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1、1,干细胞研究及其应用,2,In early October,a Colorado couple has a baby named Adam,whose umbilical cord stem cells could cure his six-year-old sister Mollys Fanconi anemia.,2000年十月发生在美国Colorado的一个故事,3,4,One cell is removed from an eight-cell embryo in preparation for preimplantation genetic diagnosis.,5,Two sep
2、arated blastomeres subjected to FISH analysis to check the chromosomes,6,一、干细胞的概念,干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。,7,干细胞研究成为继人类基因组大规模测序之后最具活力、最有影响和最有应用前景的生命学科研究领域，1999年干细胞研究被美国科学杂志评为1999年度世界十大科学之冠，2000年干细胞研究再次被科学杂志评为该年度世界十大科学成就之一。组织工程是以干细胞研究为基础发展起来，它有望解决临床上急需的人工组织与器官问题，进展极为迅速，已经成为干细胞应用的主要方向。,8,干细胞有几个主要特征干细胞本身不
3、是终末分化细胞；干细胞能无限增殖分裂；干细胞可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止 状态；干细胞分裂产生的子细胞只能有两种命运保持为 干细胞 或分化为特定细胞。,9,10,11,12,1981年Evans和Kaufrnan及Martin首次由小鼠中分离得到鼠的胚胎干细胞。至今已分离得到的胚胎干细胞物种有：金黄地鼠（1988）、貂（1993）、猪（1994，1997）、鸡（1996）、恒河猴（1995）、绒猴（1996）。分离得到人的胚胎干细胞（1998），分离得到人的胚胎生殖细胞（1998），目前不断报道成年组织来源的的干细胞。,13,14,二、干细胞的分类,按分化潜能大小来分类:全能干细胞
4、（Totipotent stem cell）：它具有形成完整个 体的分化潜能。如受精卵，胚胎干细胞。在生物发育学里，当精子和卵子结合成为受精卵后，一个受精卵分裂成为二个完全相同的细胞，二个细胞分裂成为四个细胞、八个细胞，在此时期此八个细胞中任何一个细胞单独放入成熟女性子宫中均可发育成为单独且完整之个体，此种细胞即称为totipotent stem cells。,15,事实上，所谓同卵双胞胎、三胞胎、四胞胎，即为受精卵分裂成二个或四个totipotent stem cells 后，每个细胞单独分开发育，故成为双胞胎或四胞胎，至于三胞胎则为四个totipotent stem cells中的一个在发
5、育过程中不幸未能成熟之故。Totipotent stem cells时期大约仅维持四天，即进入下一阶段之发育，形成特殊分化细胞，称为原始胚囊体（blastocyst）。,16,多能干细胞（pluripotent stem cell），具有分化出多种组织细胞的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力，发育 潜能受到一定的限制。在blastocyst时期，细胞已可被区分成外层之滋养层细胞（trophoblast cells）和内层之内细胞团（innercell mass），中间具有一个囊腔。滋养层细胞将来和子宫壁结合发育成为胎盘，供应胚胎发育所需之营养。内细胞团则发育成为真正人体的所有组织和器官，包括
6、三个胚层。,17,Pluripotent stem cells可分化成为特定组织的干细胞，如血液干细胞（heamatopoitent stem cells）、神经干细胞（neural stem cells）、皮肤干细胞（skinstemcells）等等。这些特定之干细胞仅能发育成为特定组织之分化细胞（end-differentiation cell terminal cells），例如血液干细胞除可不断分裂成为相同之血液干细胞外，亦可接受不同刺激分化成为骨髓细胞和淋巴细胞；骨髓细胞则可进一步分化成为红血球、血小板、嗜中性粒细胞等。,18,19,专能干细胞（multipotent stem ce
