人体发育学（程基焱）20157干细胞及骨发生课件

发育生物学第 七 讲,干细胞概论 骨发生 总论复习,干细胞概论,思考题： 干细胞概念 干细胞分类 干细胞的生物 学特征,人体细胞从功能分两大类:功能细胞（细胞周期中的细胞）和干细胞（处于G0期期细胞）.当细胞凋亡和外界因素导致的细胞坏死损失大量的功能细胞时，将由能产生新的功能细胞的“干细胞”（stem cell)来增殖分化补充。,随着年龄的增长，体内干细胞的数量和质量也在逐渐下降，无法新生出健康的细胞替换组织中衰老病变的细胞，最终反应出人的衰老和疾病。所以恢复体内活跃干细胞的数量，是抑制衰老、预防治疗各种疾病的关键。,一、干细胞概念,干细胞（Stem Cell）：存在于胚胎或成体内具有增殖、自我更新以及多项分化潜能的原始细胞。是一种未充分分化、不成熟的细胞，具有再生组织器官和人体的潜在功能。,根据来源分：胚胎干细胞+成体干细胞 胚胎干细胞 (1) 内细胞群细胞ES细胞 （embryonic stem cells） (2) 胚胎生殖腺(5-9W)-EG细胞 （embryonic germinate cells） (3) 恶性胚胎肿瘤/畸胎瘤细胞 EC细胞 （embryonal carcinoma）,二、干细胞的分类,成体干细胞(Adult-derived Stem Cell , ASC) 指存在于已经分化组织中的未分化细胞,大多处于休眠状态，在病理状态或在外因诱导下可以表现出不同程度的再生和更新能力。,成体干细胞的可塑性 人们把成体干细胞具有分化为其他类型组织细胞的能力的这种现象称为干细胞的可塑性（plasticity），横向分化（transdifferentiation）或转决定（transdetermination）。,9,iPS细胞：即诱导型多潜能干细胞(induced pluripotent stem cells），是体细胞经重编程后获取ES细胞样的细胞。此类细胞在克隆形态、生长特性、表面标志物、基因表达模式、表观遗传学特征、拟胚体(embryoidbodies，EBs)形成、畸胎瘤(teratoma)形成和嵌合体(chimeras)形成(针对小鼠)等方面与ES 细胞非常相似。 IPS细胞具有多能性和自我更新的能力。iPS细胞不受细胞来源、免疫排斥、伦理、宗教和法律等方面限制，并且制备简单易行，故iPS细胞一经问世，即在生命科学领域引起了一次轰动，被誉为生命科学领域新的里程碑。,2012年诺贝尔生理学或医学奖,“发现成熟细胞可以被重新编程为多功能的干细胞 （即iPS细胞-诱导多功能干细胞）”,日本：山中伸弥（Shinya Yamanaka）,英国：约翰-戈登（John B. Gurdon),13,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（卵裂球/内细胞群细胞）。,分类依据2-分化潜能,多潜能干细胞（pluripotent SC）:具有产生多种类型细胞的能力，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制（骨髓间充质干细胞）。,专能干细胞（unipotent SC）：只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化（如皮肤基底层细胞、角膜干细胞等）。,胎胎干细胞 造血干细胞 骨髓间质干细胞 肌肉干细胞 成骨干细胞 内胚层干细胞 视网膜干细胞 胰腺干细胞,分类依据3-干细胞组织发生,三、干细胞的生物学特征,1.形态：圆形、体积小、核大、核/质比例大 2.