細(xì)胞工程論文胚胎干細(xì)胞

1、細(xì)胞工程課 程 論 文 題 目： 胚胎干細(xì)胞在生物醫(yī)學(xué)方面的研究及用 學(xué) 號： 姓 名： 周文斌 年 級： 2010級 專 業(yè)： 生物工程（1）班 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2013 年 11 月 28 日 成 績： 胚胎干細(xì)胞在生物醫(yī)學(xué)方面的研究及應(yīng)用摘要：干細(xì)胞，在醫(yī)學(xué)中被稱為“萬用細(xì)胞”，是一類具有自我更新和分化潛能的細(xì)胞，在生命的生長與發(fā)育中其起主干作用的原始細(xì)胞。本文即以干細(xì)胞為基礎(chǔ)，從胚胎干細(xì)胞概念出發(fā)，介紹胚胎干細(xì)胞的生物學(xué)特性，對近年來國內(nèi)外胚胎干細(xì)胞的研究歷程做出梳理與總結(jié)，并對其研究成果、應(yīng)用前景及存在問題作出概述。關(guān)鍵詞：干細(xì)胞；胚胎干細(xì)胞；生物學(xué)特性；研究歷程及成果；應(yīng)用

2、前景；存在問題一、干細(xì)胞 干細(xì)胞(stem cells, SC)是一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞，在一定條件下，它可以分化成多種功能細(xì)胞。根據(jù)干細(xì)胞所處的發(fā)育階段分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。根據(jù)干細(xì)胞的發(fā)育潛能分為三類：全能干細(xì)胞(totipotent stem cell,TSC)、多能干細(xì)胞（pluripotent stem cell）和單能干細(xì)胞（unipotent stem cell）。干細(xì)胞是一種未充分分化，尚不成熟的細(xì)胞，具有再生各種組織器官和人體的潛在功能，醫(yī)學(xué)界稱為“萬用細(xì)胞”。二、胚胎干細(xì)胞（ESC） 胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cell，ESC）是從著床前胚胎

3、內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞經(jīng)體外分化抑制培養(yǎng)分離的一種全能性細(xì)胞1。它具有體外培養(yǎng)無限增殖、自我更新和多向分化的特性。無論在體外還是體內(nèi)環(huán)境，ES細(xì)胞都能被誘導(dǎo)分化為機(jī)體幾乎所有的細(xì)胞類型。1981年，埃文斯（Evans）和考夫曼（Kaufman）從小鼠胚囊內(nèi)細(xì)胞團(tuán)建立了未分化的小鼠胚胎干細(xì)胞2,3。1998年，湯姆森（Thomson）在體外受精5 天的人囊胚中成功分離出hES細(xì)胞, 體外培養(yǎng)維持不分化狀態(tài)均傳代30 代以上,建立了人的胚胎干細(xì)胞系開創(chuàng)了胚胎干細(xì)胞的新紀(jì)元4。三、生物學(xué)特性1、 形態(tài)學(xué)特征 ES細(xì)胞具有與早期胚胎細(xì)胞相似的形態(tài)結(jié)構(gòu)，細(xì)胞核大，有一個(gè)或幾個(gè)核仁，胞核中多為常染色質(zhì)，胞

4、質(zhì)胞漿少，結(jié)構(gòu)簡單。體外培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞排列緊密，呈集落狀生長。用堿性磷酸酶染色，ES細(xì)胞呈棕紅色，而周圍的成纖維細(xì)胞呈淡黃色5。2、全能性或多能性ES 細(xì)胞全能性或多能性的基礎(chǔ)是其具有的高度的分化潛能。細(xì)胞分化終究歸結(jié)為在胚胎發(fā)育過程中基因組中的特定基因按一定順序相繼活化和表達(dá), 所以,細(xì)胞全能性的實(shí)質(zhì)是細(xì)胞基因組中決定蛋白質(zhì)編碼的所有基因按一定順序表達(dá)。細(xì)胞全能性或多能性與細(xì)胞分化狀態(tài)的相對穩(wěn)定性密切相關(guān)。細(xì)胞分化具有相對的穩(wěn)定性, 但在一定條件下, 細(xì)胞分化又是可逆的。低等生物細(xì)胞和高等動(dòng)物的早期胚胎細(xì)胞具有全能性, 但用成年綿羊的乳腺細(xì)胞和胎兒成纖維細(xì)胞為供體進(jìn)行核移植生出了綿羊羔,這表明

