干細胞生物學博

干細胞生物學博第一頁，共七十五頁，2022年，8月28日Keyword:StemcellMedline檢索“Stemcell”共查到文獻202,658篇Google搜索“Stemcell”共搜到相關(guān)網(wǎng)頁51,300,000(截止8AM；2012.5.26)第二頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三頁，共七十五頁，2022年，8月28日

干細胞概述

胚胎干細胞的基礎(chǔ)與臨床造血干細胞的基礎(chǔ)與臨床干細胞研究的現(xiàn)狀與展望主要內(nèi)容第四頁，共七十五頁，2022年，8月28日一、干細胞概述干細胞研究背景早期胚胎發(fā)育的一般概念干細胞基本概念第五頁，共七十五頁，2022年，8月28日干細胞研究的背景國家“十五”重點研究領(lǐng)域(基礎(chǔ))

基因組學、信息科學、納米科學、生態(tài)科學、地球科學基因組學

基因組學（genomics)

蛋白質(zhì)組學（proteomics）

細胞

第六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第七頁，共七十五頁，2022年，8月28日基因組學genomics

基因蛋白質(zhì)細胞第八頁，共七十五頁，2022年，8月28日基因組（genome）

生物的全部基因和染色體組成,是所有遺傳信息的總和;人類基因組含3-3.5萬個基因基因組學(genomics)

分析所有基因的結(jié)構(gòu)（人類基因組圖）、核苷酸序列、定位、功能（疾病及調(diào)控基因）、基因組遺傳學語言（遺傳指令、遺傳語文及其外輸?shù)木庉嫞┑诰彭?，共七十五頁?022年，8月28日疾病基因組學*決定疾病發(fā)生的所有基因*基因是多數(shù)疾病的主要病因：單基因病、多基因病、獲得性基因病基因組藥物

基因序列數(shù)據(jù)→新的基因全長cDNA→真核細胞瞬時表達→功能初篩和驗證→重組基因穩(wěn)定表達→體內(nèi)外藥效分析→臨床前研究→臨床驗證→新藥證書（傳統(tǒng)的藥物篩選：蛋白→功能→藥物）第十頁，共七十五頁，2022年，8月28日蛋白質(zhì)組學（proteomics）

（后基因組學）基本概念蛋白質(zhì)組（proteome）*一種細胞內(nèi)所存在的全部蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)組學*在整體水平上研究細胞內(nèi)蛋白質(zhì)組成及其翻譯、表達、調(diào)控的規(guī)律.

功能蛋白質(zhì)組學*特定時間、環(huán)境和實驗條件下活躍表達的蛋白質(zhì).第十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日細胞細胞間相互作用

蛋白的分子識別細胞間信息傳遞細胞生物學作用的機制蛋白大分子相互作用細胞內(nèi)信息傳導干細胞生物學SC定向分化

特定組織干細胞

特定組織細胞

組織工程制備特定器官和組織第十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日早期胚胎發(fā)育的一般概念早期胚胎發(fā)育的過程

精子與卵子結(jié)合

雙倍體合子（單細胞）

卵裂（不生長，連續(xù)分裂）

形成細胞團（桑椹胚，morula）

囊胚（含囊胚腔、滋養(yǎng)層、內(nèi)細胞群）第十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日第十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日細胞分化（celldifferentiation）

*細胞后代形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生差異的過程;

*細胞的分化在高度精密的調(diào)控下有序地進行.

*受精卵有分化為各種組織/細胞的潛能

形成完整個體（含200余種不同類型細胞）

*隨胚胎發(fā)育，高等動物細胞由全能多能單能

*分化細胞的胞核仍為全能性，含物種全套基因.(克隆動物的理論基礎(chǔ))

第十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日定義*具有自我更新、高度增殖及多分化潛能的細胞;能產(chǎn)生表型和基因型均完全相同的子代細胞;是機體其他細胞的起源細胞。生物學特點

SC分裂SC（不分化，含細胞分裂的功能蛋白）

分化為功能單一的細胞（含分化蛋白）分類（按干細胞發(fā)育潛能）*全能(totipotency)細胞(胚胎干細胞)*多能（pluripotency）細胞*單能（monopotency）細胞

