細胞生物學干細胞及其利用

細胞生物學干細胞及其利用第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三教學要求1、掌握：干細胞的概念、分類；干細胞的生物學特征；胚胎干細胞的概念和生物學特征。2、熟悉：成體干細胞的種類；腫瘤干細胞的概念和來源。3、了解：干細胞增殖和分化的調控、干細胞的定向誘導分化、干細胞的應用；第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三新聞1、“萬能的皮膚細胞”——皮膚細胞造精子皮膚細胞變“心臟”2、世界首例干細胞氣管移植手術完成第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三皮膚細胞造精子英國紐卡斯爾大學的科學家用皮膚干細胞首次制造出了人類精子。這對成千上萬的不育男性來說無疑是個福音，也許只是從身上取下一小塊皮膚，就可以讓他們做父親。不過，這一尖端技術引起了醫(yī)學和倫理上的爭議，因為這意味著可以完全憑人工手段生孩子，甚至讓死了很長一段時間的男子也可以做“父親”。用皮膚細胞制造精子的過程：先將這些細胞放入用特殊培養(yǎng)基中培養(yǎng)，使細胞的生物鐘回到胚胎干細胞階段，之后再轉變成精子。最后，利用試管受精技術將這些人造精子注入卵子，使卵子受精，這樣就可以讓那些自身不能產(chǎn)精的男子有自己的孩子。第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三皮膚細胞變“心臟”新加坡國家心臟中心一組科研人員取得重大醫(yī)學突破，他們通過無菌的方式，成功將人體皮膚改造成人類誘導多能干細胞，并培育出與普通心臟一樣具有脈搏跳動功能的心肌細胞，希望以此為心臟衰竭病患提供多一種治療方式。由于皮膚組織來自于病患本身，改造后的細胞特性與體內細胞相同，因此在植入身體后，不必擔心會產(chǎn)生排斥反應，也不需要用到免疫抑制藥物?！钡谖屙摚菜氖?，編輯于2023年，星期三世界首例干細胞氣管移植手術完成日前，英國和意大利兩國醫(yī)生聯(lián)合完成世界首例氣管移植手術。這個手術的特別之處在于，植入患者體內的捐獻者的氣管已經(jīng)被剝離掉細胞，只剩一個“架子”，而醫(yī)生則將從患者體內提取的干細胞注入這個“架子”中。這樣，最終長成后的氣管就不會產(chǎn)生任何排異現(xiàn)象，從而攻克了氣管移植手術抗排異難這一世界性難題。據(jù)悉，利用這種氣管手術的原理，醫(yī)生們還可以移植聲帶和食道等組織。如果未來推廣到全世界，將使萬千病人解除病痛，從此可以輕松地生活。第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)干細胞概述

一、干細胞的概念1、干細胞（stemcell）：是指具有無限或較長期的自我更新（self-renewal）能力，并能產(chǎn)生至少一種高度分化子代細胞的細胞。它存在于人體或動物個體發(fā)育各個階段的組織器官中，是各種分化細胞或特化細胞的初始來源。

概述第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)干細胞概述概述根據(jù)分化潛能的高低：全能干細胞多能干細胞單能干細胞

根據(jù)細胞來源時期不同:

胚胎干細胞

成體干細胞一、干細胞的概念2、干細胞的分類第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三全能干細胞（totipotentstemcell）：能發(fā)育為一個完整個體的原始細胞。（受精卵、人體8-16細胞以前的卵裂球）多能干細胞（pluripotentstemcell）：來源于囊胚腔的內細胞團，失去發(fā)育為完整個體的能力，但理論上具有分化形成個體多種細胞的細胞。（胚胎干細胞、胚胎生殖細胞、骨髓基質干細胞）單能干細胞（monopotentstemcell）：只能向密切相關的一種或少數(shù)幾種類型的細胞分化的細胞。（上皮組織基底層的干細胞、肌肉中成肌細胞）。第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三胚胎干細胞(embryonicstemcell；EScell)：存在于早期胚胎組織中、具有高度增殖能力和多向分化潛能，但尚未分化的干細胞。成體干細胞（adultstemcell）：存在于成體各組織器官的未分化細胞，在體內具有終生自我更新能力和分化潛能。第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三二、干細胞的生物學特性（一）干細胞的形態(tài)和生化特征1、形態(tài)特征通常呈圓形或橢圓形，體積較小，核質比例相對較大。

