第四章 動物干細胞

1、第四章 動物干細胞 第一節(jié)第一節(jié) 干細胞的概念和分類干細胞的概念和分類 一、概念一、概念干細胞（干細胞（Stem cellStem cell）是一類具有自我更新和分化潛能的細胞）是一類具有自我更新和分化潛能的細胞, ,能產能產生表型和基因型與自己完全相同的子細胞，并具有不同分化潛能。生表型和基因型與自己完全相同的子細胞，并具有不同分化潛能。胚胎干細胞胚胎干細胞 形態(tài)特征：形態(tài)特征：圓形或橢圓形，體積小，核質比大；圓形或橢圓形，體積小，核質比大； 生化特征：生化特征：較高的端粒酶活性；一般都有獨特的表較高的端粒酶活性；一般都有獨特的表 面標志；面標志； 增殖特征增殖特征: : 自穩(wěn)定性：自穩(wěn)定性

2、：單細胞或無脊椎動物單細胞或無脊椎動物不對稱分裂不對稱分裂 哺乳動物哺乳動物種群意義上的不對稱分裂種群意義上的不對稱分裂 分化特征：分化特征：是干細胞最重要的特征。干細胞本生不是干細胞最重要的特征。干細胞本生不 是終末分化細胞，具有再分化的潛力。是終末分化細胞，具有再分化的潛力。干細胞的主要生理特征：干細胞的主要生理特征： 二、分類二、分類 一）根據發(fā)生來源分類 胚胎干細胞：胚胎干細胞： 成體干細胞：成體干細胞： 來自早期胚胎（來自早期胚胎（ESCESC）、原始生殖細胞）、原始生殖細胞（PGCPGC）、或畸胎瘤組織（）、或畸胎瘤組織（ECEC）等）等如骨髓造血干細胞（如骨髓造血干細胞（HSCH

3、SC），間質干細胞），間質干細胞（MSCMSC），神經干細胞（），神經干細胞（NSCNSC） ESC什么是畸胎瘤 如果在胚胎不同時期，某些多能細胞從整體上分離或脫落下來，使細胞基因發(fā)生突變，分化異常，則可發(fā)生胚胎異常。 一般認為，這種分離或脫落發(fā)生于胚胎早 期，則形成畸胎；而如發(fā)生于胚胎后期，則形成了具有內胚層、中胚層和外胚層三個胚層的異常分化組織，即形成了畸胎瘤。 鼻咽畸胎瘤淋巴管瘤生殖嵴與PGC（原始生殖細胞）成體干細胞：神經干細胞 二）根據分化潛能分類 全能干細胞：如ESC 多能干細胞：如造血干細胞、間充質干細胞 定向祖細胞：如造血母細胞等。 專能干細胞：皮膚干細胞，成肌細胞等 三）根據

4、干細胞存在的組織器官分類 胚胎干細胞 造血干細胞 神經干細胞 肝臟干細胞 皮膚干細胞 肌肉干細胞等第二節(jié) 胚胎干細胞 通過建立體外培養(yǎng)的方法，獲得保持增殖且不分化的胚胎干細胞系的技術稱為胚胎干細胞的建系。 一、胚胎來源的干細胞系（p132 圖6-1） 1. 囊胚階段的內細胞團（囊胚階段的內細胞團（ICM） 2. 來源于生殖嵴部位的原始生殖細胞（PGC） 3. 來源于畸胎瘤組織（EC）二、胚胎干細胞的建系 主要步驟包括： 1. 培養(yǎng)體系的選擇和準備 2. 胚胎采集 3. ICM的獲取 4. ICM的離散 5. ESC的建系1. 培養(yǎng)體系的選擇和準備 飼養(yǎng)層細胞的準備： 飼養(yǎng)層細胞一方面對ESC細

5、胞帖壁起支持作用，另一方面其分泌蛋白可抑制ESC分化，維持其增殖特性和多能性。 常用飼養(yǎng)層細胞為成纖維細胞（如STO成纖維細胞系）、子宮內皮細胞、3T3細胞株等。 為了阻斷飼養(yǎng)層細胞的分裂，而不影響其分泌蛋白的產生，通常采用射線或絲裂霉素C處理之。 培養(yǎng)基的準備： 用DMEM（高糖）培養(yǎng)液，其中胎牛血清的濃度和質量很重要，還要加非必須氨基酸；-巰基乙醇。 常采用添加LIF等抑制ESC的分化潛能；添加EGF等生長因子來促進ESC的增殖。LIF抑止胚胎干細胞分化的信號通路 LIF 干細胞表面的LIF受體和gp130蛋白形成異二聚體 激活JAK酪氨酸激酶系統(tǒng) 激活MAP激酶ERK級聯反應和STAT3