5、:不但未分化的胚胎細(xì)胞具有全能性, 已分化的體細(xì)胞在特定條件下經(jīng)過脫分化( Dedifferent iation) 也具有全能性。已分化的細(xì)胞具有全能性的前提條件是這種細(xì)胞在體外誘導(dǎo)進(jìn)入休眠狀態(tài)。細(xì)胞全能性是細(xì)胞核基因在不斷變化的胞質(zhì)環(huán)境的作用下有次序、 有系統(tǒng)地表達(dá)的結(jié)果,在分化的細(xì)胞內(nèi)存在有可逆性修飾的遺傳物質(zhì)。但并非所有的體細(xì)胞均具有全能性,例如紅細(xì)胞, 在成熟時(shí)失去細(xì)胞核, 喪失了可逆性分化的遺傳物質(zhì)。四、研究歷程及成果1、60年代，幾個(gè)近親種系的小鼠睪丸畸胎瘤的研究表明其來源于胚胎生殖細(xì)胞（embryonic germ cells, EG細(xì)胞），此工作確立了胚胎癌細(xì)胞（embryon

6、ic carcinoma cells, EC細(xì)胞）是一種干細(xì)胞6。2、1981年，Evan, Kaufman 和Martin從小鼠胚泡內(nèi)細(xì)胞群分離出小鼠ES細(xì)胞。他們建立了小鼠ES細(xì)胞體外培養(yǎng)條件。由這些細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞系有正常的二倍型，像原生殖細(xì)胞一樣產(chǎn)生三個(gè)胚層的衍生物。將ES細(xì)胞注入上鼠，能誘導(dǎo)形成畸胎瘤2,3。3、1992 年, 兩組科學(xué)家直接從受精后812 天的鼠胚中成功分離出mEG細(xì)胞【7，8】。1994年，通過體外授精和病人捐獻(xiàn)的人胚泡處于2-原核期。胚泡內(nèi)細(xì)胞群在培養(yǎng)中得以保存其周邊有滋養(yǎng)層細(xì)胞聚集，ES樣細(xì)胞位于中央。4、1998年美國有兩個(gè)小組分別培養(yǎng)出了人的多能( plur

7、ipotent )干細(xì)胞：James A. Thomson在Wisconsin大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組從人胚胎組織中培養(yǎng)出了干細(xì)胞株4。他們使用的方法是：人卵體外受精后，將胚胎培育到囊胚階段，提取 inner cell mass細(xì)胞，建立細(xì)胞株。經(jīng)測試這些細(xì)胞株的細(xì)胞表面marker 和酶活性，證實(shí)他們就是全能干細(xì)胞。用這種方法，每個(gè)胚胎可取得1520干細(xì)胞用于培養(yǎng)。John D. Gearhart在Johns Hopkins大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)研究小組也從人胚胎組織中建立了干細(xì)胞株。他們的方法是：從受精后59周人工流產(chǎn)的胚胎中提取生殖母細(xì)胞( primordial germ cell )。由此培養(yǎng)的細(xì)

8、胞株，證實(shí)具有全能干細(xì)胞的特征。5、2000年，由Pera、Trounson 和Bongso 領(lǐng)導(dǎo)的新加坡和澳大利亞科學(xué)家從治療不育癥的夫婦捐贈(zèng)的胚泡內(nèi)細(xì)胞群中分離得到人ES細(xì)胞，這些細(xì)胞體外增殖，保持正常的核型，自發(fā)分化形成來源于三個(gè)胚層的體細(xì)胞系。將其注入免疫缺陷小鼠錯(cuò)開內(nèi)產(chǎn)生畸胎瘤。6、2002年重慶婦幼保健院生殖與遺傳研究所完成了中國首例囊胚胎培養(yǎng)技術(shù)。該技術(shù)不僅大提高了試管嬰兒的妊娠成功率，還有效地降低多胞胎發(fā)生率。美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院正與重慶婦幼保健院生殖與遺傳研究所合作，人工共同研究干細(xì)胞的分化，為“克隆”人體器官創(chuàng)造條件。7、2003，建立了人類皮膚細(xì)胞與兔子卵細(xì)胞種間融合的方法