第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三二、干細胞的生物學特性（一）干細胞的形態(tài)和生化特征1、形態(tài)特征2、生化特征干細胞都具有較高的端粒酶活性；不同的干細胞具有不同的生化標志。如：nestin為神經(jīng)干細胞的標志分子；角蛋白15是確定毛囊中表皮干細胞的標志分子；CD34是造血干細胞的標志分子等等。

干細胞的生化特性常被用作鑒定干細胞在組織中的存在和評價其分化程度的標志。第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三二、干細胞的生物學特性（二）干細胞的增殖特性1、緩慢性2、自穩(wěn)性第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三1、緩慢性干細胞自身的增殖非常緩慢。干細胞意義:①有利于干細胞對特定的外界信號作出反應，以決定進行增殖還是進入特定的分化程序；②可以減少基因發(fā)生突變的危險，使干細胞有更多的時間發(fā)現(xiàn)和校正復制錯誤，具有防止體細胞自發(fā)突變的作用。

一般情況下，干細胞處于休眠或緩慢增殖狀態(tài)，當其接受刺激而進行分化時，需產(chǎn)生過渡類型細胞再到分化細胞。第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三1、緩慢性干細胞自身的增殖非常緩慢。干細胞短暫增殖細胞短暫增殖細胞：分裂速度快。意義：可使少量干細胞產(chǎn)生較多的分化細胞，同時保護干細胞。

在干細胞到分化細胞的發(fā)育過程中，有兩種過渡類型的細胞——短暫增殖細胞和祖細胞。祖細胞：為前體細胞，經(jīng)過幾次分裂后，產(chǎn)生的細胞為終末分化細胞。祖細胞第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三2、自穩(wěn)性干細胞通過自我更新以維持自身數(shù)目恒定。干細胞短暫增殖細胞祖細胞（1）對稱分裂（symmetrydivision）：當干細胞分裂時，產(chǎn)生的2個子代細胞都是干細胞或都是分化細胞．（2）不對稱分裂（asymmetrydivision）：當干細胞分裂時，產(chǎn)生一個子代干細胞和一個子代分化細胞．第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三2、自穩(wěn)性在個體的發(fā)育過程中，干細胞通過自我更新以維持自身數(shù)目恒定。是區(qū)別于腫瘤細胞的本質特征。（1）對稱分裂（symmetrydivision）：當干細胞分裂時，產(chǎn)生的2個子代細胞都是干細胞或都是分化細胞．（2）不對稱分裂（asymmetrydivision）：當干細胞分裂時，產(chǎn)生一個子代干細胞和一個子代分化細胞．第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三（1）在正常生理狀態(tài)下，干細胞多以不對稱分裂方式用于補充組織在自我更新過程中衰老和死亡的細胞。（不對稱分裂使機體對干細胞的調控更具有靈活性，可以更靈活地應對機體生理變化的需要。）

（2）在創(chuàng)傷等應激狀態(tài)時，由于需要大量的細胞代替和補充壞死的組織細胞，干細胞的分裂方式可能就不再局限于不對稱方式，可以以對稱分裂的方式快速增殖。2、自穩(wěn)性第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三1、干細胞的分化潛能

干細胞分化具有多潛能性，不同干細胞的分化潛能不同。

干細胞可按其分化潛能分為：全能干細胞、多能干細胞和單能干細胞。

（三）干細胞的分化特征二、干細胞的生物學特性第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三1、干細胞的分化潛能

