《干细胞生物学》PPT课件.ppt

干细胞生物学 Stem Cell Biology 干细胞生物学是近年来发 展起来的新欣学科，是一种 新技术、新产业。对干细胞 的研究将促进生命科学的发 展，促进生物医药的发展， 促进生命科学的产业化。 干细胞生物学是研究干细胞的科学 ，是研究干细胞的各种生命现象、干细 胞的生物学特征、干细胞的发生、发育 、分化等活动规律的学科，是研究干细 胞应用的学科,其涉及生命科学及生物医 药几乎所有领域，除了在细胞治疗、基 因治疗、组织器官移植以外,在新基因发 现、基因功能分析、发育、新药开发、 药效、药物毒性评价等领域产生重要的 影响。 干细胞的概念及分类 干细胞（Stem cell） : 指存在于胚胎直至成体的具有增殖 、自我更新（self-renewal）以及分化潜 能的原始细胞。 所有的干细胞都具有两个最为显著的特 征： 一是不断增殖、自我更新; 二是在适宜的环境条件下可分化并产生 不同类型的细胞。 分类(按分化潜能分类） 全能干细胞（totipotent stem cells ）、 多能干细胞（pluripotent stem cell ） 单能干细胞（monopotent stem cell ）或称为专能干细胞（committed stem cell）。 全能干细胞是指能发育成为一个 完整个体的原始细胞。 受精卵、人体816细胞以前的 胚胎每一个卵裂球都能发育成为一 个完整个体，是全能干细胞。 多能干细胞是指那些分化潜能很“宽” ，可分化为多种类型细胞的原始细胞. 如胚胎干细胞（embryonic stem cell， ES细胞）胚胎生殖细胞（embryonic germ cell）、骨髓基质干细胞（Bone marrow stromal stem cell）。神经干细 胞. 单能干细胞（也称专能、偏能干细胞 ），只能向一种类型或密切相关的两种 类型细胞分化，如表皮组织基底层的干 细胞、肌肉中的成肌细胞或叫肌卫星细 胞（satellite cell），神经元干细胞只能 分化为神经元，胶质干细胞只能分化为 胶质细胞等。 按照生存阶段分类： 胚胎干细胞 成体干细胞（adult stem cell ； somatic stem cells），也称为组织 干细胞（tissue stem cells）。 胚胎干细胞，是存在于早期胚 胎组织中，具有高度增殖能力和多 向分化潜能，能分化为三个胚层所 有细胞类型的原始细胞。 成体干细胞指存在于各组织器官 的未分化细胞。在体内，它们具有 终生自我更新（self-renewal）能力 和分化潜能。 根据胚胎干细胞来源不同，分为： ES细胞（embryonic stem cells）,来自 囊胚期的内细胞团。 EC细胞(embryonic carcinoma cells)， 由畸胎癌（teratocarcinorma)中分离、 筛选出的具增殖，自我更新能力的细胞 。 EG细胞（embryonic germ cells)，由原 始生殖细胞（primordial germ cells)中 分离获得。 成体干细胞根据来源分为： 骨髓干细胞 神经干细胞 上皮干细胞 肝干细胞 胰腺干细胞 皮肤干细胞 脂肪干细胞 成体干细胞具有可塑性（ plasticity）或横向分化的特性。这 是指某种组织的成体干细胞可分化 为另一种组织的特异细胞的能力。 例如骨髓基质干细胞可分化为心肌 细胞、脂肪细胞等 由干细胞到分化细胞发育的过程中 ，有两种过渡类型的细胞： 1、短暂增殖细胞(transit amplifying cells) 也称为过渡放大细胞。 