医学细胞生物学最完整的干细胞

1、 第一节第一节 干细胞的定义及其生物学特征干细胞的定义及其生物学特征 第二节第二节 胚胎干细胞胚胎干细胞 第三节第三节 成体干细胞成体干细胞 第四节第四节 癌干细胞癌干细胞 第五节第五节 干细胞与医学干细胞与医学 第一节第一节 干细胞的定义及其生物学特征干细胞的定义及其生物学特征 l 干细胞的定义干细胞的定义 是指存在于个体发育是指存在于个体发育 过程中，具有长期（或无过程中，具有长期（或无 限）自我更新、并能分化限）自我更新、并能分化 产生某种（或多种）特殊产生某种（或多种）特殊 细胞的生物学特性的原始细胞的生物学特性的原始 细胞。细胞。 Human has about 5 billions

2、 cells, more than 200 cell types. 干细胞是个体的生长发育、组织器官的结构和干细胞是个体的生长发育、组织器官的结构和 功能的动态平衡、以及损伤后的再生修复等生命现功能的动态平衡、以及损伤后的再生修复等生命现 象发生的细胞学基础。象发生的细胞学基础。 存在于生物体的不同发育阶段的干细胞，存在于生物体的不同发育阶段的干细胞， 其自我更新和分化潜能有明显差异。其自我更新和分化潜能有明显差异。 全能干细胞全能干细胞（totipotent stem cell）：可可 以发育成完整的个体以发育成完整的个体 。 多能干细胞多能干细胞（pluripotent stem cell

3、） ：具具 有产生个体中任何一种组织细胞的潜能，但不能有产生个体中任何一种组织细胞的潜能，但不能 发育成个体。发育成个体。 专能干细胞专能干细胞（multipotent stem cell）或 组织特异性干细胞：组织特异性干细胞：只能分化成某一种类型的只能分化成某一种类型的 细胞。细胞。 During embryonic development, the development potential of cell is progressively restricted. l 干细胞的分类干细胞的分类 根据干细胞根据干细胞所处的发育阶段所处的发育阶段分为：分为： 胚胎干细胞胚胎干细胞（embry

4、onic stem cell） 成体干细胞成体干细胞（adult stem cell） 根据干细胞的根据干细胞的发育潜能发育潜能分为：分为： 全能干细胞全能干细胞（totipotent stem cell） 多能干细胞多能干细胞（pluripotent stem cell） 专能干细胞专能干细胞（multipotent stem cell） 癌干细胞（癌干细胞（cancer stem cell） 二、干细胞的形态学和生物化学特性二、干细胞的形态学和生物化学特性 l 形态学特征形态学特征 细胞的体积较小细胞的体积较小 核核/质比相对较大质比相对较大 细胞质中各种细胞器不够发达细胞质中各种细胞器不

5、够发达 l 生物化学特性生物化学特性 与其所存在的组织类型密切相关与其所存在的组织类型密切相关 与其分化程度有关与其分化程度有关 三、干细胞的增殖特征三、干细胞的增殖特征 l 增殖的缓慢性增殖的缓慢性 有利于对特定的外界信号做出反应有利于对特定的外界信号做出反应 减少基因发生突变的危险减少基因发生突变的危险 l 增殖系统的自稳定性增殖系统的自稳定性 对称分裂（对称分裂（symmetry division） 不对称分裂不对称分裂 （asymmetry division） 四、干细胞的分化潜能四、干细胞的分化潜能 l处于不同处于不同 发育阶段的发育阶段的 干细胞的分干细胞的分 化潜能也不化潜能也不

6、 相同。相同。 l 分离自成分离自成 体的干细胞仍体的干细胞仍 有相当的可塑有相当的可塑 性，在适当的性，在适当的 条件下可以表条件下可以表 现出更广泛的现出更广泛的 分化能力，甚分化能力，甚 至实现跨胚层至实现跨胚层 的分化。的分化。 干细胞干细胞 来源来源 分化分化 胚胎干细胞胚胎干细胞 内细胞团或原始生殖细胞内细胞团或原始生殖细胞 各种类型细胞各种类型细胞 造血干细胞造血干细胞 骨髓骨髓 血细胞、神经细胞血细胞、神经细胞 神经干细胞神经干细胞 脑脑 神经细胞、血细胞神经细胞、血细胞 间质干细胞间质干细胞 骨髓骨髓 肌肉、骨髓、脂肪肌肉、骨髓、脂肪 上皮干细胞上皮干细胞 上皮上皮 上皮组织

