干细胞研究课件

干细胞研究干细胞研究 A life story * 2 * 3 自20世纪90年代以来，干细 胞技术的出现与日趋成熟， 使干细胞研究成为生命科学 的一个主攻热点。有相当一 部分干细胞技术目前已投入 临床应用，并取得了不错的 效果。 * 4 干细胞（stem cell）是具有自我更新、高度 增殖和多向分化潜能的细胞群体，即这些细胞可 通过分裂维持自身细胞的特性和大小，又可进一 步分化为各种组织细胞，从而在组织修复等方面 发挥积极作用。 * 5 概 念 干细胞治疗 迄今，已有近100项MSC临床实验在全球展开。目前， 利用MSC治疗GVHD和自身免疫性肠炎（Crohn病）已 经进入三期临床。鉴于MSC在治疗GVHD的二期临床实 验上的出色表现（94%的有效率，74%的缓解率），美 国食品及药品监督管理局（FDA）已批准MSC作为治疗 GVHD的一线药物进入三期临床，标志着其成为正式的 临床药物已经为期不远。 6 国内现状 科技部门奋力抢跑鼓励干；卫生部门紧闭双眼不 让干；药监部门眼盯美国看着干；学者专家崇尚 信仰大胆干；企业老板趋利避害晕着干；医疗 机构追名逐利偷着干；美容机构胡说八道忽悠干 ；数万患者被做白鼠花钱干。 7 卫生部关于开展干细胞临床研究和 应用自查自纠工作 2009年3月2日卫生部颁布了医疗技术临床应用管理办 法 2011年底，卫生部与国家食品药品监督管理局决定开展 为期一年的干细胞临床研究和应用规范整顿工作 成立了干细胞临床研究和应用规范整顿工作领导小组 2012年7月1日前，暂不受理任何申报项目。 8 干细胞 stem cell 干细胞是存在于人和动物发育个阶段（包括早期胚胎和成熟 组织）的一类原始状态的未分化细胞。它们一方面进行自我 更新（self-renew)，产生与亲本完全相同的子代细胞，以保 持干细胞数量的恒定；另一方面在一定条件下可以进入分化 程序，通过不对称分裂产生分化的子代细胞，最终形成功能 特异的组织类型，在组织修复和新陈代谢中起重要作用。 * 9 stem cell What is a stem cell? stem cell SELF-RENEWAL (copying) specialized cell e.g. muscle cell, nerve cell DIFFERENTIATION (specializing) * 10 * 11 胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）：来源 于受精56天的胚泡（blastocyst）中未分化的细胞。 成体干细胞（adult stem cell, ASC）：来源于机 体组织器官中的未分化细胞。 * 12 分 类（依发生学） * 13 * 14 组织性干细胞 组织干细胞（tissue stem cell ) 又叫成体干细胞（adult stem cell )，是指存在于人或动物的已分化组织中的 未分化细胞。如：神经干细胞、骨髓间质干细胞、造血 干细胞、胰腺干细胞等。 * 15 * 16 * 17 Potential uses for stem cells Aging? Diabetes? Skin? 胚胎干细胞和成体干细胞比较 * 18 胚胎干细胞成体干细胞 来自胚泡的内细胞群 来源于骨髓、外周血、角膜、视网膜、脑、骨骼 肌、齿髓、肝、皮肤、胃肠道粘膜层和胰腺等 发育全能性，可诱导分化为机体 分化较局限，部分成体干细胞（造血干细胞、骨 髓间充质干细胞、神经干细胞）有一定跨系、跨 胚层的“可塑性” 无限的自我更新能力病理条件下才显出一定的自我更新潜能 增殖能力强，便于应用增殖能力较弱，故不能完全取代胚胎干细胞 细胞可不断增殖，“永生化”，移植后有 形成肿瘤的可能性 成瘤的可能性很小 不能自体移植自体移植可避免免疫排斥 有伦理问题分离和使用不存在伦理问题 全能干细胞（totipotent SC）：具有 自我更新和分化形成任何类型细胞的能力， 有形成完整个体的分化潜能（相当于卵裂球 细胞）。 * 19 分 类（依分化潜能） 多潜能干细胞（pluripotent SC）：有分化 成多胚层细胞的能力，但不能分化成完整个体（ 相当于胚胎干细胞）。 * 20 专能干细胞（unipotent SC）：存在于身 体各部，只能向单一方向分化，产生一种类 型的细胞（相当于组织内的成体干细胞）。 胚胎干细胞 * 21 骨髓干细胞 * 22 神经干细胞 * 23 干细胞的研究与应用 基础研究 药物开发 器官移植 * 24 干细胞是生命的主宰！ * 25 基础研究 在基础研究方面，多功能干细胞的研究能帮助人类了解，从一 个受精卵细胞到发展成一个婴儿如此复杂的过程中所发生的 事件，最主要的工作在于找到细胞发展过程中的决定因子。 * 26 药物研究 药物开发过程中，药物安全性的分析，亦可由特定干细胞或由 干细胞分化的专一细胞作为试验的标的，而非传统上必须进 行耗时费力又昂贵的动物实验。 * 27 器官移植 干细胞有可能产生新的细胞、组织或是器官。我们需要器官 移植，但是器官的短缺限制了移植手术而产生了很多不幸。 多功能干细胞经过刺激以后，可以发展成特定的细胞。对于 很多疾病来说，它都是一个新的治疗方式。 * 28 梁实秋的小品中年有这么一段：“突然发现 额上刻了横纹，那线条是显明而有力，像是吴道子的“莼 菜描”，心想那是抬头纹，可是低头也还是那样，再一细 看头顶上的头发有搬家到腮旁颔下的趋势，而最令人怵 目惊心的是，鬃角上发现几根白发，这一惊非同小可， 平夙一毛不拔的人到这时候也不免要狠心的把它拔去， 拔毛连茹，头发根上还许带着一颗鲜亮的肉珠。” * 29 头发末端带着的那颗“鲜亮的肉珠”，这毛囊里面居然可 以找到“与伦理无关”的毛囊干细胞，也许将来可以头发 移植、皮肤移植 * 30 干细胞研究为秃顶和烧伤患者带来希望 * 31 美国科学家报告了最新的研究成果，他们 在头发毛囊深处发现的主细胞可能为秃顶的 人以及烧伤患者找到了一个新疗法。他们发 现的干细胞是一种已经分化的干细胞，这是 一种不成熟的主细胞，保有在一定程度上发 生类型变化的能力。它们具有自我更新的能 力，具有分化成各种表皮和毛发的多能性。 它们与从胚胎中提取的干细胞是有区别的， 而从胚胎中提取干细胞这一手段还存在广泛 争议。 * 32 这种方法将比现有的秃头治疗方法好很多。 现有的移植治疗是移动任意一丛残留的毛发来覆 盖光秃点，这种方法常常形成斑杂的情况。而像 Propecia这样的生发药物能够减少一些男性的头 发的损失，但是这种药物治疗还存在许多问题， 比如影响雄性激素水平。 烧伤的治疗也可以使用相同的移植方法。目 前，病人接受外层皮肤的移植，而这种外层皮肤 不含毛囊或汗腺。研究人员说，将来如果移植皮 肤干细胞将可能形成正常皮肤所有类型的细胞。 * 33 用神经干细胞治愈脊髓损伤 * 34 研究人员发现，脊髓受损的实验 鼠在注射人类神经干细胞之后天 ，行走能力就得到改善。作为对照 ，另一组实验鼠没有接受注射，而 第三组实验鼠注射了人类纤维原细 胞，结果都没有出现好转。 在进一步的实验中，脊髓严重受 损而部分瘫痪的实验鼠在接受人类 神经干细胞注射后，已能依靠后肢 爬行，且运动比较协调，而对照实 验鼠没有类似的改善。接受人类神 经干细胞移植的实验鼠，运动机能 的改善至少持续了个月。