第三章干细胞研究进展-(S版).pptVIP

干细胞的研究进展 主要内容 一 什么是干细胞 二 怎样得到多能干细胞 三 干细胞研究的发展前景四 世界各国的干细胞研究进展 细胞是机体组成的基本单位 一 什么是干细胞 干细胞是一类具有无限的或永生的自我更新和分化潜能的细胞 能够产生至少一种类型的 高度分化的子代细胞 人体发育起始于卵子的受精 产生一个能发育为完整有机体潜能的单细胞 即全能性的受精卵 受精后的最初几个小时内 受精卵分裂为一些完全相同的全能细胞 这意味着如果把这些细胞的任何一个放入女性子宫内 均有可能发育成胎儿 大约在受精后四天 经过几个循环的细胞分裂之后 这些全能细胞开始特异化 形成一个中空环形的细胞群结构 称之为胚囊 胚囊由外层细胞和位于中空球形内的细胞簇 内细胞群所构成 外层细胞继续发展 形成胎盘以及胎儿在子宫内发育所需的其它支持组织 内细胞群细胞亦继续发育 形成人体所须的全部组织 尽管内细胞群可形成人体内的所有组织 但它们不能发育为一个单独的生物体 因为它们不能形成胎盘以及胎儿在子宫内发育所需的支持组织 这些内细胞群细胞是多能性的 没有完全的发育潜能 如果将内细胞群放入母体子宫 它不会发育成胎儿 多能干细胞经历进一步的特异分化 发展为参与生成特殊功能细胞的干细胞 如造血干细胞 它能产生红细胞 白细胞和血小板 又如皮肤干细胞 它能产生各种类型的皮肤细胞 这些更专门化的干细胞被称为专能干细胞 总结 全能细胞 多能干细胞 专能干细胞 个体发生过程 受精卵裂72h5 7天精子 卵子 合子 卵裂球 桑椹胚 囊胚滋养层 胎盘及胎儿附属结构囊胚内胚层 消化道 呼吸道上皮和腺体 肝 胆 胰内细胞群中胚层 结缔组织 血液 肌肉 骨骼 泌尿生殖系外胚层 体表结构 神经系统 干细胞的生物学特点 属非终末分化细胞 终生保持未分化或低分化特征 在机体的数目和位置相对恒定 干细胞能无限地增殖分裂 干细胞可连续分裂几代 也可在较长时间内处于静止状态 多向分化潜能 分裂的慢周期性 绝大多数干细胞处于G0期 干细胞通过两种方式生长 一种是对称分裂 另一种是非对称分裂 干细胞的分类 按分化潜能 按发育状态 全能干细胞totipotentstemcell多能干细胞pluripotentstemcell单能干细胞multipotentstemcell 胚胎干细胞Embryonicstem ES cells成体干细胞Adultstemcells 胚胎干细胞 ES细胞是一种高度未分化细胞 它具有发育的全能性 能分化出成体动物的所有组织和器官 包括生殖细胞 研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一 在未来几年 ES细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域引发革命性进步 成体干细胞 成年动物的许多组织和器官 比如表皮和造血系统 具有修复和再生的能力 成体干细胞在其中起着关键的作用 在特定条件下 成体干细胞或者产生新的干细胞 或者按一定的程序分化 形成新的功能细胞 从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡 横向分化 部分干细胞在特定条件下可以转化为其它细胞 如肌肉干细胞在特定条件下可以分化为各种血细胞系 二 怎样得到多能干细胞 1998年美国有两个小组分别培养出了人多能干细胞 JamesA Thomson在Wisconsin大学领导的研究小组从人胚胎组织中培养出了干细胞株 