7、上皮组织 干细胞来源与分化干细胞来源与分化 五、干细胞增殖与分化的调控五、干细胞增殖与分化的调控 l 外源性因素外源性因素 分泌因子分泌因子 膜整合蛋白介导的细胞间相互作用膜整合蛋白介导的细胞间相互作用 整合素与细胞外基质整合素与细胞外基质 l 内源性因素内源性因素 转录因子：如转录因子：如Oct-4和和Nanog 细胞内蛋白：如细胞内蛋白：如Insc蛋白蛋白 “时钟时钟”因子因子 第二节第二节 胚胎干细胞胚胎干细胞 胚胎干细胞（胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细细 胞胞）： 存在于早期胚胎中，具有多向分化潜能和无限存在于早期胚胎中，具有多向分化潜能和无限 增殖能力的细

8、胞。增殖能力的细胞。 广义的广义的ES细胞包括：细胞包括： ES细胞细胞 胚胎生殖细胞（胚胎生殖细胞（embryonic germ cell, EG细胞细胞） 一、人一、人ES细胞系的建立细胞系的建立 l 从体外受精形成的从体外受精形成的囊胚内细胞团囊胚内细胞团中获得人中获得人ES 细胞细胞 l 从流产胎儿的从流产胎儿的生殖嵴生殖嵴和肠系膜中分离获得和肠系膜中分离获得5 个多潜能干细胞系个多潜能干细胞系 （EG细胞）细胞） 二、二、ES细胞的来源细胞的来源 l 桑椹胚桑椹胚 l 胚泡内细胞团胚泡内细胞团 l 胎儿生殖嵴胎儿生殖嵴 l 体细胞核移植技术体细胞核移植技术 用人成熟细胞核置换用人成熟

9、细胞核置换人卵细胞人卵细胞的遗传物质的遗传物质 将人的细胞核植入到将人的细胞核植入到其他哺乳动物的卵细胞其他哺乳动物的卵细胞 将人的细胞核植入将人的细胞核植入ES细胞细胞的胞浆内的胞浆内 三、三、ES细胞的生物学特性细胞的生物学特性 形态学特征形态学特征: 具有稳定的二倍体核型；具有稳定的二倍体核型； 细胞相对较小；细胞相对较小； 核大，有一个或几个核仁，核中多为常染色质；核大，有一个或几个核仁，核中多为常染色质； 胞质结构简单，散布着大量核糖体和线粒体；胞质结构简单，散布着大量核糖体和线粒体； 在体外分化抑制培养中呈克隆状生长，细胞紧密在体外分化抑制培养中呈克隆状生长，细胞紧密 地聚集在一起

10、，形似鸟巢，细胞界限不清。地聚集在一起，形似鸟巢，细胞界限不清。 生化特征生化特征: 表达早期胚胎细胞的表面抗原；表达早期胚胎细胞的表面抗原； 含有丰富的碱性磷酸酶；含有丰富的碱性磷酸酶； 还具有很强的端粒酶活性；还具有很强的端粒酶活性； 表达干细胞因子表达干细胞因子（stem cell factor，SCF）、）、 CD30、TRA-1-60和和TRA-1-81等。等。 ES细胞的多向分化潜能细胞的多向分化潜能 主要体现在以下几方面：主要体现在以下几方面： 形成拟胚体：形成拟胚体：悬浮培养悬浮培养 形成畸胎瘤：形成畸胎瘤：注入免疫缺陷小鼠体内注入免疫缺陷小鼠体内 形成嵌合体：形成嵌合体：注射

