干细胞与组织的维持和再生

1、第十七章第十七章 干细胞干细胞主要内容主要内容第一节第一节 干细胞概述干细胞概述第二节第二节 胚胎干细胞胚胎干细胞第三节第三节 组织干细胞组织干细胞第四节第四节 干细胞与医学干细胞与医学Stem Cell and Tissue Regeneration第一节第一节 干细胞概述干细胞概述 一、干细胞的存在一、干细胞的存在二、干细胞的形态和生化特征二、干细胞的形态和生化特征三、干细胞的增殖特性三、干细胞的增殖特性四、干细胞的分化特性四、干细胞的分化特性五、干细胞生理活动的微环境五、干细胞生理活动的微环境Stem Cell and Tissue Regeneration干细胞干细胞：是一类具有自我更

2、新和多向分化潜能的细胞。是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞。存在部位：存在部位：个体发育全过程中的各种组织中。个体发育全过程中的各种组织中。功能：功能：生长发育、组织器官的结构和功能的动态平衡，生长发育、组织器官的结构和功能的动态平衡， 损伤后的再生修复。损伤后的再生修复。一、干细胞的存在一、干细胞的存在(一一)干细胞干细胞(stem cell)的存在的存在Stem Cell and Tissue Regeneration胚胎发育和个体形成胚胎发育和个体形成 精子穿卵精子穿卵受精卵受精卵6 6周胚胎周胚胎1111周胚胎周胚胎1212周胚胎周胚胎4 4月胚胎月胚胎Stem Cell and

3、Tissue Regeneration1. 全能干细胞（全能干细胞（totipotent stem cell）( (二二) )干细胞的类型干细胞的类型8细胞期之前的胚胎细胞，可发育为完整个体细胞期之前的胚胎细胞，可发育为完整个体Stem Cell and Tissue Regeneration一、干细胞的存在一、干细胞的存在有分化为成熟个体中所有类型细胞的潜能，但不有分化为成熟个体中所有类型细胞的潜能，但不能形成完整个体能形成完整个体,也称胚胎干细胞（也称胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞）内细胞团细胞。细胞）内细胞团细胞。2. 多能干细胞（多能干细胞（pluripo

4、tent stem cell）3.组织特异性干细胞组织特异性干细胞（tissue specific stem cell）概念：概念：专能性干细胞专能性干细胞 (multipotent stem cell)、成、成体干细胞体干细胞(adult stem cell )。功能：功能： 参与发育，并持续存在于个体的整个生命参与发育，并持续存在于个体的整个生命过程。实现所在组织中细胞的新旧更替，维持组织过程。实现所在组织中细胞的新旧更替，维持组织器官结构和功能的动态平衡。器官结构和功能的动态平衡。Stem Cell and Tissue Regeneration一、干细胞的存在一、干细胞的存在受精卵受精

5、卵细胞团细胞团囊胚囊胚胎儿胎儿成体成体专专 能能 unipotency全全 能能 totipotency多多 能能 pluripotenyStem Cell and Tissue Regeneration胚胎干细胞的来源与早期分化胚胎干细胞的来源与早期分化 Stem Cell and Tissue Regeneration二、干细胞的形态和生化特征二、干细胞的形态和生化特征1.干细胞的形态特征干细胞的形态特征原始细胞特征：呈原始细胞特征：呈圆形或椭圆形；体圆形或椭圆形；体积小；核质比大；积小；核质比大；细胞器不发达细胞器不发达 。Stem Cell and Tissue Regeneratio

6、n二、干细胞的形态和生化特征二、干细胞的形态和生化特征2.干细胞的生化特性干细胞的生化特性高端粒酶活性；生化标志，高端粒酶活性；生化标志，nestin为神经干细胞标志。为神经干细胞标志。 干细胞 过渡细胞 分化细胞三、干细胞的增殖特征三、干细胞的增殖特征1.干细胞的增殖速率具有缓慢性干细胞的增殖速率具有缓慢性 Stem Cell and Tissue Regeneration有利于干细胞对特定的外界信号作出反应。有利于干细胞对特定的外界信号作出反应。减少基因突变的危险，有更多时间校正复制错误。减少基因突变的危险，有更多时间校正复制错误。 2.干细胞增殖系统具有很强的自稳定性干细胞增殖系统具有很

7、强的自稳定性自稳定性自稳定性三、干细胞的增殖特征三、干细胞的增殖特征对称分裂对称分裂不对称分裂：不对称分裂：干细胞维持自身数目干细胞维持自身数目恒定的基本方式恒定的基本方式 干细胞的不对称分裂干细胞的不对称分裂A干细胞的简单不对称分裂干细胞的简单不对称分裂 B. 干细胞的种群不对称分裂干细胞的种群不对称分裂四、干细胞的分化特征四、干细胞的分化特征1.1.干细胞分化的谱系限定性干细胞分化的谱系限定性2. 干细胞分化的可塑性干细胞分化的可塑性 四、干细胞的分化特征四、干细胞的分化特征a. 去分化；去分化； b. 转决定；转决定； c. 转分化；转分化； d. 直接诱导分化直接诱导分化 细胞重编程的