6、蛋白 STAT3形成同型二聚體入核 激活核內靶基因轉錄 表達相應蛋白抑止ESC的分化 2. 胚胎的采集 一般囊胚期胚胎或后桑葚胚。 3. ICM的獲取 1）直接分離法：囊胚于飼養(yǎng)層上自行發(fā)育成孵化囊胚，待ICM擴大增殖時挑取。或使用鏈霉蛋白酶處理ZP，獲得裸胚培養(yǎng)。 2）免疫分離法：鏈霉蛋白酶去除囊胚晚期胚泡ZP，依次轉移至補體滅活和未滅活的抗血清中，去除滋胚層細胞后，吸取ICM，移至飼養(yǎng)層培養(yǎng)。 4. ICM的離散 胰蛋白酶消化即可離散ICM。 5. 胚胎干細胞建系三、胚胎干細胞的應用 研究意義研究意義 人胚胎發(fā)育機制及影響因素的研究。人胚胎發(fā)育機制及影響因素的研究。 用于藥物機理及毒性實驗

7、的研究，減少人體用于藥物機理及毒性實驗的研究，減少人體和動物的實驗及臨床研究。和動物的實驗及臨床研究。 將胚胎干細胞定向分化的細胞用于制造人體將胚胎干細胞定向分化的細胞用于制造人體細胞、組織和器官。細胞、組織和器官。 第三節(jié)、胚胎干細胞的生物學特性與鑒定方法 一、生物學特性 增殖與分化特征：增殖與分化特征： 永生化(immortal)； 能維持穩(wěn)定的正常的二倍體染色體結構； 有穩(wěn)定的發(fā)育潛能，能被誘導增殖或分化； 能參與胎兒所有組織的發(fā)育過程；形態(tài)特征形態(tài)特征體積小、核大，有一個或多個核仁；體積小、核大，有一個或多個核仁；胚胎干細胞克隆緊密堆積，細胞之間無明顯的胚胎干細胞克隆緊密堆積，細胞之間

8、無明顯的界限，細胞克隆有一定形狀規(guī)律。界限，細胞克隆有一定形狀規(guī)律。生化特征生化特征具有具有堿性磷酸酶堿性磷酸酶和和端粒酶端粒酶活性；活性；表達表達SSEA-3SSEA-3、SSEA-4SSEA-4、TRA-1-60TRA-1-60等表面標志；等表面標志；表達表達OCT-4OCT-4蛋白；蛋白；人胚胎干細胞的表面標志Otc4基因 Otc4基因被認為在整個卵子生成和囊胚附殖前以及早期外胚層中都表達，是受精卵全能性的關鍵。 Otc4基因只能在胚胎中才能得到完全表達，而在成體動物體細胞中的表達基本上被關閉。這就意味著克隆人技術的第一步就存在很大問題。所以Otc4也被稱為克隆人終結者。二、胚胎干細胞的

9、鑒定方法 1. 形態(tài)鑒定： 核質比大，體積小，細胞集落小鼠呈鳥巢狀，牛、豬等呈饅頭狀，人呈扁平、松散聚合體。 2. 核型分析： 二倍體核型，染色體受損情況等。 3. ESC特異性表面抗原表達的鑒定： 小鼠ESC以SSEA-1為主，人以SSEA-3、SSEA-4為主。此外，ALP、Otc-4等都可作為表面標志。 4. 端粒酶活性鑒定： 端粒長度及端粒酶活性檢測。 5. 體內外分化能力鑒定：體內外分化能力鑒定：胚胎小體（EB，或稱擬胚體） 改變細胞的培養(yǎng)條件: 改變細胞的培養(yǎng)條件是ES細胞定向分化的基本策略,常用的方法有:與輔助細胞共培養(yǎng);在半固體培養(yǎng)基中原位生長分化;添加生長因子、化學誘導劑等。