11、到胚泡腔注射到胚泡腔 直系分化：直系分化：控制控制ES生长环境，或遗传操纵特生长环境，或遗传操纵特 定基因表达定基因表达 四、四、ES细胞系的开发和利用细胞系的开发和利用 l 发育生物学研究的理想体外模型发育生物学研究的理想体外模型 l 作为生产克隆动物的高效材料作为生产克隆动物的高效材料 l 作为生产转基因动物的高效载体作为生产转基因动物的高效载体 l 在医学中的应用在医学中的应用 伦理学问题伦理学问题 第三节第三节 成体干细胞成体干细胞 成体干细胞（成体干细胞（adult stem cell）：）： 在成体组织内具有自我更新能力及能分化产在成体组织内具有自我更新能力及能分化产 生一种或一种

12、以上子代组织细胞的未成熟细胞。生一种或一种以上子代组织细胞的未成熟细胞。 类型：类型：造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神 经干细胞、皮肤表皮干细胞、肝干细胞肠上皮干经干细胞、皮肤表皮干细胞、肝干细胞肠上皮干 细胞、视网膜干细胞、胰腺干细胞等。细胞、视网膜干细胞、胰腺干细胞等。 成体干细胞及干细胞巢 成体干细胞的获得 一、造血干细胞一、造血干细胞（hematopoietic stem cell，HSC） l 指存在于造血组织内的一类能分化生成各种指存在于造血组织内的一类能分化生成各种 血细胞的原始细胞，又称多能造血干细胞。血细胞的原始细胞，又称多能造血干细胞。 粒细

13、胞巨 噬细胞系 HSC 多能淋巴细胞 多能髓性造 血干细胞 功能性淋巴细胞 红细胞系 巨核细胞系 白细胞 红细胞 血小板 l HSC的分化的分化 造血干细胞 l 红骨髓内，约占骨髓有核细红骨髓内，约占骨髓有核细 胞的胞的0.5，另外在脾脏、淋巴组织和外周血中也，另外在脾脏、淋巴组织和外周血中也 有极少量的有极少量的HSC。 l 人人HSC的表面标志的表面标志包括包括CD34+、CD38 、 、Lin 、 、 HLA-DR+、Thy-1+、c-kit+、Sca-1+、LFA-l+、 CD45RA 、 、CD71 等。 等。 l HSC的分化与局部微环境和不同造血因子的分化与局部微环境和不同造血因

14、子 的调节有关。的调节有关。 细胞因子：细胞因子：干细胞因子干细胞因子、FLT3配基（配基（FL）、）、 血小板生成素（血小板生成素（TPO）、红细胞生成素）、红细胞生成素 （EPO）、锌指蛋白转录因子）、锌指蛋白转录因子GATA-1、白细胞、白细胞 介素介素-3（IL-3）、白细胞介素）、白细胞介素-6（IL-6）、白细）、白细 胞介素胞介素-6受体（受体（IL-6R等十几种。等十几种。 二、间充质干细胞二、间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC） l MSC是中胚层发育的早期细胞，形成于发育是中胚层发育的早期细胞，形成于发育 中的骨髓腔，在个体出生后，附着在骨髓窦

15、的内中的骨髓腔，在个体出生后，附着在骨髓窦的内 腔面，形成一种包埋于窦状网络中的三维细胞网腔面，形成一种包埋于窦状网络中的三维细胞网 络。络。 l MSC的标志抗原的标志抗原有有SH2、SH3、CD29、CD44、 CD71、CD90、CDl06、CDl20a和和CDl24等等 l MSC可分化为可分化为骨、关节、脂肪、肌腱、肌肉骨、关节、脂肪、肌腱、肌肉 和骨髓基质等多种组织和骨髓基质等多种组织。 三、神经干细胞三、神经干细胞（neural stem cell，NSC） l 成体神经系统内具有自我更新及分化形成神经成体神经系统内具有自我更新及分化形成神经 元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等成熟

