大学课件：13干细胞

干细胞Stemcell授课对象：2011级临床五年制本科授课教员：张艺授课单位：基础部细胞生物学教研室干细胞授课对象：2011级临床五年制本科1theCrimesofPrometheusAnoldstoryfromGreekmythology再生医学What’sthestemcell?theCrimesofPrometheusAnold2

干细胞（Stemcell）:是存在于个体发育过程中，具有长期（或无限）自我更新能力、并可分化产生某种（或多种）特化细胞的原始细胞。是个体的生长发育、组织器官的结构和功能的动态平衡，以及其损伤后的再生修复的基础。一、干细胞概念干细胞（Stemcell）:是存在于个体发育过程3肿瘤干细胞tumorstemcell胚胎干细胞embryonicstemcell成体干细胞adultstemcellHematopoiesisSC造血干MesenchymalSC间充质干NeuralSC神经干EpidermalSC表皮干IntestinalSC肠干分化潜能分类全能干细胞Totipotentstemcell多能干细胞Pluripotentstemcell单能干细胞Unipotentstemcell二、干细胞的种类Categoriesofstemcell来源分类肿瘤干细胞胚胎干细胞成体干细胞HematopoiesisS4哺乳动物——受精卵和8-细胞期之前的细胞，每一个细胞都是全能干细胞。Totipotentstemcell——能形成完整的个体Typesofstemcell（按分化潜能分类）Categoriesofstemcell哺乳动物——受精卵和8-细胞期之前的细胞，每一个细胞都是5Pluripotentstemcell囊胚中的内细胞团，每一个细胞都能形成个体中所有类型的细胞但不能产生胎盘和其他一些发育时期的支持组织不能形成完整的个体CategoriesofstemcellPluripotentstemcellCategorie6Multipotentstemcell

只能分化形成功能上密切相关的一类细胞unipotentstemcell，单能干细胞只能分化形成一种类型细胞CategoriesofstemcellMultipotentstemcellunipot7PotencydefinitionsPotencyExampleTotiAllPluriMany/muchMultiSeveral/ManyOligoFew/LittleUniOneZygoteEmbryonicHematopoiesisLymphoidormyeloid

MuscleCategoriesofstemcellPotencydefinitions8EmbryonicStemcells(EScells)‏胚胎干细胞Typesofstemcell（按来源分类）CategoriesofstemcellEmbryonicStemcells(EScells9TheculturedhumanembryonicstemcellsCategoriesofstemcellTheculturedhumanembry10AdultStemcells(AScells)‏成体干细胞ThelocationofAdultStemCellsCategoriesofstemcellAdultStemcells(AScells)‏Th11三、干细胞的特性ThebasicpropertiesofstemcellMorphologyandbiochemistrycharacteristicsTheproliferationofstemcellStemcelldifferentiationpotentialStemcellniche如何鉴定干细胞？三、干细胞的特性Morphologyandbiochem12Humanfetalhepaticstemcells（一）形态和生化特征1.形态学特征体积小核/质比大细胞器不够发达（如内质网、高尔基复合体及线粒体等）propertiesofstemcellHumanfetalhepaticstemcells132.生物化学特征Mouseembryonicstemcellswithfluorescentmarker细胞表面、细胞内部具有特异性标志物生化标记物胚胎SC:Oct-4、SSEA-1神经SC:nestin、EGFr

毛囊SC:β1-integrin造血SC:CD34，CD38，propertiesofstemcell端粒酶2.生物化学特征Mouseembryonicstem14干细胞（stemcell）过渡放大细胞（transientamplifyingcell）终末分化细胞（terminallydifferentiatedcell）（二）干细胞的增殖特性过渡放大细胞：干细胞进入分化程序，经历短暂的增殖期产生的细胞。TA细胞经历若干次分裂，产生分化细胞。propertiesofstemcell干细胞（stemcell）（二）干细胞的增殖特性过15缓慢性（标记实验）细胞动力学方面的研究表明，干细胞通常分裂较慢，组织中快速分裂的是过渡放大细胞。如小肠干细胞较其过渡放大细胞的分裂速度大约慢一倍。1.干细胞是慢周期细胞（slowcyclingcell）干细胞的增殖速率低于TA细胞标记滞留实验：