9、，為人胚胎干細(xì)胞研究提供了新的途徑。 8、2008年1月美國加利福尼亞州從事干細(xì)胞研究的Stemagen公司采用克隆多利的技術(shù)來建立人體晶胚，首次宣布由人體細(xì)胞成功克隆人體胚胎，雖然這些比針頭還要小的晶胚細(xì)胞只存活了5天時(shí)間，它們卻被視為治療阿爾茨海默癥、帕金森氏癥等疾病的一個(gè)里程碑.9、2009年2月2日山東省干細(xì)胞工程技術(shù)研究中心宣布首次成功克隆人類囊胚，此研究選擇了健康卵細(xì)胞志愿捐獻(xiàn)者12人，經(jīng)過促排卵共獲得135枚卵細(xì)胞，其中77枚卵細(xì)胞進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，58枚卵細(xì)胞用于實(shí)驗(yàn)，最終成功獲取囊胚5枚。其中4枚囊胚的供體細(xì)胞來源于正常人皮膚纖維細(xì)胞，1枚來源于帕金森患者外周血淋巴細(xì)胞。因而，揭

10、示了在構(gòu)建胚胎發(fā)育過程中的部分科學(xué)和技術(shù)問題，這使治療性克隆研究向前邁進(jìn)了一大步。五、應(yīng)用前景1、 研究體外細(xì)胞分化的理想材料 ES細(xì)胞在添加抑制因子的培養(yǎng)液中,能夠維持不分化的狀態(tài)。在培養(yǎng)液中加入分化誘導(dǎo)因子,如牛黃酸、丁酰環(huán)腺苷酸等化學(xué)物質(zhì)時(shí),就可以誘導(dǎo)ES細(xì)胞向不同類型的組織細(xì)胞分化,這為揭示細(xì)胞分化和細(xì)胞凋亡的機(jī)理提供了有效的手段。2、 治療疾病 用神經(jīng)細(xì)胞治療神經(jīng)變性疾病（帕金森綜合癥、脊髓損傷、阿爾茲海默病），肝細(xì)胞治療肝炎、骨骼肌 細(xì)胞治療肌營養(yǎng)不良，胰島細(xì)胞治療糖尿病，心肌細(xì)胞 修復(fù)壞死的心肌等12。另外 ，目前，ES 細(xì)胞作為組織工程的種子細(xì)胞，已在體外培養(yǎng)膀胱組織、胰腺、皮

11、膚和角膜 等方面取得成功11。3、 畜牧業(yè)和制藥 實(shí)驗(yàn)研究表明，ES細(xì)胞可提高基因轉(zhuǎn)移效率，因此，ES細(xì)胞系對于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物與克隆動(dòng)物生產(chǎn)（如稀有動(dòng)物）、高效率產(chǎn)品的生產(chǎn)、藥物制造等具有重要的利用價(jià)值【9，10】。4、 器官移植 對胚胎干細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng),經(jīng)過誘導(dǎo)分化,形成相應(yīng)的組織和器官,可以用于組織器官的移植,使體內(nèi)病變的組織器官得以修復(fù)并恢復(fù)正常功能。而且用自體的細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)后移植還可以避免異體移植所帶來的免疫排斥問題。目前,在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面,用ES細(xì)胞誘導(dǎo)分化出的某些組織細(xì)胞已成功地治愈肝衰竭、心衰竭、成骨不良等疑難病癥。也許在不久的將來,當(dāng)我們的身體某一類細(xì)胞功能出現(xiàn)異?；蛲嘶瘯r(shí),就可以

12、通過誘導(dǎo)ES細(xì)胞定向分化來及時(shí)修補(bǔ)13。5、克隆動(dòng)物胚胎干細(xì)胞在理論上具有可以無限地傳代增殖,而且不改變其基因型和表現(xiàn)型的特點(diǎn)。如果以胚胎干細(xì)胞細(xì)胞作為核供體進(jìn)行核移植,可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量基因型和表現(xiàn)型完全相同的個(gè)體,這在保護(hù)珍稀野生動(dòng)物方面有著重要意義。還可對胚胎干細(xì)胞進(jìn)行遺傳操作,通過細(xì)胞核移植生產(chǎn)遺傳修飾性動(dòng)物,有可能創(chuàng)造新的物種。6、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物目前常用的生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的方法是向受精卵中注射DNA。外源基因的整合、表達(dá)和篩選工作是在個(gè)體水平上進(jìn)行的,不僅工作繁瑣、周期較長、成功率低,而且后代的遺傳性狀也常出現(xiàn)分離;而利用胚胎干細(xì)胞作為基因載體,得到基因整合的細(xì)胞,將載體胚胎干細(xì)胞直接