16、脑细胞元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等成熟脑细胞 能力的细胞。能力的细胞。 l 位于海马和环绕侧脑室的室管膜下层。位于海马和环绕侧脑室的室管膜下层。 l NSC的特征性标志蛋白：的特征性标志蛋白：巢蛋白。巢蛋白。 第四节第四节 癌干细胞癌干细胞 癌干细胞（癌干细胞（cancer stem cell）：）： 在白血病以及一些实体肿瘤中，只有一小部在白血病以及一些实体肿瘤中，只有一小部 分肿瘤细胞具有无限的增殖能力，并能够形成新分肿瘤细胞具有无限的增殖能力，并能够形成新 的肿瘤。这些具有肿瘤形成能力的细胞被称为癌的肿瘤。这些具有肿瘤形成能力的细胞被称为癌 干细胞。干细胞。 一、癌干细胞的特性一、癌

17、干细胞的特性 l 具有肿瘤形成能力是具有肿瘤形成能力是癌干细胞的本质特征癌干细胞的本质特征。 l 鉴定癌干细胞的方法鉴定癌干细胞的方法：首先通过分子标志将肿首先通过分子标志将肿 瘤细胞悬液用流式细胞仪分选为若干亚群，然后移瘤细胞悬液用流式细胞仪分选为若干亚群，然后移 植到裸鼠体内观察其成瘤性，癌干细胞就存在于具植到裸鼠体内观察其成瘤性，癌干细胞就存在于具 有成瘤性的细胞亚群中。有成瘤性的细胞亚群中。 白血病干细胞白血病干细胞的分子标志：的分子标志： CD34 + CD38 Thy 乳腺癌干细胞乳腺癌干细胞的分子标志：的分子标志：LIN ESA B38.1 CD44 CD24/LOW 二、癌干细

18、胞的起源二、癌干细胞的起源 癌干细胞很可能由正常干细胞转化而来。癌干细胞很可能由正常干细胞转化而来。 三、癌干细胞研究对肿瘤治疗的启示三、癌干细胞研究对肿瘤治疗的启示 l 癌干细胞对传统的肿瘤治疗方法可能不敏感，癌干细胞对传统的肿瘤治疗方法可能不敏感， 可使癌症复发。可使癌症复发。 l 癌干细胞是导致肿瘤耐药性的细胞。癌干细胞是导致肿瘤耐药性的细胞。 第五节第五节 干细胞与医学干细胞与医学 制造人类疾病的转基因模型制造人类疾病的转基因模型 一、一、 l 可治疗神经退行性病变、糖尿病、脊髓损伤可治疗神经退行性病变、糖尿病、脊髓损伤 及造血系统疾病。及造血系统疾病。 l 用自体细胞的核去置换用自体

19、细胞的核去置换ES细胞核，再经定向细胞核，再经定向 诱导分化克隆出所需要的组织、器官，从而达到诱导分化克隆出所需要的组织、器官，从而达到 替换病变组织和器官之目的替换病变组织和器官之目的治疗性克隆治疗性克隆。 l 组织工程组织工程生物学和工程学相结合的技术。其目生物学和工程学相结合的技术。其目 标是人工培育用于移植的人类或动物的组织和器官，主标是人工培育用于移植的人类或动物的组织和器官，主 要操作过程之一是在支架（生物降解聚合物）上种植细要操作过程之一是在支架（生物降解聚合物）上种植细 胞，而胞，而ESES细胞是最佳的侯选者。细胞是最佳的侯选者。 组织工程与组织工程与“人耳鼠人耳鼠” 2001

20、2001年，我国举办了年，我国举办了“863863计划十计划十 五周年成就展五周年成就展” ” ，其中展出的，其中展出的“人耳人耳 鼠鼠”受到了广泛地关注。受到了广泛地关注。 “ “人耳鼠人耳鼠”的制作关键在的制作关键在“人耳人耳”， 先用一种高分子化学材料聚羟基乙酸做先用一种高分子化学材料聚羟基乙酸做 成人耳的模型支架，让细胞在这个支架成人耳的模型支架，让细胞在这个支架 上繁殖生长，然后，在裸鼠的背上割开上繁殖生长，然后，在裸鼠的背上割开 一个口子，将已经培养好的一个口子，将已经培养好的“人耳人耳”植植 入后缝合。入后缝合。“人耳人耳”支架最后会自己降支架最后会自己降 解消失，于是，解消失，