在机体的数目和位置相对恒定,（一）形态学特征,3、培养状态成巢状或克隆球样生长,脂肪干细胞 神经干细胞,1、高端粒酶活性,三、干细胞的生物学特征,（二）生化特征,端粒酶在胚胎干细胞中高度表达，成体细胞缺乏导致功能DNA的逐渐丧失。在许多肿瘤中，端粒酶被重新激活，使反常细胞无止境地进行分裂。 作用是将核苷酸连接到端粒的末端，维持端粒的长度，对干细胞的自我复制，所有细胞的增殖都有重要作用。,2009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家伊丽莎白布莱克本、卡萝尔格雷德和杰克绍斯塔克，以表彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”,2、蛋白标志分子,三、干细胞的生物学特征,（二）生化特征,未分化细胞标志蛋白： 胚胎阶段特异性表面抗原（SSEA1）、 转录因子（intrinsic transcription factor， Oct4） 碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase，AP） 特异蛋白： 如巢蛋白-神经干细胞,（三）干细胞的自我更新特征(self-renewing),指在细胞分裂增殖过程中，子代细胞仍维持干细胞的原始特征，即保持增殖能力，多分化潜能，表达标志性特异干细胞蛋白的能力。 机制：通过不对称分裂（asymertry division）和对称分裂（symertry division）两种形式实现。但主要是不对成分裂形成一个干细胞和一个短暂增殖细胞。,三、干细胞的生物学特征,不对成分裂的原因： 基因调控 胞质内发育决定子(mRNA、proteins、cytoskeleton organelles)分布不均匀 Environmental（ Niche壁龛）,干细胞生存的微环（microenvironment） 干细胞龛(stem cell niches） 1、 concept of the niches(壁龛）： niches细胞巢即存在干细胞周围，控制干细胞增殖和分化微环境。微环境的稳定是保持细胞正常增殖、分化、代谢和功能活动的重要条件,微环境成分的异常变化可使细胞发生病变。 2、 niches成分： 细胞分泌因子-SCF、LIF、bFGF等 受体介导的细胞间相互作用 细胞表面的粘互分子和胞间基质,（四）干细胞的增殖特征,1、干细胞增殖的缓慢性 （1）利于干细胞对外界信号做出反应，以决定细胞的发展方向-增殖或分化; （2）减少基因突变的危险。有时间发现并纠正处于周期中错误，以防止体细胞突变.,2、干细胞增殖的自稳定性 指在个体生命过程中自我更新并维持自身数目的恒定,是干细胞的基本特征之一； 是区别肿瘤细胞的本质特征； 通过其特有的分裂方式维持自我稳定。,（五）干细胞的分化特征-高度的分化潜能,体内外可分化出外、中、内三个胚层的分化细胞，可诱导分化为成体细胞内各种类型的组织细胞。,体内分化-裸鼠皮下接种形成畸胎瘤 体外分化-自然分化/特定诱导分化 嵌合体实验-最有说服力的实验证据,干细胞的高度分化潜能检测的金标准-criteria,1.体内分化-畸胎瘤实验 将细胞注入免疫缺陷小鼠体内，观察是否可生成三胚层的所有细胞类型。,2、体外分化-自然分化和诱导分化,1、自然分化-让细胞在体外自然的分化，观察是否可形成类似于畸胎瘤的类胚体（embryoid bodys，EBs-由三个胚层分化或部分分化形成的各种无序排列的细胞构成）,2、特定诱导分化 改变细胞生长环境,3、嵌合体实验,干细胞的鉴定,细胞的形态与结构 标记滞留（在体干细胞） 细胞表面的特殊标志 分化能力检测(功能鉴定） 体外分化试验 体内分化试验畸胎瘤 嵌合体形成试验 核移植试验,30,治疗,在医学上的应用理论上讲，干细胞可以用于临床细胞移植治疗各种疾病和构建人工组织或器官,干细胞的应用前景,为发育生物学研究提供良好的体外模型系统,生产克隆动物的高效材料胚胎干细胞是动物克隆的优良核供体。