放射性3H标记实验BrdU标记实验propertiesofstemcell缓慢性（标记实验）1.干细胞是慢周期细胞（slowcycl16GFP

BrdU增殖速率慢标记保留细胞“Labelretainingcells”(LRCs)BrdUpropertiesofstemcellGFPBrdU增殖速率慢BrdUpropertieso17propertiesofstemcellpropertiesofstemcell18缓慢增殖有利于干细胞对特定的外界信号作出反应，以决定进行增殖还是进入特定的分化程序；缓慢增殖还可以减少基因发生突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误。干细胞的慢增殖特性的生理意义propertiesofstemcell缓慢增殖有利于干细胞对特定的外界信号作出反应192.自稳定性自稳定性(self-maintenance)：自我更新(self-renewing)并维持其自身数目恒定。对称分裂(symmetrydivision)不对称分裂(asymmetrydivision)。

不均等分配——分化propertiesofstemcell2.自稳定性propertiesofstemcell20TwowaysforastemcelltoproducedaughterswithdifferentfatespropertiesofstemcellTwowaysforastemcelltop21高克隆形成率“Clonogenic”–highcolony-formingability3.干细胞增殖能力强Humanembryonicstemcellscolonypropertiesofstemcell高克隆形成率“Clonogenic”–highcol221.干细胞分化潜能的多向性Erythrocyte

Keratinocyte

Neuron

SkeletalmuscleHavethepotentialtogiverisetospecializedcelltypes.（三）干细胞的分化潜能propertiesofstemcell1.干细胞分化潜能的多向性ErythrocyteKerat23propertiesofstemcellpropertiesofstemcell242.干细胞分化的可塑性(plasticity)干细胞在适当条件下，可发生转分化和去分化现象propertiesofstemcell2.干细胞分化的可塑性(plasticity)干25JamesA.ThomsonShinyaYamanaka

诱导的多能干细胞Inducedpluripotentstemcell（iPS）成体细胞能诱导转变成为多能干细胞

成人成纤维细胞的诱导胰岛细胞的诱导SomaticcellReprogramStemcellJunyingYupropertiesofstemcellJamesShinyaYamanaka诱导的多能干细胞26Yamanaka,2006;JamesThomsonandYamanaka,2007

ReprogrammingandiPScellpropertiesofstemcellYamanaka,2006;JamesThomson27CornealStemCellsandtheirNiches（四）微环境依赖性microenvironment-dependent干细胞巢StemCellNiche干细胞通常栖息在体内一个固定的、稳态的、安全的、血供丰富的微环境中，该区域被称为干细胞巢。干细胞的分化和增殖与它所在的组织的微环境密切相关propertiesofstemcellCornealStemCellsandtheirN28GutStemCellsandtheirNichesHairfollicleStemCellsandtheirNiches干细胞巢的结构体系propertiesofstemcellGutStemCellsandtheirNiche29

①CellsStemcell，TAcells,Differentiatedcells,EndothelialcellMesenchymalcells，Coexistedstemcell（HFMSC）

②Secretedfactors

来源：干细胞其他细胞BMP2/4、TGFβ和WNT信号转导途径的信号分子

③Extracellularmatrix,Basalmembrane

Laminin、Integrins、TIMP2、Sdc、Tnc干细胞、外围细胞、细胞外基质、增殖分化调控相关因子propertiesofstemcell①Cells②Secretedfactors30ProductionofdifferentiatedcellsfrommouseEScellsincultureCultured

embryonic

stemcellsDifferentculture

conditionsPluripotent能够分化成为个体中除胎盘（placenta）外任何细胞类型的潜能四、胚胎干细胞EmbryonicStemCells(ESCs)（一）特性Productionofdifferentiatedc31Theroutesfromwhichtheembryonicstemcellsmaybeobtained囊胚内细胞团(胚胎干细胞）胚胎生殖嵴（胚胎生殖细胞）畸胎瘤（胚胎癌细胞）（二）胚胎干细胞来源EmbryonicStemCellsTheroutesfromwhichtheemb32Theinductionofembryonicstemcellsandstemcellengineering（三）应用1.发育研究的模型2.体外定向诱导分化3.药物筛选4.器官移植EmbryonicStemCellsTheinductionofembryonicste33