但是， 当研究人员为实验鼠注射只杀死人 类细胞的白喉毒素后，它们马上又 回到部分瘫痪状态，这表明是人类 神经细胞治好了它们的伤病。 * 35 近20来，干细胞研究一直成为生命科学中的 热点，其研究内容几乎涉及所有生命科学的生物 医学领域，除了在细胞治疗、组织器官移植和基 因治疗中发挥重要作用外，还在发现新基因、基 因功能分析、发育生物学模型及新药开发等方面 产生重要影响。 * 36 美国Science杂志 1999年将“干细胞研究的新发现”列入十大科技进展之首 2000年再次入选年度十大科技进展 2002年列入值得关注的六大科技领域之一 * 37 美国加州每年提供干细胞研究经费达3亿美元 我国有关干细胞的研究也十分活跃，已 有多个有关干细胞的“973”项目，召开过多次 全国性或国际性学术会议，出版过多本专（ 译）著。“863”计划近期将为干细胞研究提供 2亿元人民币的经费。 * 38 随着干细胞研究的不断深入，不同的结果 或不同的观点逐渐显露出来，有些甚至是针锋 相对的看法。 * 39 两个有争议的问题 ： 成体干细胞的可塑性（plasticity） 干细胞治疗的现状和前景 一、成体干细胞的可塑性 * 40 上世纪90年代后期，Nature，Science等杂志 报道，脏器中特异性的祖细胞（progenitor）和干细 胞可发生跨系和跨胚层的转分化或横向分化（ transdifferentiation）， * 41 * 42 间胚层组织类型干细胞转分化为同胚层另一组织类型细胞 间胚层组织类型干细胞转分化为内胚层组织类型细胞 间胚层组织类型干细胞转分化为外胚层组织类型细胞 由此认为，成体干细胞有较大的可塑性。 血细胞肌细胞 血细胞肝细胞 血细胞脑细胞 研究还表明，骨髓来源的干细胞在特定 环境中可向肝脏、胰腺、肌肉及神经细胞分化 ；肌肉、神经干细胞也可向造血细胞分化。 * 43 造血干细胞（hematopoietic stem cell, HSC ）既可分化为成熟的造血细胞，也可分化为成熟 的皮肤表皮细胞、肺和胃肠道细胞。 Krause. Cell. 2001,105:369-377 * 44 但是，不少学者对干细胞跨系、跨胚层的分化提出 了质疑，甚至完全否定。Orkin将成体干细胞转分化实验 称之为“干细胞炼金术”（stem cell alchemy），认为我们 所面临的许多生物现象尚难以解释，更多的是“像是”而非 真实（more apparent than real）。 Orkin SH. Nat. Med. 2000,6:1212-1213 * 45 “跨胚层干细胞”是否就是典型的组织特异 的干细胞？ 这些细胞的发育分化潜能是否接近于胚胎 干细胞的一些亚群的干细胞？ 成体干细胞在体外培养过程中因环境因素 的改变可能会表现出一定的可塑性，但在体内是 否也能同样的特性？ * 46 问 题： Chaudry. Bio Teach. 推断：可能有一些较为原始的、有多种分化潜能的 干细胞存留于许多组织中，与更具有组织特性的干细胞 并存，而这些细胞正是成体组织内严格谱系干细胞的基 础，或是在发育过程中移至此处的一种有多种分化潜能 和完全“独立历史”的细胞。 Weissman. Cell. 2000,100:157-168 * 47 证实或推断： l在成体组织中仍然残留胚胎发育过程中各胚层定 向和组织定向的各类干细胞。 l在胚胎发育的各个阶段，有少部分干细胞中止参 与胚胎发育，并转入G0期。这些细胞既不增殖又不分化 ，仍然保持干细胞的基本特性。 * 48 l出生后随年龄的增长，体内组织中保留 的各类成体干细胞基本特征不变。但是，在体 外一定细胞因子诱导刺激下，它可以从G0静止 期转入细胞周期而增殖，并分化为某种组织定 向细胞。 * 49 * 50 G2-0 G2 S G1 G0 M 2 3 终末细胞 前 中 后 末 细胞周期示意图 l组织干细胞分化的可塑性是很有限的，它只能 沿着本组织各支系纵向分化（如造血干细胞的多向分 化，仅限于髓系和淋巴系的造血细胞各支系的纵向分 化），不能跨越本组织定向的限制，更不能突破胚层 的界限。在生物界或人类医学史上也从未出现过因横 向分化所至的疾病或怪胎。 * 51 跨胚层转分化可能的原因是：骨髓中成体干 细胞不仅包括造血干细胞，间质干细胞，而且还有 其他各胚层来源的干细胞及其分化的后代，即各类 非造血组织的干细胞，如神经干细胞、肝脏干细胞 等。 * 52 所谓成体干细胞多向分化的可塑性，其实是胚胎发 育期存留于造血组织等部位的各胚层干细胞的自然属性 ，如肌肉匀浆中不仅含有肌细胞，脂肪组织中不仅含有 脂肪细胞，其中还有各种成体干细胞，它们的分化过程 并没有跨越组织定向的限制。 * 53 对于转分化的不同看法，其根本原因是至 今尚无可能用绝对纯化的正常组织干细胞克隆 来证明组织定向干细胞可向非自身组织的方向 分化。 * 54 二、干细胞治疗的现状和前景 * 55 1999年，Science杂志编者Bloom：“干细胞给 人类提供了极大的可能性：用干细胞修复病损的脏器 和细胞缺损”，他还说“最终可能用干细胞制成像肾、 肝这样复杂的器官”。 * 56 源于胚胎干细胞的细胞已能或可能治疗许多疾病 * 57 神经细胞 心肌细胞 B型胰岛细胞 软骨细胞 白细胞 皮肤细胞 肝细胞 骨细胞 视细胞 骨骼肌细胞 帕金森病 心肌梗死 糖尿病 骨关节炎 白血病 烧伤和创伤 肝炎 骨质疏松症 视网膜退化 肌营养不良 治疗 成体干细胞中，造血干细胞（包括骨髓、 脐血和外周血中的干细胞）已用于治疗重度白 血病和某些遗传性血液病。 * 58 可经诱导向软骨细胞分化，并能分泌特异性 型胶原基质，因此可望成为工程化软骨的种子细胞； 分化为肌细胞，可能成为肌萎缩、肌营养不良 时促进肌组织再生的靶细胞； * 59 骨髓间充质干细胞 （mesenchymal stem cell, MSC）： 与基因治疗结合，可强化治疗效果，对某些基因 突变所致的遗传性疾病； 可分离其自体的间充质干细胞，体外进行改造， 敲除突变基因，导入正常基因，然后重新输入体内，既纠 正了遗传缺陷，又避免发生移植反应。 * 60 梗死的心脏注入富含鼠的骨髓干细胞后，40%的心 肌层得到恢复。 Olic. Nature. 2001,410:701-705 用人的骨髓来源的成骨干细胞使心肌梗死鼠30% 40%的心功能得到改善。 Kocher. Nat Med. 2001,7:430-436 * 61 心脏有相当数量的干细胞，这些细胞可 分化为心肌细胞，病理组织学观察显示，有 0.015%的心肌细胞处于有丝分裂期，心肌梗 死时为0.08%。 Anversa. Nature. 2002,415:240-243 * 62 在性别不匹配的心脏移植中可见受者循环中的 干细胞能移居并定位于移植的心脏，生成新的心肌 纤维。 Quain. N Engl. J. Med, 2001,344(23):1750-1757 * 63 新近的研究表明，成体非心脏来源的干细胞，如骨 髓、脑、骨骼肌、脂肪组织、肝脏和外周血干细胞，通 过自然迁移或实验植入心脏均可分化为心肌细胞，提示 成体干细胞可成为心肌梗死后再生的心肌细胞，目前已 很快进入临床研究。 * 64 成体干细胞及其子代细胞移植或动员脑组织内的干 细胞治疗神经退行性疾病已获初步成效。动物实验证实 移植的神经元可替代修复已损坏的神经通路。临床试验 也证实细胞替代治疗可使症状缓解。 * 65 帕金森病的主要病变是黑质纹状体中