2、祖细胞（progenitor cells）或前体细 胞（precursor cells）。 过渡放大细胞（定向祖细胞）是干细 胞和分化细胞间的一种细胞，类似于祖 细胞，其增殖能力比干细胞大得多。 祖细胞（Progenitor）或前体细胞（ precursor cells）是某细胞类型的前体细胞/祖细 胞，如神经元前体细胞/祖细胞，神经胶质前体 细胞/祖细胞，淋巴细胞前体细胞/祖细胞.。 淋巴细胞前体细胞/祖细胞只能分化为淋巴细胞 相关的几种类型细胞，如T淋巴细胞；B淋巴细 胞，自然杀伤细胞等。 祖细胞或前体细胞由成体干细胞分裂 、产生的未分化细胞，其分化谱系受到 限制，经再分化成为具有特定形态、结 构，执行功能的终末分化细胞或成熟细 胞。如神经前体细胞/祖细胞只能分化为 神经细胞。 祖细胞具有有限的增殖和分化能力 ，与干细胞比较，祖细胞没有自我更新 能力，其经过几次分裂后，产生的细胞 均为终末分化细胞（terminal differentiated cells)。 表 干细胞、过渡放大细胞（定向祖细胞）和分化细胞的区别 干细 过渡放大细胞 分化细胞 分化标记蛋白 无 开始具备 无 增殖能力 无限 有限 无 增殖速度 缓慢 短期快速 无 自我更新能力 无限 无 无 产生分化细胞能力 有 有限 无 参与受损伤 终身 短暫 无 组织再生能力 第二节 干细胞的基本特性 一、干细胞的基本特征 （一）干细胞的形态和生化特征 1形态特征：干细胞通常呈圆形或椭圆形，体 积较小，核质比较大，胞内细胞器稀少，细胞内 RNA含量低 。根据其形态学特征和存在位置、分 子标记可以辨认不同的干细胞，目前有的干细胞 位置已经确定。例如神经干细胞主要分布于室下 带、海马、纹状体、嗅球等区域。 2生化特征：不同的干细胞具有不同 的生化标志，如角蛋白15是确定毛囊中 表皮干细胞的标志分子，nestin为神经 干细胞的标志分子.。利用标志分子确定 干细胞位置、寻找和分离干细胞有重要 意义。干细胞都具有较高的端粒酶活性 ，这与其增殖能力密切相关。 (二) 干细胞的生物学特征 1干细胞的自我更新特征 干细胞在体内终生都具有自我更新能力 ，这与祖细胞（具有优先更新能力）不同 。其自我更新能力是通过不对称分裂 (asymmetry division)和对称分裂 (symmetry division)这两种形式实现的。 对称分裂 如果产生的两个子代细胞都是 干细胞或都是分化细胞，称为对称分裂。 不对称分裂 如果产生一个子代干细胞和 一个子代分化细胞则称为不对称分裂。 2细胞的增殖特征 1）干细胞增殖的缓慢性 一般情况下,干细 胞处于休眠或缓慢增殖状态,当其接受刺激, 分化时，首先要经过一个短暂的增殖期，产 生过渡放大细胞(transit amplifying cell) 或称 为“短暂扩充细胞”, 经若干次分裂后产生分 化细胞。过渡放大细胞的作用是可以通过较 少干细胞产生较多的分化细胞,同时保护干细 胞。 2）干细胞增殖的自稳定性 自我维持 (self-maintenance)或自稳定性是指 干细胞可以在生物个体生命区间自我更新并 维持其自身数目相对恒定性，这也是干细胞 的基本特征之一。 维持自我稳定性是通过多种形式来实现。 首先，当干细胞分裂时，无脊椎动物的干 细胞常以不对称分裂来维持自身数目的恒定 。哺乳动物的干细胞常常以对称分裂和不对 称分列这两种形式进行，但对于群体而言仍 然是不对称分裂。通过这两种分裂方式协调 ，保证干细胞数目相对衡定，同时更适应组 织再生的需要。 稳定的不对称分裂（ invariantasymmetry） 细胞群体不对称分裂（populational asymmetry division）。 