干細胞(stemcell)基本概念第十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日Totipotentcell第十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日Pluripotentcell第二十頁，共七十五頁，2022年，8月28日胚胎干細胞ICM或原始生殖細胞各種細胞類型造血干細胞骨髓血液細胞、神經(jīng)細胞神經(jīng)干細胞腦神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞、血細胞間質(zhì)干細胞骨髓肌肉細胞、骨骼、脂肪細胞干細胞分類干細胞類型來源分化潛力第二十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日干細胞分類全能干細胞(受精卵、胚胎干細胞)具有自我更新并分化為任何類型組織細胞的能力。多能干細胞分化方向已確定的干細胞（如HSC、肝臟干細胞）分化為特定組織。定向祖細胞（committedprogenitor）*多能干細胞分化的下游細胞；分化和自我維持、自我更新能力受限；干細胞特性僅能維持較短時間。第二十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日Astemcell(S)givesrisebyasymmetricdivisiontoaprogenitor(P)withamorerestrictedproliferationpotential,whichdifferentiatesinresponsetoextrinsiccues.Thestemcellphenotypeisregulatedbyreciprocalshort-and/orlong-rangesignaling(thickcoloredarrows).WattandHogan,Science287:1427,2000第二十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日前體細胞(precursor)*在發(fā)育過程中較另一細胞更早期的細胞（某些情況下泛指干細胞和祖細胞）組織專一干細胞*是特定組織的起源細胞，具發(fā)育潛能；*動物成體多數(shù)組織中保留有部分干細胞；不同組織來源的干細胞可能互相轉(zhuǎn)化。神經(jīng)干細胞神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞骨髓環(huán)境腦部血細胞第二十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日二、胚胎干細胞

的基礎(chǔ)與臨床

embryonicstemcell,ESCES細胞概述ES細胞生物學特征ES細胞研究進展和應用前景第二十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日定義：

從早期胚胎內(nèi)細胞團(innercellmass,ICM)或原始生殖細胞(PGC)分離而來的高度未分化細胞（具有發(fā)育全能性），可被定向誘導分化為所有種類的細胞，形成（內(nèi)、中、外三個胚層）復雜的組織、器官、甚至完整的個體。（一）ES細胞概述第二十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第二十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日（二）ES細胞生物學特征

1.具有類似胚胎的分化全能性；*分化出三胚層分化細胞；*注入同基因小鼠生成畸胎瘤

2.具有種系傳遞功能（即發(fā)育全能性）

*植入假孕受體鼠子宮可發(fā)育成嵌合體胚鼠；

3.可用于遺傳操作的最早期細胞（knock-out、knock-in）

第二十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日ES細胞的建系*小鼠ES細胞系的建立(Evens等1998,Science)*人類ES細胞系的建立(1998)；ES細胞的定向分化

在通過改變培養(yǎng)狀態(tài)或誘導方式（飼養(yǎng)細胞、分化誘導因子、分化抑制因子等）實現(xiàn)定向分化。

ES在體外已可分化為造血細胞、神經(jīng)細胞、心肌細胞、肌肉細胞、內(nèi)皮細胞、脂肪及血管發(fā)生。

第二十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三十頁，共七十五頁，2022年，8月28日第三十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日DerivationoftheHumanEmbryonicStemCellLineInnercellmass-derivedcellsH9humanEScellcolonyH9cellsobservedwithhighermagnificationDifferentiatedH9cellsintheabsenceofthefeedercells (Thomsonetal.,Science282:1145,1998)第三十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日造血定干向細分胞化的第三十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日（三）ES細胞研究進展

與應用前景研究人或動物發(fā)育在臨床醫(yī)學中的應用有待解決的問題第三十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日

借助轉(zhuǎn)基因、基因打靶、基因芯片、基因捕獲（trapping）技術(shù)，并通過分析/調(diào)控ES細胞定向分化的微環(huán)境、細胞因子、基質(zhì)細胞、胞外基質(zhì)等，研究人與動物胚胎分化發(fā)育。*尋找決定胚胎細胞定型、分化的關(guān)鍵因素；*分析特定基因的發(fā)育功能；*尋找發(fā)育調(diào)控基因；*體外研究人胚胎發(fā)生、發(fā)育；ES用于研究人或動物發(fā)育第三十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)基因動物的建立第三十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日

通過對ES細胞發(fā)育及定向分化研究，闡明細胞的增殖、分化、發(fā)育、成熟、遷移、定居、衰老、凋亡、癌變等生理或病理過程。

ES在臨床醫(yī)學中的應用1.ES細胞用于藥理學研究

ES細胞具有分化的廣譜性，可模擬體內(nèi)組織和細胞間復雜的相互作用，故可代替整體動物，作為評價新藥及化學產(chǎn)品的毒性（致畸）與藥效的檢測系統(tǒng)。2.作為研究人類疾病發(fā)生、發(fā)展機制的模型，探討有效和持久的治療方法。第三十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日3.作為臨床細胞、組織、器官移植的最佳來源

