衰竭糖尿病肌營養(yǎng)失調(diào)帕金森氏癥老年癡呆癥共濟(jì)失調(diào)脊髓外傷性癱瘓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病重癥肌無力急性白血病慢性髓性白血病惡性淋巴瘤多發(fā)性骨髓瘤慢性淋巴性白血病骨髓增生異常綜合征化療后的支持療法遺傳性免疫缺陷病獲得性免疫缺陷綜合征風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎克隆氏病復(fù)發(fā)性硬化心臟外科血管外科神經(jīng)外科骨科整形科外周血管病糖尿病足閉塞性脈管炎血栓脊髓損傷肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥腦外傷后遺癥腦梗死植物人腦卒中后遺癥脊髓炎后遺癥骨折股骨頭壞死骨質(zhì)疏松癥腦外傷腰椎骨折骨折不愈合去皺美容凹陷性疤痕抗衰老消化內(nèi)科婦兒科眼科五官科其它肝炎肝硬化小兒腦癱視神經(jīng)發(fā)育不良及萎縮口腔科（外）牙病艾滋病等細(xì)胞工程細(xì)胞規(guī)模化培養(yǎng)：蛋白表達(dá)、抗體制備細(xì)胞融合：單克隆抗體制備、腫瘤疫苗核移植：克隆動(dòng)物、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物細(xì)胞基因轉(zhuǎn)移：工程化細(xì)胞、生物工程藥物、疫苗制備、細(xì)胞模型單克隆抗體制備（invitrofertilizationandembryotransfer,IVF-ET）即試管嬰兒。1978年世界上第一例試管嬰兒1988年我國第一例試管嬰兒

體外受精與胚胎移植在不孕不育方面的運(yùn)用

試管嬰兒的培育技術(shù)已經(jīng)走過了三代，其主要差別是在受精卵“制造”上。第一代：把精子和卵子直接放在一起，增加兩者相遇機(jī)會(huì)。第二代：將單個(gè)精子直接注射入卵子里，從而“制造”出受精卵、胚胎，它適用于男方少精、弱精、甚至無精的情況。IVF-ET技術(shù)的發(fā)展

第三代：與第二代相近，只是要對卵裂球進(jìn)行“胚胎種植前的遺傳學(xué)診斷”，挑選出無遺傳性疾病基因的胚胎移植入母體子宮，它適用于患有某種遺傳性疾病的夫妻。

例如有一位母親是血友病基因的攜帶者，她自己雖然不發(fā)病，但是，她的兩個(gè)兒子都是血友病患者，接連不幸夭折。這位悲傷的母親來到試管嬰兒中心，要求給她做試管嬰兒。醫(yī)生考慮到她的情況，決定給她做“第三代”試管嬰兒。IVF-ET的主要過程藥物誘發(fā)排卵B超監(jiān)測取卵精樣準(zhǔn)備體外受精胚胎移植結(jié)果監(jiān)測精子庫、卵子庫與胚胎庫等應(yīng)運(yùn)而生不良后果：血親婚配、名人精子效應(yīng)、代孕噱頭等克隆能給人類帶來什么克隆動(dòng)物是未來的制藥廠克隆的愛因斯坦會(huì)懂“相對論”嗎？概念：是指應(yīng)用工程學(xué)和生物學(xué)的原理和方法來研究正?；虿±頎顩r下哺乳動(dòng)物組織的結(jié)構(gòu)、功能和生長的機(jī)理，進(jìn)而開發(fā)能夠修復(fù)、維持或改善損傷組織的人工生物替代物的一門學(xué)科。

組織工程的一般方法：大規(guī)模擴(kuò)增從體內(nèi)獲得的細(xì)胞在聚合物骨架上種植這些細(xì)胞細(xì)胞增殖、分化，形成具有特定形態(tài)和功能的工程組織組織工程的基本方法

組織工程皮膚的支架組織工程皮膚組織工程膀胱（artificialbladder）ArtificialbladderbeingdevelopedbyJamesJ.YooM.D.,Ph.D.attheDepartmentofUrologyatHarvardMedicalSchool.小腸粘膜下組織（smallintestinesubmucosa，SIS）和膀胱無細(xì)胞基質(zhì)（bladderacellularmatrix，BAM）是兩種新型的組織工程膀胱替代材料，取自豬的小腸粘膜下基質(zhì)組織，經(jīng)脫細(xì)胞、去免疫處理制備而成，目前已經(jīng)商品化（OaSIS?）。干細(xì)胞研究的倫理學(xué)問題干細(xì)胞與醫(yī)學(xué)

成人：知情和自愿原則成體干細(xì)胞來源禁止從人胚胎中獲取多能干細(xì)胞禁止將人類多能干細(xì)胞用于制作或構(gòu)建人胚胎禁止以獲取多能干細(xì)胞進(jìn)行研究為目的，通過體外受精制作人胚胎禁止通過體細(xì)胞核移植的方法獲得的人類多能干細(xì)胞進(jìn)行研究禁止將人類多能干細(xì)胞研究與體細(xì)胞核移植研究結(jié)合用于制作克隆人的研究活動(dòng)NIH關(guān)于胚胎性干細(xì)胞研究的指導(dǎo)原則誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（inducedpluripotentstemcellsiPS）：2006年日本京都大學(xué)ShinyaYamanaka在世界著名學(xué)術(shù)雜志《細(xì)胞》上率先報(bào)道了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的研究。他們把Oct3/4,Sox2、c-Myc和Klf4這四種轉(zhuǎn)錄因子基因克隆入病毒載體，然后引入小鼠成纖維細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)可誘導(dǎo)其發(fā)生轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的iPS細(xì)胞在形態(tài)、基因和蛋白表達(dá)、表觀遺傳修飾狀態(tài)、細(xì)胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都與胚胎干細(xì)胞相似iPS細(xì)胞具有和胚胎干細(xì)胞相似的生物學(xué)特征

1.細(xì)胞