3干细胞的分化特征 1）干细胞的分化潜能 干细胞的分化具有多 潜能性，但不同的干细胞具有的分化潜能不 同。 2）干细胞的转分化和去分化 一种组织类 型的干细胞在适当条件下可以分化为另一种 组织类型的细胞，称为干细胞的转分化 (transdifferentiation)或横向分化。 干细胞存在位置 骨髓间质间质 干细细胞 造血干细胞 神经干细胞 皮肤干细细胞 脂肪干细细胞 骨骼肌干细细胞： 胰腺干细胞： 肝干细胞： 二、干细胞生存的微环境 干细胞在机体组织中的居所称为干 细胞巢(stem cell niche)。在干细胞 巢中所有控制干细胞增殖与分化的外部 信号构成了干细胞生存的微环境。干细 胞是处于静息、休眠状态，还是处于分 化状态，如处于分化状态，又分化为何 种类型的细胞，这主要由干细胞本身状 态和所处的微环境所决定。 在干细胞的微环境中，对干细胞影响最 大的主要包括以下三个方面： （一）分泌因子 （二）细胞间相互作用 （三）胞外基质 三、干细胞的命运 一般生理情况下处于静止的G0期 分裂的干细胞有5种发育途径： 自我更新、 分化、 程序性死亡、 迁移和进入休眠期， 少数干细胞可以转分化。 四、研究的主要内容 （一）干细胞的分离与鉴定 (二) 干细胞的生命现象 1.干细胞的增殖、自我更新，抑制分化 2.干细细胞定向分化 3.干细细胞的衰老 4. 干细胞的凋亡 5干细胞的基本资料 （三）干细胞定向分化； （四）干细胞的临床应用 ； （五）干细胞在组织工程中的应用； （六）干细胞与治疗性克隆 （七）干细胞与发育的关系； （八）干细胞与基因功能的研究 五、世界各国对于干细胞研究 的政策 。 英国： 2000年12月9日通过允许克隆人类早期 胚胎并从中分离胚胎干细胞进行医学研究 的决议，并率先建造“人类干细胞库”用以 制造、修复因衰老、受伤和疾病而受到损 坏的人体组织器官。 美国： 美国总统布什于2001年8月4日宣布政府批 准用政府经费进行人体胚胎干细胞的研究 ，但是只能用于资助他8月讲话前已经存在 的胚胎干细胞研究。 德国： 德国联邦议院于2001年1月30日通 过法案，允许德国科学家在严格限 制的条件下利用进口的胚胎干细胞 进行研究 加拿大： 加拿大卫生研究院于2001年3月4日 公布对人类ES细胞研究实行“有限 资助”的指导原则，包括对利用医 疗机构“剩余”的人类胚胎进行干 细胞的研究将提供资助，但是禁止 政府资助在实验室里进行纯粹用于 研究人类胚胎或者人类胚胎克隆的 研究。 日本： 日本在2000年度启动的“千年世 纪工程”中，把干细胞工程作为四 大重点之一，并把干细胞技术的出 现视为生命科学和生物技术领域超 过欧美的决好机遇。 中国： 我国在干细胞研究方面已经取得了和世 界同步的发展。北京大学、中国协和医科 大学、军事医学科学院、上二医和四川大 学等高等院校和科研单位相继成立了专门 的干细胞研究机构。2000年10月，国家干 细胞基因工程产业化基地正式在天津华苑 产业园区落成，将建设成为我国最大的干 细胞库、干细胞移植中心以及相关科研用 基地及产业化基地。 六、 干细胞研究的意义 （一） 为临床多种疑难病的治疗带来希望； （二）为组织工程提供了取之不尽用之不竭的 原材料； （三）为探讨哺乳类早期胚胎发育的机制提供 模型； （四）为转基因动物提供更为便捷的方案； （五）在发现新基因、基因功能分析，特别是 发育相关基因功能研究方面提供良好模型； （六）新药开发、药效、药物毒性评价等领域 产生重要的影响。 