1、干细胞研究进展

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临床病理生理学
干细胞研究进展
医学院病理生理教研室 欧阳静萍 2004.11
干细胞
干细胞(Stem
cells,SCs)
来自胚胎、胎儿或成人的具有持久或 终身自我更新能力的细胞,它能产生特 异的细胞类型,形成人体组织和器官
特征
圆形、椭圆形,体积小、核大,具有 较高的端粒酶活性
特点
• 它们是未分化的,但具有分化成各种 特定细胞的能力; • 它们可无限地分裂产生大量后裔; • 其子细胞有两种命运,保持为干细胞 或分化为特定细胞

临床应用
细胞替代治疗: 移植入新生期和成年大鼠脑内, 整合到嗅泡、纹状体、 皮质、小脑。分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质 细胞。 修复神经元缺失 修复损伤的神经胶质 治疗神经系统退行性疾病:帕金森病(PD) 、阿尔茨海默病 (AD) 和亨廷顿病(HD)

方法:
诱导病变部位本身神经干细胞 增殖分化 从患者体内分离神经干细胞,体外增殖和加工,再移 植到相应的病变部位。 永生化神经祖细胞具有能整合
胚胎期干细胞
ESCs
EGCs
成体干细胞(Adult
Stem Cells,ASCs)
是一种具有自我更新能力的未分化细胞 来源:骨髓、血液、眼睛的角膜和视网膜、 脑、骨胳肌、牙髓、肝脏、皮肤、胃肠道上皮、 胰腺和间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)
分类
来源
无成骨性细胞:脂质细胞、网状细胞、内皮细胞和 成纤维细胞
数量和特点
Baidu Nhomakorabea
传代后以每两天倍增一次的速度扩增, 这种几何级数的扩增能持续10代左右[8]。 而且随着细胞的增殖,其细胞性状和分 化潜能并不会改变和丧失
间充质干细胞
存在于骨髓中的具有高度自我更新能力
和多向分化潜能的干细胞群体,具有支 持造血、多向分化潜能 形成于发育中的骨髓腔 出生后附于骨髓窦的内腔面 (占细胞总数的0.1-0.01%) 可分化为:骨、关节、脂肪、肌腱、肌 肉、骨髓基质、软骨
骨髓干细胞的定向分化简图一
骨髓干细胞的定向分化简图
造血干细胞的表面标志
CD34 抗原 Thy1 表面抗原 Ckit 表面抗原 Lin 抗原:CD11、13、15、16(粒系) CD14(单核系) CD11、25、7、56(T/NK系) CD19、20、21、45(B淋巴系) CD47、59、71(红系) CD31、41、61、63、107(巨核系) Rh-123 荧光 4HT/5FU 抗性

A.CD34 localizes to endothelial cells
研究现状
骨髓、脐血、外周血移植技术成熟 将基因导入造血干细胞治疗疾病
水平与国际同步
骨髓:造血干细胞 基质

基质: 间充质细胞:骨髓血系细胞起支持诱导作用
表面标志 碱性磷酸酶(AKP)阳性: 甲状旁腺素抑制 VitD3促进, 表面特异受体:CD44 不具有造血系细胞独有的CD14、CD34和表面受 体存在特异性[16](如CD44[17]),不具有造血系细胞 独有的CD14、CD34和CD45等表面抗原 CD45
研究现状
分化条件



GGF--雪旺氏细胞 BMP-2,4--促进发育 T3--少突胶质细胞 帕金森氏病成活10年以上 无排斥反应 不具成瘤性
临床应用

NSC 的分布
胚胎期神经系统:
大脑皮层、海马、纹状体、嗅球、脑室沿 线包括侧脑室、第三脑室和第四脑室、间 脑、中脑、小脑、脊髓、视网膜
成体干细胞
存在于成熟个体各种组织器官中 可分化为相应组织 可分化为其它组织器官
在人体发育的过程中,成体干细胞为存
留在多种组织中且具有多系分化能力的 亚全能干细胞群体。
影响成体干细胞应用的某些因素
当前并没有在所以人体组织中发现成体 干细胞; 成体干细胞含量极少,很难分离与纯 化; 对某些病人来说,可能:
F.TRA-1-80
人类胚胎发育简图
小鼠胚胎发育简图
胚胎干细胞分化
人类胚胎干细胞研究的重要性