7、ll），这类干细胞只能向 一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮组织、基底层干细胞、肌肉中的成肌细胞等。,20,根据来源来分:来源于胚胎-胚胎干细胞 ESC（Embryonic Stem Cell）胚胎性生殖细胞 EGC（Embryonic Germ Cell）来源于成体-成体组织来源的干细胞 ASC（Adult-derived Stem Cell）,21,根据干细胞组织发生的名称进行分类:,胎胎干细胞造血干细胞骨髓间质干细胞肌肉干细胞成骨干细胞内胚层干细胞视网膜干细胞胰腺干细胞,22,三、胚胎干细胞,23,1998年美国有两个小组分别培养出了人多能(pluripotent)干细胞：J
8、ames A.Thomson在 Wisconsin大学领导一个研究小组从人胚胎组织中培养出了干细胞株。他们使用的方法是：人卵体外受精后，将胚胎培育到囊胚阶段，提取 inner cell mass细胞，建立细胞株。经测试这些细胞株的细胞表面 marker 和酶活性，证实它们就是胚胎干细胞。用这种方法，每个胚胎可取得1520个细胞用于培养。John D.Gearhart在 Johns Hopkins大学领导另一个研究小组也从人胚胎组织中建立了干细胞株。他们的方法是：从受精后59周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞(primordial germ cell)。由此培养的细胞株，证实具有多能干细胞的特征。
9、,24,25,26,27,28,29,30,31,Induced differentiation of human ES-derived cells in culture.,32,Pluripotent murine embryonic germ cells identified by red staining,33,A culture dish containing hundreds of colonies of murine embryonic germ cells.Each red-stained spot represents an individual colony comprise
10、d of hundreds or thousands of stem cells.,34,1.ES细胞的全能性主要体现在以下几方面：形成畸胎瘤。将ES细胞注入同源动物皮下可形成畸胎瘤，包括三个胚层细胞；形成类胚体。培养ES细胞在非粘附底物中悬浮生长，或控制增殖细胞数目。能够使之生成类胚体，它是一个与畸胎瘤相似的多种系混杂的集合体、具有三个胚层组织；直系分化。通过控制ES细胞生长环境，或遗传操纵特定基因表达，ES细胞可直接分化成某特定种系细胞，例如将神经决定基因NeuroD2和NeuroD3转人ES细胞，可使之分化为神经细胞；形成嵌合体。将ES细胞注射到同种动物囊胚腔中后，可以形成嵌合体（chi
11、mera），ES细胞可以参与嵌合体各个器官包括生殖腺的发育。这是检验一个细胞系是否为ES细胞的标准。,35,2.ES细胞生物学特性,细胞形态结构及核型细胞的高度分化潜能碱性磷酸酶的表达胚胎阶段特异性细胞表面抗原的表达,36,ES细胞形态结构及核型(1)各种动物的ES细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态结构，胞体体积小，核大，有一个或几个核仁。(2)ES细胞与卵圆柱期（egg cylinder stage）胚胎外胚层和胎儿生殖脊的原始生殖细胞类似。(3)细胞中多为常染色质，胞质结构简单，散布着大量核糖体和线粒体，核型正常，保留了整倍体性质。正常ES细胞染色体正常，如发生异常则其很难发育分化形成动物个
12、体。,37,(4)ES细胞在体外分化抑制培养中，呈克隆状生长，细胞紧密地聚集在一起，形似鸟巢，细胞界限不清，克隆周围有时可见单个ES细胞和分化的扁平状上皮细胞。(5)ES细胞增殖迅速，每1824 h分裂增殖 1次。(6)此外，其还可以在体外进行选择、操作、冻存。冻存的细胞可在需要时随时解冻，继续培养不失其原有特性，并且来自一个克隆的细胞具有同样的特征。,38,ES细胞的高度分化潜能,ES细胞的全能性是其区别于成纤维细胞等体细胞的显著特点(1)ES细胞在体外需在饲养层细胞上培养才能维持其未分化状态，一旦脱离饲养层就自发地进行分化。(2)在单层培养时细胞自发分化成多种细胞，悬浮培养中：“简单类胚体
13、”“囊状胚体”细胞分化物。,39,(3)ES细胞可进行诱导分化*用RA（维甲酸）作诱导90以上的ES细胞分化为神经胶质细胞，*聚集培养的ES细胞诱导分化则可分化为有节律性收缩的心肌细胞。*将ES细胞注射到同源动物皮下，可形成组织瘤，其细胞组成可代表3个胚层细胞。*用ES细胞作核供体进行细胞核移植，可以得到可发育重构胚和动物个体。,40,碱性磷酸酶的表达,许多资料表明，小鼠、大鼠的桑椹胚细胞和囊胚细胞均有碱性磷酸酶（AKP）表达，小鼠的EC细胞和ES细胞中均含有丰富的AKP。而在已分化的EC细胞和ES细胞中AKP呈弱阳性或阴性。猪、兔的桑椹胚和早期囊胚AKP呈阳性。因此，AKP常用来作为鉴定EC