,干细胞的应用前景,高效新型药物的发现、筛选及动物和人类疾病的模型 生产转基因动物的高效载体,干细胞治疗的特点,干细胞治疗的优点 1.一次性介入，永久性治疗； 2.不需要完全了解疾病发生的确切机理； 3.可应用于自身干细胞移植，避免产生 免疫排斥反应。,Distinct classes of cells exist within a tumor. Only a small definable subset, the cancer stem cells can initiate tumor growth.,Cancer Cell-Models,Cancer Stem Cell 肿瘤干细胞,终生保持未分化或低分化特征,本身不是终末分化细胞； 在机体中的数目、位置相对恒定； 具有自我更新能力； 能无限制的分裂增殖； 具有多向分化潜能； 分裂的慢周期性，绝大多数处于G0期；干细胞可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态； 可行不对称分裂保持为干细胞或分化为特定细胞。,干细胞生物学特征-总结,问题与展望,（1）控制干细胞分化的内部机制是什么？ （2）什么是重要的细胞和分子的信号，激活人 的多能的干细胞开始分化为特化细胞？ （3）干细胞如何到达不同的靶目标 （4）干细胞移植的安全性问题,（一）骨组织发生的基本过程 1. 骨组织的形成 2. 骨组织的吸收 （二）骨发生的方式(膜内成骨+软骨内成骨),骨的发生,一、膜内成骨 1、部位 少数扁骨、不规则骨以此方式成骨。 2、过程 间充质胚性结缔组织膜骨祖细胞成骨细胞造骨初级骨小梁（骨化中心） 骨松质 骨表面:骨密质 周围结缔组织膜骨膜,二、软骨内成骨 大多数骨 以长骨发生为例 1.软骨雏形形成 间充质细胞骨祖细胞 成软骨细胞透明软骨 （雏形）,2.软骨周骨化骨领形成 部位：长骨中段 骨干周围 软骨膜骨祖细胞成骨骨领 软骨膜骨外膜,3.软骨内骨化 初级骨化中心形成,部位：软骨雏形中央、内部 过程 软骨退化基质钙化 细胞死亡 隧道形成 血管长入-血液中的单核细胞穿出血管,胞体融合演变-破骨细胞溶解骨领-溶解软骨细胞 骨祖细胞成骨细胞-在残存软骨基质表面 造骨,形成原始骨小梁,初级骨化中心,初级骨化中心,骨髓腔形成 小梁间隙初级骨髓腔 破骨细胞吸收骨小梁 次级骨髓腔 次级骨化中心出现及骨骺 形成 时间：出生后数月、数年 部位：长骨两端 过程： 骨干骨密质形成及改建,三、骨的生长 1.骨的加长： 两端骺软骨(骺板)增殖 初级骨化中心向两端不断骨化， 依次分四区： 软骨储备区 软骨增生区 软骨钙化区 成骨区 2.骨的增粗：骨领表面造骨,（关节软骨）,使紧密结合,四、骨的改建 骨单位的形成和改建,哈佛氏系统-骨单位,（一）定义:成熟获能后的精子与成熟卵子结合成受精卵的过程.,（二）部位：输卵管壶腹部 (三） 过程 （四）条件 （五）意义,受 精,(fertilization),卵裂的特点：,快 G1,G2期无，S , M期短 (G1期非常短甚至无,DNA复制非常迅速, 20-30分钟内可以完成）, 无生长分裂 仅细胞数目增加，体积越来越小，核/质比成倍增加对激活某些基因起关键作用,(3) 运动中分裂,（4）卵裂为不均等分裂 卵裂细胞速度不等-数目不是成倍增加 卵裂细胞大小不等-细胞分化的基础,植入（implantation）（着床）,定义：胚泡逐渐埋入子宫内膜功能层的过程 时间：受精后第56天1112天 部位：子宫体/底后壁功能层 过程： 植入后变化： 条件：,胚外改变 1. 