生物学与医学基础研究:
人类干细胞是机体早期发育的极好模型。人类发育 生物学研究经常受到伦理学的限制。胚胎干细胞提供 了直接研究早期发育出现的复杂事件和细胞分化的原 初过程。 关键是找到控制与发育和分化过程相关特定的因子 为了解非正常细胞分化(肿瘤等)的原因提供线索
为信息通道,规范着表皮干细胞群落的分化方法
肝干细胞
来源: 内源性肝脏干细胞:存在于肝脏内具有增殖分化为肝细胞
和胆管细胞的能力的一类细胞
Striated muscle. Cell line H13.
胚胎干细胞的表面标志
胚胎阶段特异性抗原
(SSEA-1、3、4) TRA-1-60 TRA-1-81 碱性磷酸酶
A. Alkaline phosphatase
B. SSEA-1
C. SSEA-3
D. SSEA-4
E.TRA-1-60
C. H9 cells
D. Differentiated H9 cells
干细胞培养过程
干细胞和前体细胞的分化
Rosettes of neural epithelium. Cell line H14.
Bone. Cell line H14.
Cartilage. Cell line H9.
NSC 的增殖分化机制
需要多种活性因子的协同作用EGF、PDGF、 CNTF、 BDGF、IGF 基因表达调控NSC 的分化 Delta-Notch 信号通路 Notch 激活 干细胞增殖 Notch 抑制 干细胞分化 永生化:基因工程技术导入外源性癌基因,诱 导干细胞的细胞周期不断循环往复,阻止细胞分 化过程,从而NSC 获得永生
成体哺乳动物中枢神经系统:
两个NSC 聚集区: 侧脑室壁的脑室下层 海马齿状回的颗粒下层
NSC 的生物学特性



缓慢的自我增殖能力:短暂的增殖期, 过渡放大细胞,再经 过若干次分裂后产生分化细胞 有利于干细胞对特定的外界信号作出反应, 减少基因突变的危险 自稳定性:生命区间中自我更新并维持其自身数目的恒定。 此过程通过两种方式实现, ①对称分裂:干细胞分裂产生的两个子细胞都是干细胞; ②不对称分裂:。 处于高度未分化状态:呈中间纤维抗原巢素蛋白(nestin) 阳性,而缺乏已分化细胞的抗原标志。 具有多向分化潜能:可诱导分化成神经元、星形胶质细胞和 少 突胶质细胞三种主要神经组织成分。 可发生转分化和去分化

John D. Gearhart: Johns Hopkins大学
方法:从受精后 5 - 9 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。
A. Inner cell mass-derived cells
B. H9 colony

医疗实践
• 细胞移植 • 药物设计
成体干细胞
是干细胞研究中最激动人心的部分。它可以有效地防 止组织排斥,可以避免伦理学、法律系方面的争论。
成体干细胞是否具有胚胎 干细胞那样的分化潜力?
大量的动物实验证明了成体 干细胞具有很强的分化能力:


成年小白鼠未发育的脑干 细胞转变为肌肉细胞 成年人志愿者的神经干细胞 实现了同样的工作
单能干细胞
(Monopotent Stem Cells,MPSCs)


具有多向分化潜能 只能分化为同一种组织中的不同细胞类型 造血干细胞(Hematopoietic stem cells,HSCs) 神经干细胞(Neural stem cells,NSCs)
根据供体组织所处的发育时期不同分
干细胞的特点
多向分化
分化(Differentiation)指非特化细胞 (如干细胞)成为 组成身体的诸多的细胞中的一种特定细胞的过程
可塑性
一种成体干细胞生成另一种组织细胞的能力
自我更新
成体干细胞制造自己本身
干细胞分类

全能干细胞:Totipotent stem cell, 如受精卵 多能干细胞:pluripotent stem cell ,如囊胚 中的内囊细胞
干细胞“壁龛(Niche) ”