14、细胞或ES细胞分化与否的标志之一。,41,胚胎阶段特异性细胞表面抗原的表达,早期胚胎细胞表面均表达胚胎阶段特异性表面抗原（SSEA1）。在胚胎的原始外胚层细胞、ES细胞、EC细胞和原始生殖细胞的表面均可检测到SSEA1的表达。小鼠SSEA1的表达自8细胞期开始，直到原始外胚层形成期。早期囊胚ICM细胞全部呈强阳性，晚期囊胚中部分ICM呈强阳性，部分呈弱阳性，少部分为阴性。因此，SSEA也常作为ES细胞鉴定的一个标志。,42,3.ES细胞的鉴定,-细胞的形态结构-核型分析-碱性磷酸酶（AKP）染色-SSEA-I 免疫荧光标记-分化能力检测 体外分化试验 体内分化试验 嵌合体形成试验 核移植试验,
15、43,ES细胞形态学鉴定 依ES细胞的形态结构（胞体体积小，核大、有一个或几个核仁）和生长特性（呈克隆状生长，细胞紧密聚集，形似鸟巢，界限不清）对ES细胞进行初步鉴定。,44,核型分析 ES细胞具有正常二倍体核型，可用核型分析进行检验,45,碱性磷酸酶（AKP）染色*常用快绿（Fast Green Staining)染色法，*对照以已建系ES细胞（或小鼠的桑椹胚 或囊胚）作为阳性对照，*作用液中不含-萘酚磷酸钠为阴性对照。*结果判定阳性对照ES细胞染成棕色，阴性对 照无色。小鼠35日龄胚胎ICM为强阳性。,46,SSEA-I 免疫荧光标记 第1抗体，SSEA1（鼠抗ES细胞单克隆抗体），1:1
16、00稀释；第2抗体，羊抗鼠 1：10稀释;封闭液，羊抗兔lgG。步骤杜氏PBS洗3次,2Triton作用20 min；再以杜氏PBS洗3次,封闭液中置20min；以杜氏PBS洗3次，加第1抗体于4过液；以杜氏PBS洗3次，加第2抗体于30温箱置30min；再以杜氏PBS洗3次后用甘油PBS封片。样本在激光共聚焦图像系统下观察,结果依细胞是否出现荧光作出判断。,47,分化能力检测体外分化试验体内分化试验嵌合体形成核移植,48,4.胚胎干细胞的制备,(1)直接由动物体内获取囊胚再分离ICM的方法，这样得到的囊胚数量少，质量也可能不高，由此会影响分离ES细胞的效率。(2)卵细胞去核培养、转入体细胞核
17、，体外培养，获得高质量的去透明带囊胚，由此囊胚进一步分离得到胚胎干细胞。,49,50,51,目前已证明，小鼠、兔、羊。猪、牛等多种动物的桑椹胚以前以及囊胚的ICM细胞具有发育的全能性，因此桑胚胚或囊胚成为分离ES细胞的常用材料。ES细胞的分离早期胚胎的获取及处理方法原始生殖细胞的获取分化抑制物的选择,包括：饲养层（feeder lopr），条件培养基（conditioned medium，CM）和分化抑制因子（differentiation inhibitory activity，DIA）基础培养基的选择添加物的选用,52,胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞）也可被称
18、为多能干细胞（pluripotent stem cell，PSC），是胚胎或原始生殖细胞经体外抑制分化培养后筛选出的具有发育全能性的细胞。其可以定向诱导分化为几乎所有种类的细胞，甚至形成复杂的组织和器官，其建系、体外扩增、定向诱导分化、调控机制、细胞性能、组织重构等方面的研究将在未来的人体发育、基因功能、药物开发、细胞治疗和组织器官替代治疗中发挥重要作用，并成为组织器官移植的新资源,5.目前胚胎干细胞的研究,53,四、成体干细胞,54,目前研究的成体干细胞（Adult Stem Cells）Bone Marrow Heamatopoietic Stem Cells(HSC)Peripheral
19、 Blood Stem Cells(PBSC)Fetal Liver Stem CellsUmbilical Cord Blood Stem CellsNeural Stem Cells“Studies suggest that stem cells in different adult tissues may be more similar than previously thought and perhaps in some cases have a developmental repertoire close to that of ES cells.”Science,Volume 288
20、,Number 5471,Issue of 2 Jun 2000,pp.1660-1663,55,造血干细胞Hematopoietic Stem Cells，HSC，,56,造血干细胞作为干细胞研究与应用的突破口,1.造血细胞是细胞增殖分化的最佳模型。2.造血干祖细胞及各系血细胞的表面标志较为清 楚，细胞表型特征可进行定量分析，且可分选。3.造血干细胞增殖及向各系分化的重要诱导因 子、受体、信号转导、微环境等因素较为清楚。4.造血细胞发挥功能可相对游离，不需“生物支架”、神经、血管、外科移植等复杂的“下游”工艺，因 此便于直接应用于临床。,57,Isolation of Primary and