8、主要策略细胞重编程的主要策略 A体细胞核转移（体细胞核转移（SCNT）；）；B. 细胞融合细胞融合; C. iPS细胞；细胞；D. 谱系转化谱系转化五、干细胞生理活动的微环境五、干细胞生理活动的微环境 “干细胞巢干细胞巢”(stem cell niche)：由干细胞及其外围由干细胞及其外围细胞、参与其增殖分化调控相关因子组成，具有细胞、参与其增殖分化调控相关因子组成，具有动态平衡特性的局部环境。动态平衡特性的局部环境。 成骨细胞成骨细胞mTORC1活化小鼠骨髓血管形成减少活化小鼠骨髓血管形成减少30 Ctrl Tsc1KO 成骨细胞成骨细胞mTORC1抑制小鼠骨髓血管形成增加抑制小鼠骨髓血管形

9、成增加31 Ctrl RaptorKO 成骨细胞成骨细胞mTORC1促进促进Cxcl9分泌抑制骨髓血管形成分泌抑制骨髓血管形成32Nat Commun, Accepted第二节第二节 胚胎干细胞胚胎干细胞一、胚胎干细胞的生物学特性一、胚胎干细胞的生物学特性二、胚胎干细胞的体外分化二、胚胎干细胞的体外分化一、胚胎干细胞的生物学特征一、胚胎干细胞的生物学特征Stem Cell and Tissue Regeneration二、胚胎干细胞的生物学特征二、胚胎干细胞的生物学特征1、生化特征生化特征胚胎阶段特异性抗原胚胎阶段特异性抗原(SEEA)、碱性磷酸酶、端粒酶碱性磷酸酶、端粒酶2、分化潜能、分化潜

10、能多能干细胞，分化为内、中、外胚层多能干细胞，分化为内、中、外胚层 金标准金标准嵌合体试验嵌合体试验：二、胚胎干细胞的体外分化二、胚胎干细胞的体外分化Stem Cell and Tissue Regeneration脂肪脂肪骨骼骨骼骨髓基质骨髓基质肌腱，韧带肌腱，韧带基因传递基因传递软骨软骨心肌心肌生物制药生物制药第三节第三节 组织干细胞组织干细胞 一、造血干细胞一、造血干细胞二间充质干细胞二间充质干细胞三、神经干细胞三、神经干细胞四、肝干细胞四、肝干细胞五、精原干细胞五、精原干细胞目前已分离或鉴定的组织干细胞：目前已分离或鉴定的组织干细胞：造血干细胞造血干细胞 (hematopoiesis

11、stem cell，HSC)；间充质干细胞间充质干细胞 (mesenchymal stem cell, MSC)；神经干细胞神经干细胞 (neural stem cell, NSC)；肝干细胞肝干细胞 (liver stem cell)；皮肤干细胞皮肤干细胞 (epidermal stem cell)；小肠干细胞小肠干细胞 (intestinal stem cell)；角膜的干细胞角膜的干细胞 (corneal stem cell )；肾脏干细胞肾脏干细胞 (renal stem cell)；肌肉干细胞肌肉干细胞 (myogenic stem cell)；胰腺干细胞胰腺干细胞 (pancrea

12、tic stem cell) ；肺脏干细胞肺脏干细胞 (lung stem cell)。Stem Cell and Tissue Regeneration组织干细胞示意图组织干细胞示意图 健康小鼠骨髓细胞悬液健康小鼠骨髓细胞悬液+受致死剂量射线照射的小鼠受致死剂量射线照射的小鼠受照射小受照射小鼠脾内出鼠脾内出现结节状现结节状造血灶造血灶一、造血干细胞一、造血干细胞1961年年Till和和McCulloch首次通过小鼠脾集落形首次通过小鼠脾集落形成实验证实了造血干细胞（成实验证实了造血干细胞（hematopoiesis stem cell，HSC）在成体内的存在。）在成体内的存在。 小鼠脾集落形