10、 導入外源性基因,使其分化為某一特定類型的細胞。 體內定向分化,使ES 細胞多數分化為該組織特異性的細胞。三、胚胎干細胞定向誘導分化的方三、胚胎干細胞定向誘導分化的方法法胚胎干細胞的誘導分化：胚胎干細胞的誘導分化： 胎牛血清，骨髓基質細胞共培養(yǎng)胎牛血清，骨髓基質細胞共培養(yǎng)胚胎干細胞胚胎干細胞造血細胞造血細胞 RARA胚胎干細胞胚胎干細胞神經細胞神經細胞 DMSODMSO胚胎干細胞胚胎干細胞肌肉細胞肌肉細胞 TGF-B1, VEGF, bFGFTGF-B1, VEGF, bFGF胚胎干細胞胚胎干細胞血管和內皮細胞血管和內皮細胞 RA+RA+胰島素胰島素+T3+T3胚胎干細胞胚胎干細胞脂肪細胞脂肪

11、細胞 BMP-2, BMP-4BMP-2, BMP-4胚胎干細胞胚胎干細胞軟骨細胞軟骨細胞 地塞米松，磷酸甘油地塞米松，磷酸甘油胚胎干細胞胚胎干細胞骨細胞骨細胞 基因轉染基因轉染胚胎干細胞胚胎干細胞胰島素分泌細胞胰島素分泌細胞人胚胎干細胞注射至免疫缺陷小鼠的后腿肌肉中形成的各種組織：（a）腸樣結構；(b)神經上皮花結；(c）骨骼；(d)軟骨 ；(e)橫紋??；(f)腎。 A.小鼠成纖維飼養(yǎng)細胞上培養(yǎng)8天后的ICM（標尺100um）B.ICM中分離出的H9細胞系（標尺100um）C. H9細胞系（標尺50um）D.在無小鼠胚胎成纖維細胞，但有LIF（20ng/ml）的條件下培養(yǎng)5d后，H9細胞發(fā)生

12、分化（標尺100um）第四節(jié)、成體干細胞 一、概念和生物學特征 概念： 指一群分布在成體組織中尚未分化的、具有自我更新、并負有構建和補充某種組織的各種類型細胞潛能的干細胞。 生物學特征： 1、慢周期性 2、自我更新和再生能力的有限性 3、不對稱分裂 4、細胞鑒定標志 造血干細胞是體內各種血細胞的唯一來源，它主要存在于骨髓、外周血、臍帶血中。 造血干細胞的移植是治療血液系統(tǒng)疾病、先天性遺傳疾病以及多發(fā)性轉移性腫瘤疾病的最有效方法。 與骨髓移植和外周血干細胞移植相比，臍血干細胞移植的長處在于無來源的限制，對HLA配型要求不高，不易受病毒或腫瘤的污染。 骨髓；1/400 外周血；1/100000 臍

13、帶血；1/10000 胎兒造血系統(tǒng)； 胚胎干細胞和胚胎生殖細胞。 二、成體干細胞的分離與鑒定（以HSC為例） 無菌采集骨髓 低滲處理 密度梯度離 心 獲單核細胞 CD34抗體標記 流式細胞儀分離結合免疫吸附分離 鑒定。Culturing Hematopoietic Stem Cell如造血干細胞的鑒定：如造血干細胞的鑒定： 細胞形態(tài) ：集落呈非貼壁生長，細胞形態(tài)較小 細胞表面標志：flk-1（Fetal Liver Kinase 1); L/TAL-1； CD34；GATA-1； 基因表達：TAL-1；GATA-2 ；H1；主要珠蛋白 體外移植：漿細胞移植給患者能恢復造血功能，并且二次移植仍可

14、重建造血系統(tǒng)。 移植前處理:超大劑量的放療、化療盡量消滅腫瘤細胞，同時抑制患者的免疫系統(tǒng)，使供體者的造血干細胞可以順利植入。 采集供體者的造血干細胞（骨髓、外周血、臍帶血），并與受體進行HLA配型； 將造血干細胞輸入到受體者體內，造血干細胞會自動定居到脊髓。三、成體干細胞的應用：細胞移植技術 細胞類型細胞類型 治療的疾病治療的疾病神經細胞神經細胞 中風、帕金森氏病、老年癡呆癥、中風、帕金森氏病、老年癡呆癥、 脊髓損傷、多發(fā)性硬化病脊髓損傷、多發(fā)性硬化病心肌細胞心肌細胞 心臟病發(fā)作、充血性心臟病心臟病發(fā)作、充血性心臟病產生胰島素的細胞產生胰島素的細胞 糖尿病糖尿病軟骨細胞軟骨細胞 骨性關節(jié)炎骨性