第三节 干细胞的应用前景及与 医学的关系 一、临床治疗 干细胞的最大用途是用于临床细胞 移植治疗各种疾病和构建人工组织或器 官 干细胞能治疗几乎所有的疾病 从理论上讲干细胞可以治疗几乎所 有的疾病。因此，以后如果个人的某种 脏器生了病，只要把相关的干细胞注入 这个脏器就会自动“补”好。美国生物 学家、诺贝尔奖获得者吉尔伯特认为： “用不了50年，人类将能够培育人体的 所有器官。” 干细胞潜在的临床应用 干细胞的类型治疗的疾病种类 ES,骨髓干细胞 神经干细胞、肌肉干 细胞。 ES、骨髓基质干细胞 、脂肪干细胞、相应 组织干细胞 ES、骨髓基质干细胞 、胰腺干细胞、皮肤 干细胞 ES、骨髓基质干细胞 、神经干细胞 ES、骨髓基质干细胞 、肝干细胞 ES、骨髓基质干细胞 各种组织干细胞 癌症病人放疗、化疗后血液系统重建、 癌症损伤组织的修复、免疫系统恢复。 骨、软骨损伤、牙损伤、软骨发育不全 （脆骨症） 骨关节炎、肺功能不全、心血管疾病。 糖尿病、肾脏病。 神经系统疾病、血液系统疾病 肝炎及其他肝脏疾病 基因治疗遗传病 1、癌症的研究 2、心血管病的研究 3、糖尿病、消化系统疾病及肾 脏疾病的研究 4、神经系统疾病的研究 5、感染性疾病的研究 6、基因治疗 二、干细胞是研究疾病的良好模 型 三、干细胞与组织工程 1、胚胎干细胞 2、组织干细胞 （成体干细胞） 四、作为新药开发的工具细胞 常用的筛选药物模型是： 动物模型，但动物用量大，药物样品 需要量多，这大大提高了研制的成本。 用基因进行筛选，这可大大节约测试 样品药物的用量，但大部分疾病并不是 发生于基因层次，而是发生于细胞、亚 细胞水平。这限制了应用范围。 干细胞为药物筛选提供了极好的模型。 首先，干细胞可无限增殖，获得大量的细胞 ，并能分化为具功能的各种特化细胞，为新 药药效、毒性、药理、药物代谢、药物动力 学、耐药性等提供了细胞水平的研究手段， 提供了药物安全性检测的实验手段。 其次，干细胞具有分化的潜能，诱导分化 为需要的细胞，用于筛选相应系统的药物。 五、制备克隆动物和转基因动 物的绝好材料 六、基础理论的研究 1、研究哺乳动物早期胚胎发育的 良好模型。 2、发现新基因及基因功能的研究 。 第四节 干细胞的产业化 很多疾病都可以用细胞移植或组织 移植治疗。 以美国在心血管病、老年性痴呆等希 望用干细胞治疗的情况为例： 美国有关疾病患者情况 疾病类型 患病人数（百万） 心血管疾病 老年性痴呆 帊金森氏病 脊髓损伤 糖尿病 骨质疏松 癌症 自身免疫性疾病 重度烧伤 出生缺陷 合计 58 4 15 025 16 10 82 30 03 0015/年 1284 第五节 干细胞研究存在的问题 一、促干细胞的增殖、抑制分化 二、定向诱导分化问题 三、异体干细胞移植排斥反应问题 四、干细胞的成瘤性问题 五、社会伦理道德问题 建议 （一）政府及非政府机构应该支持和鼓励人 类胚胎干细胞研究，但所有人类胚胎干细胞 研究所用的胚胎不得超过14天。 （二）不允许将用干细胞研究的胚胎放入人 或动物的子宫内，其研究只能在实验室中进 行。 （三）对于胚胎来源，应主要使用人工流产 后的胎儿或体外授精多余的胚胎，要让捐赠 者知情同意。 （四）禁止一切形式的买卖配子(卵子或精子 )和胚胎的行为，防止由此引起的社会不公正 。 我国卫生部对胚胎干细胞及克隆技术 的研究的态度： （一）我国不赞成、不支持、不允许、 不接受任何生殖性克隆试验； （二）我国赞赞成以预预防、治疗疗疾病为为 目的的人类类胚胎干细细胞研究，并使其 在有效监监控的条件下有序发发展； （三）我国应应加强相关立法、促进进克 隆技术术安全应应用和健康发发展。 