干细胞壁龛即干细胞生存的微环境
保持干细胞的生理状态、维持干细胞未分化 的特性,同时也起到信号传导作用。
表皮干细胞壁龛:
上覆有黑素体,以免除紫外线对干细胞的损害 下连富有局部高密度血管的真皮,为干细胞提供丰 富的血液。 细胞之间存在许多缝隙连接(gap junction) :
间充质干细胞的分化
神经干细胞

中枢神经系统中具有自我更新及 分化成成熟脑细胞的能力的细胞
可分化为: 星形胶质蛋白 少突状细胞 神经细胞 应用前景 移植修复受损神经 “有前途的”脑癌治疗新手段 判断药物有效性、毒性神经元

神经干细胞表面标志
Tubulin
NF-H
Ten bone marrow-derived cells coexpressing both TuJ1 and NF-H (*)
外源基因载体

转染报告基因(如LacZ基因) 转染神经营养因子的基因(NGF 转染神经递质合成酶(酪氨酸羟化酶)基
因,用于治疗帕金森病
表皮干细胞
定位:
初级表皮嵴 表皮基底层细胞 毛囊的膨胀部位 表面标志:ß-integrin
胎儿时期 成人
典型特征

慢周期性(slow cycling):如小鼠表皮干细
造血干细胞 神经干细胞 胰腺干细胞 骨髓干细胞 脂肪干细胞

美国《SCIENCE》
1999年度
年度世界十大进展之榜首
胚胎干细胞
存在于受精后约5-7天人胚胎的囊胚
内细胞团 具有分化为机体任何一种组织器官 的潜能 具有种系传递功能 在体外可以进行遗传操作
胚胎干细胞
1998年11月美国威斯康辛大学

疾病的进程等不到足量干细胞的培养; 病人自身基因组有遗传缺陷;
骨髓干细胞
造血干细胞:红系、髓系 基质干细胞
:具有多向分化潜能
成骨细胞 软骨细胞 脂肪细胞 网状细胞 肌细胞
造血干细胞
存在于造血组织内的一类能分化发
育成各种血细胞的原始细胞
出生前:存在于肝脏 出生后:存在于红骨髓内,5%有核细胞 少量存在于脾脏、淋巴组织、外周血中
胞的标记滞留可长达2 年;

干细胞的自我更新能力:表现为在离体培养时
细胞呈克隆性生长,如连续传代培养,细胞可进
行140 次分裂,即产生1 ×1040个子代细胞;

对基底膜的粘附:干细胞主要通过表达整合
素实现其对基底膜的粘附。
分化的调控

细胞因子: 白细胞介素( ILs) 干细胞生长因子(SCF) 表皮细胞生长因子( EGF) 成纤维细胞生长因子( FGF) 肝细胞生长因子(HGF)
Thomsan报道获得人胚胎干细胞株 传代超过8个月、32代 在体外长期保持增殖和未分化状态
怎样得到 pluripotent stem cell?
1998年美国有两个小组分别培养出了人多能( pluripotent ) 干细胞:

James A. Thomson: Wisconsin大学 方法: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。测试细胞株的细 胞表面 marker 和酶活性。每个胚胎可取得15-20个细 胞用于培养。

专能干细胞:multipotent stem cell ,如造血 干细胞
干细胞的分类
根据分化潜能分 全能干细胞(Totipotent stem cells,TSCs)
胚胎干细胞(Embryonic stem cells,ESCs) 来自早期胚胎 (4~5天,即胚泡)中的内细胞群 多能干细胞(pluripotent stem cell ) 胚胎生殖细胞(Embryonic germ cells,EGCs) 来自胎儿组织(从5~10周胎儿生殖嵴的原生殖细胞) 共同点 长时间自我复制能力 无染色体变异 有多能干细胞表面标志
畸胎瘤 胚胎内胚 团 胚胎生殖 脊 脑组织
干细胞类型
胚胎干细胞(EC) 胚胎干细胞(ES) 胚胎生殖细胞 (EG) 神经干细胞
胚胎 干 细胞
可分化细 胞 各种类型 组织细胞
成体 干细 胞
神经元、血 细胞
成熟骨髓 组织
造血干细胞
间充质干细胞
血液细胞、 神经胶质细 胞
肌、骨、肌 腱、韧带
根据其来源组织不同而分
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