15、關節(jié)炎血細胞血細胞 癌癥、免疫缺乏癥、遺傳學血液癌癥、免疫缺乏癥、遺傳學血液 病、白血病病、白血病肝細胞肝細胞肝炎、肝硬化肝炎、肝硬化皮膚細胞皮膚細胞燒傷燒傷骨細胞骨細胞骨質疏松癥骨質疏松癥視網視網(眼眼)細胞細胞黃斑癥黃斑癥骨骼肌細胞骨骼肌細胞 肌肉萎縮癥肌肉萎縮癥四、干細胞技術研究面臨的問題四、干細胞技術研究面臨的問題 用于干細胞研究的胚胎來源困難用于干細胞研究的胚胎來源困難; ; 如何保持干細胞的全能性，并控制向特別類型細胞如何保持干細胞的全能性，并控制向特別類型細胞轉化？轉化？ 如何分離、純化干細胞？如何分離、純化干細胞？ 分化后的細胞是否有致瘤性？分化后的細胞是否有致瘤性？ 干細胞在

16、體外發(fā)育成完整的器官尚難以做到干細胞在體外發(fā)育成完整的器官尚難以做到; ; 分化細胞移植仍有可能發(fā)生免疫排斥分化細胞移植仍有可能發(fā)生免疫排斥; ; 倫理問題倫理問題 作業(yè)題 1、什么是干細胞？如何分類？ 2、干細胞有什么生物學特性？ 3、簡述來源于ICM的胚胎干細胞分離方法。 4、ESC培養(yǎng)時常用的飼養(yǎng)層細胞有哪些？其作用是是什么？ 5、什么是成體干細胞？有哪些種類？補充知識：組織工程.組織工程的概念應用工程學和生命科學的原理和方法，研究細胞、組織誘導因子和生物材料間相互作用的關系，研制生物性替代物用以修復或重建組織器官的結構，維持、恢復和改善病損組織或器官的功能。 1993年Langer及V

17、acanti兩位學者在著名的”Science”學術期刊上提出組織工程(tissue engineering)的構想，隨後根據此構想將軟骨細胞培養(yǎng)於人耳形狀的生醫(yī)材料上，再植入老鼠背部(上圖)，形成具有耳朵外觀的組織，此一前瞻性技術成為組織工程研究的先驅。 2.組織工程的方法 活體組織細胞分離 與胞外基質分子混合 細胞體外培養(yǎng)擴增形成組織 移植到體內.組織工程的三要素細胞、支架、信號細胞、支架、信號（1 1）種子細胞）種子細胞 細胞必須能不斷進行細胞分裂，且必須能被調控分化成特定的組織細胞 干細胞：胚胎干細胞、成體干細胞(如MSC) 組織來源細胞：自體或異體組織細胞Growth factor s

18、timulation（2 2）組織生長支架需求：）組織生長支架需求： 符合生物安全性要求符合生物安全性要求 合適的可生物降解吸收性合適的可生物降解吸收性 合適的孔尺寸、高孔隙率和相連的孔形態(tài)合適的孔尺寸、高孔隙率和相連的孔形態(tài) 特定的三維外形特定的三維外形 高表面積和合適的表面理化性質高表面積和合適的表面理化性質 與植入部位組織力學性能相匹配的結構強度與植入部位組織力學性能相匹配的結構強度組織工程支架的來源組織工程支架的來源支架材料支架材料天然高分子材料天然高分子材料合成降解聚合物合成降解聚合物生物陶瓷生物陶瓷生物復合材料生物復合材料不同形態(tài)結構的組織工程生物材料天然高分子材料天然高分子材料蛋白質支架蛋白質支架 膠原膠原 明膠明膠多糖支架多糖支架 海藻酸鹽海藻酸鹽 殼聚糖殼聚糖 透明質酸透明質酸蛋白質多糖支架蛋白質多糖支架合成聚合物材料合成聚合物材料聚丙烯酸及其衍生物聚丙烯酸及其衍生物聚乙二醇及其共聚物聚乙二醇及其共聚物 聚乙烯醇聚乙烯醇聚交酯聚交酯聚乳酸（聚乳酸（PLAPLA）聚（聚（D,L-D,L-乳酸乳酸-co-co-乙醇酸）（乙醇酸）（PLGAPLGA）聚乙交酯（聚乙交酯（PGAPGA）等）等支架設計及制備技術支架設計及制備技術生物陶瓷生物陶瓷磷酸鈣陶瓷磷酸鈣陶瓷聚磷酸鈣聚磷酸鈣羥基磷灰石羥基磷灰石珊瑚（碳酸鈣）珊瑚（碳酸鈣）支架設計及制備技術支架設計及制備