*組織/細胞移植的細胞源

*ES細胞分化、移植取得突破的實例：ES（少突/星狀）膠質(zhì)細胞

治療髓磷酯疾病

*克隆技術(shù)/組織工程

開拓移植物來源新途徑。取人多臟器特異性SC

與三胚層形成期動物胚胎進行嵌合

使新生動物具有人的某一個或幾個臟器

第三十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日4。基因治療的細胞源

*修飾ES細胞基因

矯正缺陷基因。

第三十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日如何使特定個體的體細胞變?yōu)镋S細胞：1．治療性克?。╰herapeuticcloning）：用成人細胞核取代卵細胞核，在體外培養(yǎng)至囊胚期，然后從囊胚的內(nèi)細胞層獲得ESC，但不再植入子宮，即不會發(fā)育成胚胎；2．組織移植：用動物卵細胞作為人細胞核受體，培育后獲得ESC；3．細胞雜交：融合人細胞核與ESC胞質(zhì)。第四十頁，共七十五頁，2022年，8月28日(FuchsandSegre,Cell100:143,2000)第四十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日第四十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日

1。技術(shù)上的難度

*成熟干細胞含量極微，分離和純化困難，且數(shù)量隨年齡增長而降低；*迄今未能從肺、胰腺、腎臟和成熟心臟等器官分離出干細胞；*對某些急性病，無足夠時間進行培養(yǎng)；*ES極易分化為其他細胞；

*體外將ES細胞發(fā)育為器官（即組織工程）的技術(shù)難度；干細胞臨床應用的限制因素第四十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日

2．理論上的不確定性

*人ESC能否被強制定向分化； *能否讓培養(yǎng)中的所有ESC均按人們意愿同步分化； *ESC的中間細胞類型，如何界定、檢測（特征性表面標志）和分離； *ESC分化的微環(huán)境，觸發(fā)和控制細胞分化的條件和確切機制； *通過體外擴增以獲得足量細胞時，如何保留ESC自我維持而不分化的特點；第四十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日

3．安全性（1）遺傳缺陷病的遺傳錯誤、或理、化、生物因素或基因突變造成DNA錯誤復制，其出現(xiàn)于供者干細胞中

成熟干細胞可能含異常DNA。

（2）核移植后的卵細胞可能產(chǎn)生的副作用*沉默基因激活、啟動某些DNA表達、改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)等。

（3）ES細胞移植可能形成畸胎瘤的傾向。

*ESC具有全能分化性，故在同一條件下可分化為不同組織類型細胞→畸胎瘤）*對策：在ESC中設自殺基因，必要時啟動；第四十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日TeratomasFormedbytheHumanESCellsinSCIDMiceGut-likestructureRossettesfoneuralepitheliumBoneCartilageStriatedmuscleFetalglomeruli-likestructure (Thomsonetal.,Science 282:1145,1998)第四十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日干細胞與癌癥發(fā)生

*某些干細胞可能是癌癥之源：致癌基因突變的積累是癌癥發(fā)生的必要條件，干細胞具有近乎無限的自我更新能力，成為積累基因突變的主要細胞。*造血干細胞和大腦干細胞具有白血病細胞、腦腫瘤細胞相似的某些表面特征。*從腦腫瘤中分離出某些類似腦干細胞（同時具有癌細胞特征）的細胞；這些變異的干細胞可在培養(yǎng)皿中轉(zhuǎn)化為類似原發(fā)腫瘤的組織*迄今抗癌療法效果欠佳，其原因可能是：放療與化療僅殺死快速分裂的腫瘤細胞，但未能消滅數(shù)量較少、生長緩慢的癌癥干細胞。第四十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日4.ES細胞作為移植細胞源的組織相容性

對策：*建立ESC庫，提供覆蓋主要HLA型別的ESC*對ESC的MHC進行遺傳學修飾（如knock-out），建立普遍適用的“萬能”供者細胞系（donorline）；*借助同源重組技術(shù)，將受者MHC導入ESC；*直接將受者MHC轉(zhuǎn)入ESC。第四十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日5．倫理學障礙

*人的胚胎是否享有人的權(quán)利？*將胚胎細胞用于科研和臨床是否符合道德？

醫(yī)學倫理原則：自主、無害、有利、公平第四十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日第五十頁，共七十五頁，2022年，8月28日三、造血干細胞的基礎(chǔ)與臨床（一）成熟（專能）干細胞概述（二）HSC生物學特征（三）HSC的臨床應用（四）造血干細胞庫的建立第五十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日（一）成熟干細胞1.來源2.發(fā)育的異質(zhì)性第五十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日成人不同類型組織可分離出成熟干細胞造血干細胞：從PBMC、骨髓、臍血分離；神經(jīng)干細胞：