种子细胞

生物材料

细胞生物材料复合物

移植

生物材料降解吸收，细胞增殖

创伤修复组织工程Lancet.2011-11-23

34EScellresearchcouldcreateacommercialmarketforhumancells-----“Thisdevalueslife”HarvestingEScellsdestroystheblastocyst-----“Thisismurder”EScellresearchcouldcre35五、成体干细胞Adultstemcell成体干细胞：指成体各组织器官中的干细胞，成体干细胞具有自我更新能力，但分化潜能窄，只能分化为相应(或相邻)组织器官的组成细胞。Multipotent五、成体干细胞Adultstemcell成36Veryrarepopulationofmultipotentimmaturecells,1per2×104CanbeinducedtodifferentiateintoallfunctionalbloodcellsMostHSCarepositivefortheCD34surfaceantigen（一）造血干细胞HematopoieticStemCells最早分离的干细胞Adultstemcell（一）造血干细胞最早分离的干细胞Adultstemcel37AtentativeschemeofhemopoiesisAdultstemcellAtentativeschemeofhemopoie38（二）间充质干细胞

MesenchymalStemCells(MSC)来源骨髓胎盘能分化形成骨、关节、脂肪、肌肉等多种间充质组织Adultstemcell（二）间充质干细胞

MesenchymalStemCel39ThedifferentiationofmesenchymalstemcellsinvitroMSC:themostwidelyappliedtissuestemcell

Thedifferentiationofmesench40（三）神经干细胞

TheneuralstemcellAdultstemcell（三）神经干细胞

TheneuralstemcellA41（四）表皮干细胞、毛囊干细胞TheepidermalSCandhairfollicleSCAdultstemcell（四）表皮干细胞、毛囊干细胞Adultstemcell42六、肿瘤干细胞（Tumorstemcell）细胞癌变是细胞去分化的结果，因此与胚胎细胞有许多相似的生物学特性。六、肿瘤干细胞（Tumorstemcell）43乳腺癌干细胞

肿瘤干细胞是肿瘤组织中的少数细胞，具有无限的自我更新和诱导肿瘤发生的能力，是肿瘤产生的种子细胞。

自我更新能力低分化无限增殖能力成瘤性Tumorstemcell乳腺癌干细胞肿瘤干细胞是肿瘤组织中的少数细胞，具有无44肿瘤细胞中杀灭的区别对待

—寻找并扑杀“安静的”肿瘤干细胞正常干细胞特性的研究

—寻找耐受肿瘤药物的机制Tumorstemcell肿瘤细胞中杀灭的区别对待Tumorstemcell45Homework1.什么是干细胞？请列举出2-3种干细胞并说明其特性？2.干细胞不同于体细胞的生物学特性有哪些？3.举例说明干细胞在医学上的应用。4.肿瘤干细胞有何特性？名词解释：Stemcell,totipotentSC,pluripotentSC,multipotentSC,stemcellnicheHomework1.什么是干细胞？请列举出2-3种干细胞并46ThankYou!ThankYou!47干细胞Stemcell授课对象：2011级临床五年制本科授课教员：张艺授课单位：基础部细胞生物学教研室干细胞授课对象：2011级临床五年制本科48theCrimesofPrometheusAnoldstoryfromGreekmythology再生医学What’sthestemcell?theCrimesofPrometheusAnold49