13、成实验小鼠脾集落形成实验造血干细胞的分化造血干细胞的分化存在骨髓腔中，可分化为多种间充质组织：如骨、存在骨髓腔中，可分化为多种间充质组织：如骨、关节、脂肪、肌腱、肌肉、骨髓基质等。关节、脂肪、肌腱、肌肉、骨髓基质等。二、间充质干细胞二、间充质干细胞MSC地塞米松、地塞米松、-磷酸磷酸甘油、甘油、Vc和含有和含有10% FBS 脂肪细胞脂肪细胞 软骨细胞软骨细胞 TGF3 ，无血清培养，无血清培养 成骨细胞成骨细胞 1-甲基甲基-3-异丁基黄嘌呤、异丁基黄嘌呤、地塞米松、吲哚美辛地塞米松、吲哚美辛 三、神经干细胞三、神经干细胞具有自我更新及分化产生成熟脑细胞的能力。具有自我更新及分化产生成熟脑细

14、胞的能力。生物学标记：中间纤维生物学标记：中间纤维nestin。可从嗅球、海马、下脑室、脑干、大脑等部位获得可从嗅球、海马、下脑室、脑干、大脑等部位获得Stem Cell and Tissue RegenerationNestin是神经干细胞的生物学标是神经干细胞的生物学标中枢神经系统的成体干细胞分化成神经中枢神经系统的成体干细胞分化成神经元元 (蓝色蓝色, 左上左上), 星形胶质细胞星形胶质细胞 (棕色棕色)，以及少突胶质细胞以及少突胶质细胞 (蓝色，左下蓝色，左下). 人神经干细胞表达人神经干细胞表达nestin (绿色绿色). 成年哺乳动物成年哺乳动物SVZ部位部位NSC的微环境与神经发

15、生过程的微环境与神经发生过程 成年哺乳动物成年哺乳动物SGZ部位部位NSC的微环境与神经发生过程的微环境与神经发生过程 肝干细胞肝干细胞胆管细胞胆管细胞肝细胞肝细胞肝索细胞是个体发育中的肝干细胞肝索细胞是个体发育中的肝干细胞(liver stem cell)四、肝干细胞四、肝干细胞小鼠肝干细胞系小鼠肝干细胞系LEPCsStem Cell and Tissue Regeneration诱导后的小鼠肝干细胞诱导后的小鼠肝干细胞系（系（LEPCs）具有成熟）具有成熟肝细胞的形态学特征肝细胞的形态学特征培养在培养在Matrigel基质胶基质胶中的中的LEPCs具有胆管细具有胆管细胞的形态特征胞的形态特

16、征 1. 精原干细胞存在于曲精原干细胞存在于曲细精管的基底膜。细精管的基底膜。是精子发生的细胞基础是精子发生的细胞基础 五、精原干细胞五、精原干细胞 2. 精原干细胞的分化具有一精原干细胞的分化具有一个复杂的调控机制个复杂的调控机制 A1精原细胞是精子生成精原细胞是精子生成过程中不可逆的调控点。过程中不可逆的调控点。 Stem Cell and Tissue Regeneration五、精原干细胞五、精原干细胞第四节第四节 干细胞与医学干细胞与医学一、干细胞与器官和个体衰老一、干细胞与器官和个体衰老 二、干细胞与肿瘤的发生和复发二、干细胞与肿瘤的发生和复发 三、干细胞与组织再生三、干细胞与组织

17、再生四、干细胞在疾病治疗中的作用四、干细胞在疾病治疗中的作用 Stem Cell and Tissue Regeneration一、干细胞与器官和个体衰老一、干细胞与器官和个体衰老衰老是组织器官中细胞更替能力的降低。衰老是组织器官中细胞更替能力的降低。随着年龄增长，组织干细胞的特性改变。随着年龄增长，组织干细胞的特性改变。骨髓造血干细胞移植病人，供体年龄越大，骨髓造血干细胞移植病人，供体年龄越大，成功率就越低成功率就越低二、干细胞与肿瘤的发生和复发二、干细胞与肿瘤的发生和复发 肿瘤的发生被认为起源于其组织中的组织特异性肿瘤的发生被认为起源于其组织中的组织特异性干细胞的可能性较大。干细胞的可能性

18、较大。 Stem Cell and Tissue Regeneration 肿瘤干细胞是存在于肿瘤组织中的一小部分具有肿瘤干细胞是存在于肿瘤组织中的一小部分具有干细胞性质的细胞群体，具有自我更新能力、肿瘤形干细胞性质的细胞群体，具有自我更新能力、肿瘤形成能力和分化为不同分化程度肿瘤细胞的能力，对肿成能力和分化为不同分化程度肿瘤细胞的能力，对肿瘤的发生、转移、恶化和复发起决定性作用。瘤的发生、转移、恶化和复发起决定性作用。三、干细胞与组织再生三、干细胞与组织再生机体修复组织器官损伤的现象叫做组织再生。机体修复组织器官损伤的现象叫做组织再生。在成年个体中，机体根据组织损伤程度的高低，在成年个体中，机体根据组织损伤程度的高低，启动不同分化等级的细胞的增殖与分化的程序，启动不同分化等级的细胞的增殖与分化的程序，来实现