2、干細胞的轉分化和去分化

目前的研究發(fā)現(xiàn)，成體干細胞具有一定的可塑性（plasticity），即不同組織來源的成體干細胞之間可相互轉化。包括干細胞的轉分化和去分化。

（三）干細胞的分化特征二、干細胞的生物學特性第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三一種組織類型的干細胞在適當條件下可以分化為另一種組織類型的細胞，稱為干細胞的轉分化。1997年，研究首次證明成年動物的造血干細胞可分化成為腦的星形膠質細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞。目前，類似的發(fā)現(xiàn)還包括成體造血干細胞分化成為肌細胞、肝細胞；神經(jīng)干細胞轉化為造血干細胞等等。

第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)胚胎干細胞概念：

胚胎干細胞：是指存在于早期胚胎中，具有多向分化潛能和較長期地進行自我更新的細胞。包括：

囊胚內細胞團的胚胎干細胞（ES細胞）早期胎兒（5-9周）原始生殖嵴的生殖干細胞（EG細胞）第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三一、生物學特性1、形態(tài)特征：

圓形；細胞體積??；核質比例高，細胞核明顯，有一個或多個核仁，染色質較分散；核型正常、二倍體；細胞質內散布著大量的核糖體和線粒體。第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三2、生長特征：

體外培養(yǎng)細胞呈多層集落狀生長，緊密堆積在一起，無明顯細胞界限，形似鳥巢。一、生物學特性關鍵:維持干細胞的未分化狀態(tài)。

飼養(yǎng)層細胞（成纖維細胞株）培養(yǎng)體系無飼養(yǎng)層培養(yǎng)體系第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三3、生化特征

（1）表面抗原：胚胎階段性特異抗原（stage-specificembryonicantigens,SSEA）一、生物學特性SSEA是一種糖蛋白，在胚胎發(fā)育早期表達，常作為胚胎干細胞的標志之一，具有種屬特異性。

如：人的ES細胞表達SSEA-3、SSEA-4，而小鼠的ES細胞表達SSEA-1；第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三3、生化特征

（1）表面抗原：階段特異性胚胎抗原一、生物學特性（2）堿性磷酸酶（AKP）

堿性磷酸酶（AKP）是鑒定胚胎干細胞分化與否的標志之一。

（3）端粒酶

胚胎性干細胞端粒酶持續(xù)高水平表達；使這些細胞在分裂后保持端粒長度，維持細胞的分裂增殖能力。第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三4、分化潛能

人胚胎干細胞具有分化形成外、中、內三個胚層的潛能。一、生物學特性第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三二、胚胎干細胞定向誘導分化

定向分化：在適宜條件下，使胚胎干細胞按照人們的意愿分化為某一特定譜系的細胞，稱為胚胎干細胞的定向分化。

第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三1、基因功能研究2、發(fā)育機制研究3、藥物監(jiān)測系統(tǒng)的構建4、細胞替代療法和組織器官移植三、胚胎干細胞的應用

第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三四、誘導性多能干細胞

人胚胎干細胞的主要來源：

流產(chǎn)的胎兒和體外受精制造的胚胎

第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三2001年8月，美國時任總統(tǒng)布什宣布對胚胎干細胞研究設限，規(guī)定聯(lián)邦政府對胚胎干細胞研究的資助僅限于研究當時已有的胚胎干細胞，不得資助從新胚胎中提取干細胞進而開展研究。2009年3月，美國總統(tǒng)奧巴馬前天簽署行政令，推翻2001年禁用政府經(jīng)費資助人類胚胎干細胞研究的條例，科學家為此鼓掌、支持者高聲歡呼。

干細胞研究經(jīng)費解禁科學界對奧巴馬新政歡呼（2009-03-11）第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三