干细胞（Stemcell）:是存在于个体发育过程中，具有长期（或无限）自我更新能力、并可分化产生某种（或多种）特化细胞的原始细胞。是个体的生长发育、组织器官的结构和功能的动态平衡，以及其损伤后的再生修复的基础。一、干细胞概念干细胞（Stemcell）:是存在于个体发育过程50肿瘤干细胞tumorstemcell胚胎干细胞embryonicstemcell成体干细胞adultstemcellHematopoiesisSC造血干MesenchymalSC间充质干NeuralSC神经干EpidermalSC表皮干IntestinalSC肠干分化潜能分类全能干细胞Totipotentstemcell多能干细胞Pluripotentstemcell单能干细胞Unipotentstemcell二、干细胞的种类Categoriesofstemcell来源分类肿瘤干细胞胚胎干细胞成体干细胞HematopoiesisS51哺乳动物——受精卵和8-细胞期之前的细胞，每一个细胞都是全能干细胞。Totipotentstemcell——能形成完整的个体Typesofstemcell（按分化潜能分类）Categoriesofstemcell哺乳动物——受精卵和8-细胞期之前的细胞，每一个细胞都是52Pluripotentstemcell囊胚中的内细胞团，每一个细胞都能形成个体中所有类型的细胞但不能产生胎盘和其他一些发育时期的支持组织不能形成完整的个体CategoriesofstemcellPluripotentstemcellCategorie53Multipotentstemcell

只能分化形成功能上密切相关的一类细胞unipotentstemcell，单能干细胞只能分化形成一种类型细胞CategoriesofstemcellMultipotentstemcellunipot54PotencydefinitionsPotencyExampleTotiAllPluriMany/muchMultiSeveral/ManyOligoFew/LittleUniOneZygoteEmbryonicHematopoiesisLymphoidormyeloid

MuscleCategoriesofstemcellPotencydefinitions55EmbryonicStemcells(EScells)‏胚胎干细胞Typesofstemcell（按来源分类）CategoriesofstemcellEmbryonicStemcells(EScells56TheculturedhumanembryonicstemcellsCategoriesofstemcellTheculturedhumanembry57AdultStemcells(AScells)‏成体干细胞ThelocationofAdultStemCellsCategoriesofstemcellAdultStemcells(AScells)‏Th58三、干细胞的特性ThebasicpropertiesofstemcellMorphologyandbiochemistrycharacteristicsTheproliferationofstemcellStemcelldifferentiationpotentialStemcellniche如何鉴定干细胞？三、干细胞的特性Morphologyandbiochem59Humanfetalhepaticstemcells（一）形态和生化特征1.形态学特征体积小核/质比大细胞器不够发达（如内质网、高尔基复合体及线粒体等）propertiesofstemcellHumanfetalhepaticstemcells602.生物化学特征Mouseembryonicstemcellswithfluorescentmarker细胞表面、细胞内部具有特异性标志物生化标记物胚胎SC:Oct-4、SSEA-1神经SC:nestin、EGFr

毛囊SC:β1-integrin造血SC:CD34，CD38，propertiesofstemcell端粒酶2.生物化学特征Mouseembryonicstem61干细胞（stemcell）过渡放大细胞（transientamplifyingcell）终末分化细胞（terminallydifferentiatedcell）（二）干细胞的增殖特性过渡放大细胞：干细胞进入分化程序，经历短暂的增殖期产生的细胞。TA细胞经历若干次分裂，产生分化细胞。propertiesofstemcell干细胞（stemcell）（二）干细胞的增殖特性过62缓慢性（标记实验）细胞动力学方面的研究表明，干细胞通常分裂较慢，组织中快速分裂的是过渡放大细胞。如小肠干细胞较其过渡放大细胞的分裂速度大约慢一倍。1.干细胞是慢周期细胞（slowcyclingcell）干细胞的增殖速率低于TA细胞标记滞留实验：

放射性3H标记实验BrdU标记实验propertiesofstemcell缓慢性（标记实验）1.干细胞是慢周期细胞（slowcycl63GFP

BrdU增殖速率慢标记保留细胞“Labelretainingcells”(LRCs)BrdUpropertiesofstemcellGFPBrdU增殖速率慢BrdUpropertieso64propertiesofstemcellpropertiesofstemcell65缓慢增殖有利于干细胞对特定的外界信号作出反应，以决定进行增殖还是进入特定的分化程序；缓慢增殖还可以减少基因发生突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误。干细胞的慢增殖特性的生理意义propertiesofstemcell缓慢增殖有利于干细胞对特定的外界信号作出反应662.自稳定性自稳定性(self-maintenance)：自我更新(self-renewing)并维持其自身数目恒定。对称分裂(symmetrydivision)不对称分裂(asymmetrydivision)。