方法 人卵体外受精 培育到囊胚阶段 提取innercellmass细胞 建立细胞株 用该法 每个胚胎可取得15 20个细胞用于培养 JohnD Gearhart在JohnsHopkins大学领导另一个研究小组也从人胚胎组织中建立了干细胞株 方法 从受精后5 9周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞 primordialgermcell 由此培养的细胞株 证实具有多能干细胞的特征 干细胞培养过程 SCNT somaticcellnucleartransfer 方法是将一个正常的动物卵细胞去核 含染色体的细胞结构 保留卵细胞质 它含营养成分和对胚胎发育非常重要的能量物质 再在精细调控的实验室条件下 将单个体细胞 除卵细胞或精子细胞之外的任一种 与去核卵细胞放在一起使之融合 融合细胞及其子细胞具有发育成一个完整个体的潜能 因此是全能性的 这些全能性细胞不久将形成胚囊 从理论上来说 可利用胚囊的内细胞群来建立多能性干细胞系 实际上 任何一种可生成人类胚囊细胞的方法都有可能成为人体多能性干细胞的来源 体细胞核转移 SCNT 是得到多能性干细胞的另一种途径 三 干细胞研究的发展前景 人胚胎干细胞提供了在细胞和分子水平上研究人体发育过程中的极早期事件的良好材料和方法 这种研究不会引起与胚胎实验相关的伦理问题 采用基因芯片等技术 比较胚胎干细胞以及不同发育阶段的干细胞和分化细胞的基因转录和表达 可以确定胚胎发育及细胞分化的分子机制 发现新的人类基因 结合基因打靶技术 可发现不同基因在生命活动中的功能等 此外 在新药的发现及筛选方面 胚胎干细胞提供了新药的药理 药效 毒理及药代等研究的细胞水平的研究手段 大大减少了药物实验所需动物的数量 使药品研制的过程更为合理有效 胚胎干细胞最激动人心的潜在应用价值是用来修复甚至替换丧失功能的组织和器官 因为它具有发育分化为所有类型组织细胞的能力 任何涉及丧失正常细胞的疾病都可以通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异组织细胞来治疗 如用神经细胞治疗神经变性疾病 帕金森氏综合症 亨廷顿舞蹈症 阿尔茨海默氏病等 用造血干细胞重建造血机能 用胰岛细胞治疗糖尿病 用心肌细胞修复坏死的心肌等 干细胞是基因治疗的较理想的靶细胞 因为它可以自我复制更新 治疗基因通过它带入人体中 能够持久地发挥作用 而不必担心象分化的细胞那样 在细胞更新中可能丢失治疗基因的结果 通过胚胎干细胞和基因治疗技术 可以矫正缺陷基因 例如 如果发现早期胚胎有某种基因缺陷而会患基因缺陷病 可以收集部分或全部胚胎干细胞 通过基因工程技术将正常的基因替代干细胞中的缺陷基因 再将修复后的胚胎干细胞嵌入胚胎中 经过九月怀胎将会出生一个健康的婴儿 由于伦理和某些技术问题 现在还未开展此类实验 改变胚胎干细胞的某些基因的另一目的是创建 万能供者细胞 即破坏细胞中表达组织相容性复合物的基因 躲避受者免疫系统的监视 从而达到防止免疫排斥效应发生的目的 但这种方法需要破坏和改变细胞中许多基因 而且这种细胞发育成的组织和器官是否有生理缺陷如免疫能力降低还不得而知 另一种克服移植免疫排斥的途径就是结合克隆技术创建病人特异性的胚胎干细胞 用这种胚胎干细胞培养获得的细胞 组织或器官 其基因和细胞膜表面的主要组织相容性复合体与提供体细胞的病人完全一致 不会导致任何免疫排斥反应 如果这一设想能够变为现实 将是人类医学中一项划时代的成就 它将使器官培养工业化 