人胚胎干細胞的主要來源：

流產(chǎn)的胎兒和體外受精制造的胚胎

誘導產(chǎn)生的多功能干細胞（ｉＰＳ細胞）

四、誘導性多能干細胞

第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三誘導產(chǎn)生的多功能干細胞（ｉＰＳ細胞）2006年,Takahashi和Yamanaka將幾個轉錄因子導入已分化的小鼠皮膚成纖維細胞,進而獲得了類似于胚胎干細胞(embryonicstemcells,ES細胞)多能性干細胞,稱之為“誘導產(chǎn)生的多能性干細胞”(inducedpluripotentstemcells,iPS細胞).這一研究明確地證實了分化的細胞可以通過少數(shù)幾個因子的外源導入而被重編程到具有多能性的狀態(tài),因而受到了整個生命科學領域的廣泛關注。２００７年１１月，美國和日本科學家分別宣布獨立發(fā)現(xiàn)將普通皮膚細胞轉化為干細胞的方法，得到的干細胞稱為誘導多功能干細胞，這一發(fā)現(xiàn)分別被《自然》和《科學》雜志評為２００７年第一和第二大科學進展。第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三２００８年４月，美國加利福尼亞大學科學家報告稱，他們將實驗鼠皮膚細胞改造成ｉＰＳ細胞，然后成功使其分化成心肌細胞、血管平滑肌細胞及造血細胞。

２００９年２月，日本東京大學科學家宣布，成功利用人類皮膚細胞制成的ｉＰＳ細胞培育出血小板，而且從技術上說用ｉＰＳ細胞培育人類紅細胞和白細胞都是可能的；緊接著，日本慶應大學科學家又宣布，成功用實驗鼠的ｉＰＳ細胞培育出鼠角膜上皮細胞。

２００９年３月伊始，ｉＰＳ細胞研究便相繼迎來兩項重大突破。英國和加拿大科學家發(fā)現(xiàn)了不借助病毒、安全將普通皮膚細胞轉化為ｉＰＳ細胞的方法；美國科學家則在《細胞》雜志上宣布，他們可以將ｉＰＳ細胞中因轉化需要而植入的有害基因移除，且保證由此獲得的神經(jīng)元細胞的基本功能不受影響。

誘導產(chǎn)生的多功能干細胞（ｉＰＳ細胞）第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三２００９年７月，ｉＰＳ細胞研究在臨床應用道路上又邁出非常重要的一步。據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站２３日報道，中國科學家周琪和高紹榮等人利用ｉＰＳ細胞克隆出活體實驗鼠，首次證明ｉＰＳ細胞具有全能性。該成果讓人們看到了ｉＰＳ細胞具有實用性。繼前不久在世界上首次得到完全由誘導多能干細胞（即iPS細胞）發(fā)育的小鼠之后，中國科學家在iPS細胞研究領域又取得重大進展：首次從孕婦產(chǎn)前的羊水細胞中高效快速建立iPS細胞，所需時間只有6天，為目前人類iPS細胞相關報道中最短。美國《時代》周刊在其網(wǎng)站上公布了2010年十大醫(yī)學突破名單，其中“可降低HIV感染風險的抗艾滋病藥”、“人工合成細胞”、“老年性癡呆癥的血液檢測”及“更快更安全培育iPS細胞”等成果入選。誘導產(chǎn)生的多功能干細胞（ｉＰＳ細胞）第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三成體干細胞（adultstemcell）:

成體組織中具有自我更新能力及能分化產(chǎn)生一種或一種以上子代組織細胞的未成熟細胞。成體干細胞的進一步分化是成年機體組織損傷修復和再生的保證，維持組織細胞功能的穩(wěn)態(tài)。干細胞廣泛存在于各種組織中。第三節(jié)成體干細胞第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)成體干細胞第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三胚胎干細胞與成體干細胞的比較相同點：成體干細胞和胚胎干性細胞一樣，具有自我更新的能力，并可在適宜條件下分化形成特殊形態(tài)和特定功能的子細胞（分化潛能）。

第四十