13、進(jìn)行核移植或者通過與胚胎嵌合獲得嵌合動(dòng)物, 胚胎干細(xì)胞在嵌合體中分化發(fā)育成全能性的生殖細(xì)胞,即可以得到攜有目的基因的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。一個(gè)優(yōu)良的ES細(xì)胞系不僅可以用于各種目的基因轉(zhuǎn)化,用各種方法將外源DNA導(dǎo)入細(xì)胞,而且外源基因的整合數(shù)目、位點(diǎn)、表達(dá)程序以及穩(wěn)定性等都可以在細(xì)胞水平上進(jìn)行加工、篩選,在很大程度上加快了動(dòng)物遺傳工程的進(jìn)程。7、胚胎干細(xì)胞在哺乳動(dòng)物個(gè)體發(fā)育中的應(yīng)用由于ES細(xì)胞可以分化為胚胎的內(nèi)胚層、中胚層和外胚層中任何一類細(xì)胞,于是可以將帶有遺傳標(biāo)記的ES細(xì)胞注入早期胚胎的囊胚腔,通過組織化學(xué)染色,了解ES細(xì)胞的分化特點(diǎn),這就為研究胚胎發(fā)育過程中的細(xì)胞分化及組織和器官形成的規(guī)律,進(jìn)而研究

14、動(dòng)物體器官形成的時(shí)間、發(fā)育過程以及影響的因素等提供了可能。 總之，ES細(xì)胞應(yīng)用前景非常廣闊，1999年，Science將人ES細(xì)胞研究成果評為當(dāng)年世界十大科技進(jìn)展之首，2000年Time周刊將其列為20世紀(jì)十大科技成就之首，并認(rèn)為ES細(xì)胞和人類基因組將同時(shí)成為新世紀(jì)最具發(fā)展和應(yīng)用前景的領(lǐng)域14。六、胚胎干細(xì)胞研究中存在的問題 雖然作為十大科技之首，應(yīng)用前景非常廣闊，但胚胎干細(xì)胞(特別是人胚胎干細(xì)胞) 的研究與應(yīng)用卻面臨著巨大的挑戰(zhàn)。主要有以下幾方面的原因：1、 ES細(xì)胞在體外定向誘導(dǎo)難度大 ES細(xì)胞在治療前必須事先在體外被誘導(dǎo)分化為某種特異的組織細(xì)胞，否則直接移植有發(fā)生畸胎瘤的危險(xiǎn)。2、 免疫

15、排斥 免疫排斥仍是目前異體ES細(xì)胞移植的最大障礙。盡管誘人設(shè)想提出對ES細(xì)胞的基因作某些修飾，從而創(chuàng)建適合所有個(gè)體的“萬能供者細(xì)胞”，即通用的ES系。但這種方法需要破壞和改變細(xì)胞中許多基因，安全性得不到保障12。3、 人ES細(xì)胞來源匱乏（1） 倫理道德 因?yàn)槿薊S細(xì)胞需要取自胚胎，而多數(shù)人認(rèn)為殺死胚胎就是毀滅生命，侵犯人權(quán)，特別是對治療性克隆的爭議更大，不僅要?dú)⑺琅咛?，還容易犯克隆人的錯(cuò)誤15。（2） 成功率不高 目前科學(xué)家對人ES細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增時(shí)如何保持其不分化，即體外建系的最佳條件不清楚，因此人E細(xì)胞建系的成功率不高12。值得一提的是，由于核轉(zhuǎn)移效率問題，目前的治療性克隆技術(shù)仍然不能解決ES

16、細(xì)胞的來源問題。因?yàn)閾?jù)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)人ES系的成功誘導(dǎo)至少需要280個(gè)人卵細(xì)胞16。雖然人-牛等異種重構(gòu)胚可解決人卵細(xì)胞的來源匱乏的問題，但這又存在嚴(yán)重的安全性與倫理學(xué)諸問題17。參考文獻(xiàn)：1李志勇·細(xì)胞工程（第二版）M.北京：科學(xué)出版社，2010.159-160.2 Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of pluripoteial cells from mouse embryos J. Nature, 1981, 292(5819): 154-56.3 Martin G. Isolation of a pluripotenti

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