胚胎干细胞 ES细胞体外诱导的几种分化细胞 ： 造血细胞 内皮细胞 神经细胞 胰腺细胞 心肌和其它肌肉细胞 脂肪细胞 软骨细胞 骨细胞 肝细胞 成体干细胞 干细细胞移植的适应症 恶恶性疾病非恶恶性疾病 恶性血液病造血系统疾病 急性非淋巴细胞白血病、急 性淋巴细胞白血病、慢性粒 细胞白血病、毛细胞白血病 、少见类型白血病、MOS 、多发骨髓病、HD等。 再生障碍性贫血、PNH 、 骨髓纤维化 遗传性疾病 先天性免疫缺陷病、先天性 造血异常症、其它。 恶性非血液病自身免疫性疾病 乳腺癌、肺癌、卵巢癌、其 他实体瘤。 SLE 、多发性炭化、硬皮病 等 造血干细胞 造血干细胞是 血细胞的“种子“,体 内所有血细胞，包 括红细胞、白细胞 、血小板等，都由 它分化发育而来。 造血干细胞又具有 自我复制能力,即产 生新的造血干细胞 以自我补充,从而生 生不息。 造血干细胞是体内各种血细胞的唯 一来源，它主要存在于骨髓、外周 血、脐带血中、肌肉组织中发现了 具有造血潜能的干细胞。造血干细 胞的移植是治疗血液系统疾病、先 天性遗传疾病以及多发性和转移性 恶性肿瘤疾病的最有效方法。 1 造血干细胞的来源 在胚胎发育的过程中，造血干细胞 是以卵黄囊全能间叶细胞分化而来的最 原始造血细胞。胚胎发育至35个月时 肝脏和脾脏中含有大量的 HSC。 脐血中亦含丰富的造血干细胞、较 原始，免疫原性弱。 成人时造血干细胞主要分布在骨髓 中，外周血中有少量造血干细胞。 2、造血干细胞移植 造血干细胞移植（HSCT）泛指将各种来 源的正常造血干细胞在患者接受超剂量化（ 放）疗后，通过静脉输注移植入受体内，以 替代原有的病理性造血干细胞，从而使患者 正常的造血及免疫功能得以重建。 3 造血干细胞移植的分类 根据造血干细胞的来源 和供者 造血干细胞移植 （HSCT）可分为： 骨髓移植：自体骨 髓移植、异基因骨髓移 植。 外周血干细胞移植 ：自体外周血干细胞移 植、异基因外周干细胞 移植。 脐血干细胞移植、 胚胎干细胞移植、混合 干细胞移植。 4 外周血造血干细胞移植历史 外周血造血干细胞移植（PBSCT）是造血干细胞移 植的一种，又分为自体PBSCT和异基因PBSCT。 早在60年代初期，人们在为化疗后的细胞减少患者 输注人体的细胞时，偶然发现在输注慢性髓性白血 病（CML）患者外周血后出现一过性ph染色体阳性 细胞，从而提示外周血中含有造血干细胞。1975年 Richman发现化疗后恶性实体肿瘤患者化疗后，外 周血中造血细胞集落形成细胞呈一过性增加。1977 年Goldman等对CML患者采集未经动员 的外周血造 血干细胞并冷冻保存，在患者急变后行的外周血造 血干细胞移植，开创了外周血造血干细胞移植的先 河。1980年Rich为一例严重联合免疫缺陷患者进行 异基因外周血造血干细胞移植。80年代后期，随着 血细胞分离技术的改进，造血细胞因子（如 G-CSF 、GM-CSF)的临床应用，造血干细胞的迅速发展， PBSCT得以迅速发展。 5 外周血造血干/祖细胞的检测方法 CD34+细胞测定 CD34是80年代中期发现的一种细胞表 面分子，在未成熟的造血细胞及所有具 有造血潜能的集落形成细胞上表达。 CD34+细胞在正常人骨髓MNC中约占1- 4，未经动员的外周血MNC中约为 0.2，动员后的外周血MNC中可达1 。临床应用结果证明，输入一定量的 CD34+ 细胞，可长期重建造血。同时 输入的CD34+细胞数同移植后造血植活 速度呈正相关。 6 骨髓移植与造血干细胞移植 血干细胞移植的原理与骨髓移植完全相同 ，只是造血细胞的采集方式不同。造血干细 胞绝大部分存在于骨髓中，骨髓移植是需要 通过骨髓穿刺从骨髓