解决供体器官来源不足的问题 器官供应专一化 提供病人特异性器官 人体中的任何器官和组织一旦出现故障 将像更换损坏的汽车零件一样可随意更换和修理 但是要使以上设想变为现实 还需要对胚胎干细胞做深入研究 还需要解决很多技术难题 这些问题包括 胚胎干细胞极易分化为其他细胞 如何维持体外扩增时不分化 虽然在防止体外培养时干细胞分化方面已取得了很大成绩 如在培养基中加入白血病抑制因子等可抑制干细胞分化 但仍需进一步研究干细胞的培养条件 如何定向诱导干细胞分化 细胞分化是多种细胞因子相互作用引起细胞一系列复杂的生理生化反应的过程 因而要诱导产生某种特异类型的组织 需要了解各种因子在何时何地开始作用 以及何时何地停止作用 由胚胎干细胞在体外发育成一完整的器官尤其是像心 肝 肾 肺等大型精细复杂的器官这一目标还需要技术上的突破 因为器官的形成是一个非常复杂的三维过程 很多器官是两个不同胚层的组织相互作用而形成的 例如 肺中的肌组织 血管和结缔组织来源于中胚层 而上皮组织源自内胚层 每个细胞要获得营养和排泄代谢废物 分化的组织中需要产生血管 组织血管目前还处于起步研究阶段 即便是一发育完整的来自自然机体的器官 要离体培养并维持其正常的生理功能目前还无法做到 器官的体外保存和维持仍是器官移植中的难题 一种可能的方法是将干细胞注射到重度免疫缺陷动物的脏器中 让移植的人干细胞逐步替代动物细胞 使其脏器人源化 成为可供移植的器官 如何克服移植排斥反应 前面提到的改变基因创建 万能供者细胞 的方法是否可行还不清楚 核移植后的卵细胞能否激活沉默基因 启动DNA的合成 会不会改变染色体的结构等等问题 还有待进一步研究 而且 胚胎干细胞有形成畸胎瘤的倾向 必须对胚胎干细胞及其衍生细胞的移植的安全性做一全面 客观 深入的评价 四 世界各国的干细胞研究 美国总统布什9日宣布支持联邦政府有限度地资助胚胎干细胞研究 这一决定代表了美国政府的态度 美国政府支持利用现有的人类胚胎干细胞进行研究 但反对破坏新的胚胎以获取干细胞 并且坚决反对克隆人 在干细胞研究方面 美国是世界上最先进的国家之一 从最初的骨髓移植算起 干细胞研究在美已进行了30多年 1998年 美国科学家成功用人类胚胎干细胞在体外生长和增殖 带动了全世界的干细胞工程研究热潮 目前 大批美国公立 私立机构都在研究干细胞的各种获取渠道以及它们的分化功能 并已发现可以从骨髓 胚胎 脂肪 胎盘和脐带等渠道获得干细胞 英国是干细胞研究领域占据领先地位的又一个国家 今年1月 英国第一个将克隆研究合法化 允许科学家培养克隆胚胎以进行干细胞研究 并将这一研究定性为 治疗性克隆 科学家可以破坏被生育诊所废弃的胚胎用于干细胞和其他研究 也可以通过试管内受精培养研究用胚胎 现在 新的法律允许研究人员通过克隆制造干细胞 但研究中使用过的所有胚胎必须在14天后被销毁 在日本 干细胞研究是 千年世纪工程 中的核心内容之一 为了能科学安全地进行干细胞研究 日本政府在本月初通过了干细胞研究指南 指南规定 用于研究的胚胎细胞只能从那些本该被废弃 用于生育治疗目的的胚胎中获取 这一指南有可能允许日本实验室在今年年底开始进行用胚胎干细胞培育组织的研究 关于克隆人和制造精子和卵子的研究则在日本被严格禁止 以色列尚未制订管理干细胞克隆研究的法律 允许破坏胚胎以进行干细胞研究 据 临床调查杂志 报道 以色列科学家本月初宣布首次成功用人类胚胎干细胞培育出了心脏细胞 这些心脏细胞具有自然跳动的功能 1999年 以色列通过法律禁止克隆人 法律在5年内有效 澳大利亚联邦和州级卫生部长同意