*特征：具有分化為神經(jīng)元細胞、（少突/星型）膠質(zhì)細胞潛能；能自我更新；有強分裂能力。*來源于發(fā)育中的胎腦和成年個體的腦組織。*易在體外培養(yǎng)，成為理想的轉(zhuǎn)基因宿主細胞*NSC分化誘導調(diào)控機制研究（2000年重點項目）

*肝臟干細胞：從成年動物膽管周圍組織。第五十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日

特定組織成熟干細胞能發(fā)育成其它類型細胞。*小鼠神經(jīng)干細胞植入骨髓

多種類型血細胞。*大鼠骨髓干細胞形成肝細胞。*哺乳動物造血干細胞樣的專能干細胞

皮膚、肝、神經(jīng)細胞或非造血干細胞。成熟干細胞發(fā)育的異質(zhì)性第五十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日（二）HSC生物學特征

*造血干細胞(hemopoieticstemcell，HSC)：具有高度自我更新能力和多能分化潛能的造血前體細胞。

來源：人胚胎期卵黃囊（第2周）、胚肝（第4周）、骨髓（5個月）；出生后骨髓為HSC主要來源；

成年人HSC分布：紅骨髓（為主，比例為1/104）、脾臟（1/105）、淋巴結(jié)、外周血（0.2/105）臍帶血（1/105）。

第五十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日造血微環(huán)境：造血干細胞分化發(fā)育的必要條件：*激素、細胞因子骨髓基質(zhì)細胞分泌的IL-7：B細胞分化和成熟的關(guān)鍵細胞因子；集落刺激因子：可刺激不同譜系、不同發(fā)育階段細胞的生長和分化；*骨髓基質(zhì)細胞表面黏附分子與細胞外基質(zhì)相互作用為干細胞及其分化的血細胞提供必要刺激信號；*骨髓基質(zhì)細胞表達MHC-I類和II類分子參與HSC的陽性選擇和陰性選擇。第五十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日1．自我更新（self-renewal）造血干細胞

不對稱有絲分裂

子代細胞1（早期祖細胞）：繼續(xù)分化子代細胞2（自我更新）：（維持造血干細胞的全部生物學特征：維持干細胞池大小、干細胞數(shù)量/質(zhì)量不變。）第五十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日2．多向分化 *造血干細胞早期祖細胞

對稱性有絲分裂多向分化3．靜止性 *HSC具有巨大的功能儲備，多數(shù)HSC處于靜止狀態(tài)，在機體必需時進入細胞周期。4．不均一性（異質(zhì)性）5．表面標志 *CD34+、CD38－、HLA-DR－、CD45RA－、c-kit（干細胞生長因子受體）、CD71－等。第五十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第五十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日LT-HSC:long-termstemcellsST-HSC:short-termstemcellsMPP:multipotentprogenitorsCLP:commonlymphocyteprogenitors第六十頁，共七十五頁，2022年，8月28日第六十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日第六十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日（三）HSC與臨床治療

1.HSC移植*概念：將正常人HSC轉(zhuǎn)輸患者重建造血和免疫功能。

第六十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日（1）HSC移植的類型

1）骨髓（HSC）移植

2）外周HSC移植化療+細胞因子（如CSF）

動員骨髓HSC至外周血

獲得足夠數(shù)量HSC和祖細胞

用于移植。

第六十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日

3）臍血SC移植

*臍血中含有較高比例HSC和祖細胞（CD34+細胞與骨髓接近，為成人外周血10倍），移植后重建造血持久； *臍血HSC更原始，端粒較長，死亡受體表達低；體內(nèi)生命力強；*臍血細胞HLA表達低(對供、受者HLA相符的要求相對較低)；T細胞較原始，GVHD較低；*含一定量基質(zhì)細胞，提供造血細胞生長的微環(huán)境；*臍血中NK細胞和LAK細胞相對較多，有利于移植物抗白血病反應(GVL)；*受胎盤屏障保護，被病毒、細菌感染的機會少；*來源豐富、采集過程簡單。第六十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日（2）HSC移植的適應癥

1）免疫（或造血功能）重建

2）惡性腫瘤化療/放療后造血重建；第六十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日

3）自身免疫?。寺∈喜?、SLE、IDDM、RA、MS、銀屑病、MG、血管炎等）；*MHC、Ig、TCR、BCR、CK、凋亡相關(guān)因子和胞漿酪氨酸磷酸酶等基因缺陷可導致多能干細胞在發(fā)育成不同譜系免疫細胞時出現(xiàn)功能性改變，從而引起自身免疫病。 *自身免疫病可視為一種（造血）干細胞?。阂罁?jù)：

HSC移植可治愈AID；

HSC移植可將供者的自身免疫病過繼給受者。第六十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日（3）造血干細胞庫的建立

1．骨髓HSC資料庫2．臍血細胞庫

第六十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日