21、 Immortalized CD34 Hematopoietic and Mesenchymal Stem Cells from Various Sources Stem Cells,Vol.18,No.1,1-9,January 2000,58,Previous work with mice and human had shown that adult bone marrow stem cells could form liver,as well as bone,cartilage,tendon,nerve and other tissues.,1,Neil Theise et al.;Li
22、ver from Bone Marrow in Humans;Hepatology 32,11-16,July,2000.2,Malcolm Alison et al.;Cell Differentiation:Hepatocytes from Non-Hepatic Adult Stem Cells;Nature 406,257,July 20,2000.3,Susan Okie,Bone Marrow Stem Cells Offer Hope for Liver Therapies;Study of Transplants Shows a Transformation;Washingto
23、n Post,June 27,2000.4,Dr.David Whitehouse,Stem cells promise liver repair;BBC,July 19,2000.5,Neil Theise et al.;Derivation of hepatocytes from bone marrow cells in mice after radiation-induced myeloablation;Hepatology 31,235-240,January,2000.6,Bryon Petersen et al.;Bone marrow as a potential source
24、of hepatic oval cells;Science 284,1168-1170;May 14,1999.,59,五、人类干细胞研究的应用,1.ES系统已经成为基因功能研究的有效手段2.ES细胞系建立后，可从最根本上揭示人及 动物发育过程中的决定基因3.ES细胞可作为评价新药及化学产品的毒性 及效能的检测系统4.ES细胞有可能成为今后细胞替代疗法和组 织器官移植的最佳来源,60,人类干细胞的分离和体外培养成功，包括胚胎干细胞和特定组织或血液之干细胞，不仅代表人类生命科学的一项里程碑，在医学技术和层次以及生物技术产业上的发展，更是一项深具潜力和无限商机的发现。干细胞之应用，可分成三大类：一
25、、产生特定细胞或组织，作为细胞再生或组织移植和部份更新；二、对药物开发和研究产生新的理念，药物的安全性和有效性可以特定干细胞进行分析和筛选；三、基因表现、人类发育、疾病发生、癌症研究等。,61,一、产生特定细胞或组织，作为细胞再生或组织移植和部份更新：许多疾病的发生，与细胞功能的丧失或组织的坏死有关，例如糖尿病、Parkinsons和Alzheimers的老年痴呆症、中风、脊椎神经受伤、烧烫伤、心脏衰竭、肝硬化等等。当今的医疗技术有些虽可以移植正常器官或组织而治愈，但正常可移植的器官却严重缺乏，器官捐献并未为形成风气，即使在美国每年约有四十万等待肝脏移植之病患，能成功进行肝脏移植者却仅有二千名
26、左右。而干细胞之发展，极有可能可以解决大部分特定细胞和组织来源的问题。一成功範例為將胰島細胞移植或注射到胰臟處，移植的正常胰島細胞即可自行分泌胰島素而解決因第一型糖尿病病患之病徵。目前研究人員正積極的試圖了解由幹細胞分化成為許多特定組織細胞的機制，從而調控主導幹細胞之發育或分化成為特定所需之細胞。,62,二、对药物开发和研究产生新的理念，药物的安全性和有效性可以特定干细胞进行分析和筛选：干细胞培育成功，亦使得许多药厂对其具有极高之憧憬，主要原因为利用干细胞可分化成特定组织或器官之细胞特性，可开发诱导或阻碍分化之医疗药物；同时在研究或测试之正常细胞来源上亦不再依赖由活体组织取得有限且少量之限制。
27、而在药物开发过程中，药物安全性的分析，亦可由特定干细胞或由干细胞分化之专一细胞作为试验之标的，而非传统上必须进行耗时费力又昂贵的动物实验。,63,三、基因表现、人类发育、疾病发生、癌症研究：生物之发育起自一个卵子与一个精子细胞之结合成为受精卵起，融合的细胞进行一系列反应，由最初的一个细胞分裂成为二个、二个变成四个、四个变成八个.，细胞何时知道、如何知道该如何表现，为何原来相同之细胞最后会分化成为功能、外观如此不同之细胞。,64,六、干细胞与组织工程,组织工程是指应用工程学和生命科学的原理和方法来研究正常或病理状况下哺乳动物组织的结构、功能和生长的机制，研究开发能够修复、维持或改善损伤组织的人工生物替代物的一门学科。,65,组织工程化皮肤组织工程化骨骼组织工程化血管组织工程化管状器官组织工程化腺体器官,66,67,68,69,