21、于是，“人耳人耳”便与老鼠浑然便与老鼠浑然 成为一体成为一体。 二、二、 l 基因治疗基因治疗 ESES细胞导入外源基因后能稳定地增殖传代并细胞导入外源基因后能稳定地增殖传代并 可获得长效的表达。因此应用遗传学技术对可获得长效的表达。因此应用遗传学技术对ESES细细 胞在体外进行改造，可使基因治疗更具有靶向性，胞在体外进行改造，可使基因治疗更具有靶向性， 通常应用基因打靶术对通常应用基因打靶术对ESES细胞进行遗传学操作。细胞进行遗传学操作。 基因打靶技术 l 细胞治疗细胞治疗 是将正常的干细胞或由其分化产生的功能细是将正常的干细胞或由其分化产生的功能细 胞植入病变部位代偿病变细胞丧失的功能。

22、干细胞植入病变部位代偿病变细胞丧失的功能。干细 胞提供了可用于移植的细胞。胞提供了可用于移植的细胞。 HSCHSC移植治疗血液系统恶性疾病、先天性遗传移植治疗血液系统恶性疾病、先天性遗传 病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病。病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病。 NSCNSC移植治疗帕金森症、小儿麻痹阿尔茨海默移植治疗帕金森症、小儿麻痹阿尔茨海默 症、中风、癫痫、脑外伤等。症、中风、癫痫、脑外伤等。 2021-5-2446 Stem cells migrate to sites of organ damage and differentiate to cell types competent to

23、participate in tissue regeneration. 利用干细胞可塑性利用干细胞可塑性 三、三、 l 人类细胞被用于药物的临床前试验是实验人类细胞被用于药物的临床前试验是实验 动物的有效补充。动物的有效补充。 l ESES细胞定向诱导分化形成的细胞能更加准细胞定向诱导分化形成的细胞能更加准 确地模仿体内细胞、组织和器官对药物的反应，确地模仿体内细胞、组织和器官对药物的反应， 可以提高药物筛查的可信性可以提高药物筛查的可信性。 四、四、 人类已通过用人类已通过用ESES细胞制造的转基因鼠、兔、细胞制造的转基因鼠、兔、 猪等动物猪等动物“复制复制”了许多种人类疾病。如用突变了许多

24、种人类疾病。如用突变 的人的人-淀粉前蛋白淀粉前蛋白(-APP) (-APP) 基因和突变的人早基因和突变的人早 老基因制出的阿尔茨海默病的转基因鼠模型。老基因制出的阿尔茨海默病的转基因鼠模型。 l 分离自成分离自成 体的干细胞仍体的干细胞仍 有相当的可塑有相当的可塑 性，在适当的性，在适当的 条件下可以表条件下可以表 现出更广泛的现出更广泛的 分化能力，甚分化能力，甚 至实现跨胚层至实现跨胚层 的分化。的分化。 干细胞干细胞 来源来源 分化分化 胚胎干细胞胚胎干细胞 内细胞团或原始生殖细胞内细胞团或原始生殖细胞 各种类型细胞各种类型细胞 造血干细胞造血干细胞 骨髓骨髓 血细胞、神经细胞血细胞、神经细胞 神经干细胞神经干细胞 脑脑 神经细胞、血细胞神经细胞、血细胞 间质干细胞间质干细胞 骨髓骨髓 肌肉、骨髓、脂肪肌肉、骨髓、脂肪 上皮干细胞上皮干细胞 上皮上皮 上皮组织上皮组织 干细胞来源与分化干细胞来源与分化 生化特征生化特征: 表达早期胚胎细胞的表面抗原；表达早期胚胎细胞的表面抗原； 含有丰富的碱性磷酸酶；含有丰富的碱性磷酸酶； 还具有很强的端粒酶活性；还具有很强的端粒酶活性； 表达