滋养层 细胞/合体滋养层 2. 羊膜腔/卵黄囊 3. 胚外中胚层/胚 外体腔/体蒂,胚内改变 内细胞群 内胚层 外胚层 羊膜腔 卵黄囊,小结：胚2W时主要改变,1,2,3,4,5,6,7,8,9,3W主要改变（胚内改变）,原条原沟胚内中胚层 外胚层 原结原凹脊索,口咽膜、泄殖腔膜形成,3W主要改变（胚外改变） 滋养层发育绒毛膜形成（初、次、三级绒毛干）， 胚内、胎盘循环建立 尿囊形成,外胚层 神经板神经沟神经管,外胚层分化小结,脊索诱导,CNS（管壁）,中央管/脑室（腔）,神经嵴,PNS,表面外胚层,表皮及皮肤附属器、感官上皮,体壁中胚层,胚内体腔,脏壁中胚层,中胚层的分化小结,体壁的骨胳/肌肉/CT 三腔壁层,心包腔/胸腔/腹腔,消化/呼吸道管壁肌组织/结缔组织/ 三腔脏层,分化,分化,分化,轴旁中胚层：体节 背侧的真皮、骨骼肌和中轴骨,间介中胚层：分化成泌尿生殖系统主要器官,侧中胚层：,内胚层分化,1内胚层 原始消化管 ( 前肠、中肠、后肠 ) 内胚层分化 膀胱生殖上皮和呼吸消化上皮 及中耳/甲状腺/甲状旁腺/胸腺上皮,卷折,胎内胎 ：寄生胎位于胎儿的体内，故称体内寄生胎，又称包入性双胎。,“遗传度”:在环境因素与遗传因素相互作用引起的先天畸形中，衡量遗传因素所起作用的指标.,遗传度越高，说明遗传因素在该畸形发生中的作用 越大。,致畸敏感期 （susceptible period）： 定义：受致畸因子作用而易发生畸形的胚胎发育阶段。 致畸敏感期一般为胚期(3-8周),细胞分化的决定(cell determination) 是指细胞在出现特有的形态结构、生理功能和生化特征之前发生的决定细胞分化方向的内部隐蔽的变化过程。,决定先于分化（决定发生在形态结构变化之前）,在分化前，细胞内部某些基因已开始活化并合成 特殊蛋白质（酶、受体）,决定的时空性 不同种属及不同组织决定时间不同， 并可以遗传。,细胞分化与决定的关系,分化过程涉及形态结构、基因活性状态、组织特异性蛋白的产生和功能的变化。,3、 细胞分化的主要特点：,在细胞分化的早期，不同细胞间的差异难以检测；,分化是相对稳定而持久的过程，一般不会中途改 变；进入终端分化的细胞往往不再分裂；,细胞分化的条件可抑转 在诱导分化因素的作用下，可使高度分化的细胞通过重新分裂，回复到胚胎细胞状态（去分化dedifferentiation）,细胞分化由细胞内、外信号控制。,（1）细胞核对细胞分化-主导作用 （2）细胞质对细胞分化影响核基因表达间接发挥调控作用 （3）细胞间的相互作用与细胞分化,细胞分化的调控因素,胚胎诱导 细胞抑制 细胞识别与粘合 激 素,胚胎诱导（induction）： 在胚胎发育中，一部分细胞在一定时期对其邻近的另一部分细胞产生影响,决定后者分化方向的作用。,1、概念,胚胎诱导embryonic induction,不同的诱导刺激，反应不同 同样的外胚层受到神经诱导物质作用的会产生神经组织，而中胚层诱导物质可以使它们产生肌肉等结构。,反应组织的特点：,反应只是在一定时间内发生，一旦超出临界时间，反应能力会逐渐减退以致完全消失。,反应细胞一旦受刺激，开始向某一方向分化，即使此后诱导刺激不复存在，分化照样进行。 （分化是持续的、不可逆的，说明诱导刺激在反应细胞中一旦引起了某些基因的表达，就会按固有的程序进行下去）。,反应细胞产生哪种结构决定于诱导物质，但所产生结构的种属特点却决定于反应细胞本身的遗传性。,5、诱导作用的方式（类型）,（1）指令性诱导 定义：诱导组织发出的诱导信息启动了反应