不均等分配——分化propertiesofstemcell2.自稳定性propertiesofstemcell67TwowaysforastemcelltoproducedaughterswithdifferentfatespropertiesofstemcellTwowaysforastemcelltop68高克隆形成率“Clonogenic”–highcolony-formingability3.干细胞增殖能力强Humanembryonicstemcellscolonypropertiesofstemcell高克隆形成率“Clonogenic”–highcol691.干细胞分化潜能的多向性Erythrocyte

Keratinocyte

Neuron

SkeletalmuscleHavethepotentialtogiverisetospecializedcelltypes.（三）干细胞的分化潜能propertiesofstemcell1.干细胞分化潜能的多向性ErythrocyteKerat70propertiesofstemcellpropertiesofstemcell712.干细胞分化的可塑性(plasticity)干细胞在适当条件下，可发生转分化和去分化现象propertiesofstemcell2.干细胞分化的可塑性(plasticity)干72JamesA.ThomsonShinyaYamanaka

诱导的多能干细胞Inducedpluripotentstemcell（iPS）成体细胞能诱导转变成为多能干细胞

成人成纤维细胞的诱导胰岛细胞的诱导SomaticcellReprogramStemcellJunyingYupropertiesofstemcellJamesShinyaYamanaka诱导的多能干细胞73Yamanaka,2006;JamesThomsonandYamanaka,2007

ReprogrammingandiPScellpropertiesofstemcellYamanaka,2006;JamesThomson74CornealStemCellsandtheirNiches（四）微环境依赖性microenvironment-dependent干细胞巢StemCellNiche干细胞通常栖息在体内一个固定的、稳态的、安全的、血供丰富的微环境中，该区域被称为干细胞巢。干细胞的分化和增殖与它所在的组织的微环境密切相关propertiesofstemcellCornealStemCellsandtheirN75GutStemCellsandtheirNichesHairfollicleStemCellsandtheirNiches干细胞巢的结构体系propertiesofstemcellGutStemCellsandtheirNiche76

①CellsStemcell，TAcells,Differentiatedcells,EndothelialcellMesenchymalcells，Coexistedstemcell（HFMSC）

②Secretedfactors

来源：干细胞其他细胞BMP2/4、TGFβ和WNT信号转导途径的信号分子

③Extracellularmatrix,Basalmembrane

Laminin、Integrins、TIMP2、Sdc、Tnc干细胞、外围细胞、细胞外基质、增殖分化调控相关因子propertiesofstemcell①Cells②Secretedfactors77ProductionofdifferentiatedcellsfrommouseEScellsincultureCultured

embryonic

stemcellsDifferentculture

conditionsPluripotent能够分化成为个体中除胎盘（placenta）外任何细胞类型的潜能四、胚胎干细胞EmbryonicStemCells(ESCs)（一）特性Productionofdifferentiatedc78Theroutesfromwhichtheembryonicstemcellsmaybeobtained囊胚内细胞团(胚胎干细胞）胚胎生殖嵴（胚胎生殖细胞）畸胎瘤（胚胎癌细胞）（二）胚胎干细胞来源EmbryonicStemCellsTheroutesfromwhichtheemb79Theinductionofembryonicstemcellsandstemcellengineering（三）应用1.发育研究的模型2.体外定向诱导分化3.药物筛选4.器官移植EmbryonicStemCellsTheinductionofembryonicste80

种子细胞

生物材料

细胞生物材料复合物

移植

生物材料降解吸收，细胞增殖

创伤修复组织工程Lancet.2011-11-23

81EScellresearchcouldcreateacommercialmarketforhumancells-----“Thisdevalueslife”HarvestingEScellsdestroystheblastocyst-----“Thisismurder”ES