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1、1,干细胞工程,MEDICAL CELL BIOLOGY,MEDICAL CELL BIOLOGY,1,干细胞移植治疗肾病、糖尿病,商思 石家庄肾病医院干细胞研究院吉林大学药学院再生医学系,1,Stem Cell,第一节 干细胞生物学 第二节 干细胞的临床应用和研究状况,2,2,干细胞的临床应用和研究状况,第一节 干细胞生物学,MEDICAL CELL BIOLOGY,MEDICAL CELL BIOLOGY,3,一、What is Stem Cell ?,是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体,即这些细胞可通过分裂维持自身细胞的特性和大小,又可进一步分化为各种组织细胞,从而在组织修
2、复等方面发挥积极作用。,3,干细胞的临床应用和研究状况,4,MEDICAL CELL BIOLOGY,MEDICAL CELL BIOLOGY,4,二.干细胞特性1.干细胞的形态和生化特点,形态特点:圆形或椭圆形,体积较小,核质比较大,核中多为常染色体。,生化特点: a.具有较高端粒酶活性; b.具有不同的生化标志:角蛋白15、nestin(巢素蛋白)。,5,2 ,干细胞的增殖特点 能力强:高度增殖是干细胞生物学特性之一。自稳性:会自我更新维持自身数目的恒定。(self-maintenance),5,干细胞维持自稳性的机制:对称分裂和不对称分裂,6,MEDICAL CELL BIOLOGY,M
3、EDICAL CELL BIOLOGY,6,干细胞的对称分裂和不对称分裂,对称分裂 (symmetry division),不对称分裂 (asymmetry division),干细胞 分 化 细 胞,干细胞 分化细胞,7,MEDICAL CELL BIOLOGY,MEDICAL CELL BIOLOGY,7,3,干细胞的分化特点 1). 多潜能性,8,MEDICAL CELL BIOLOGY,MEDICAL CELL BIOLOGY,8,在不同生长因子刺激下干细胞可表现出不同分化潜能,9,MEDICAL CELL BIOLOGY,MEDICAL CELL BIOLOGY,9,(中胚层) 骨、
4、软骨、平滑肌、横纹肌,人胚胎干细胞具分化的多潜能性,10,MEDICAL CELL BIOLOGY,MEDICAL CELL BIOLOGY,10,(1)去分化 一种干细胞向其前体细胞的逆向转化的过程。,2). 去分化和转分化的能力,11,(2)转分化(transdifferentiation) 一种组织类型的干细胞在适当条件下分化为另一种组织类型细胞的过程。 例一:将成年雄性小鼠的造血干细胞移植到雌鼠体内,3天后在雌鼠的神经胶质细胞中检测到 Y 染色体的存在,证明成体动物的造血干细胞可转分化成为神经胶质细胞。,12,MEDICAL CELL BIOLOGY,MEDICAL CELL BIOL
5、OGY,12,例二:造血干细胞向骨骼肌细胞的转分化,全能干细胞多能干细胞单能干细胞,按分化潜能,按发育状态(来源),胚胎干细胞embryo stem cell成体干细胞,三,干细胞的分类,13,干细胞的临床应用和研究状况,14,全能干细胞(Totipotent stem cell) 是指具有无限分化潜能,能分化成所有组织和器官的干细胞。换句话说,也就是具有形成完整个体分化潜能。,14,15,15,16,多能干细胞具有增殖、分化两种功能。,例如骨髓造血干细胞就是典型的多能干细胞。造血干细胞一般条件下处于休止状态(Go期),一定条件下能大量增殖、分化,然后由定向干细胞再分化成血液中至少12种类型的
6、血细胞。,16,17,18,二.干细胞来源上分:,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 ),18,19,1981年,最早埃文斯(Evans)和考夫曼(Kaufman)从小鼠早期胚胎中分离出胚胎干细胞并在体外培养建立细胞系。 1995年,美国从恒河猴囊胚中分离并克隆建立了第一个灵长类动物的胚胎干细胞系,(一 )胚胎干细胞,20,21,1.胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES细
7、胞)定义:指从着床前的内细胞团或原始生殖细胞获得的一种具有多潜能性、可发育成为各种细胞、同时可保持不分化状态而持续生长的克隆细胞系。 经体外分化抑制培养分离的一种全能性细胞。 可以分化成任何一种组织类型的细胞。,21,22,2.胚胎干细胞的生物学特性,(1)ES细胞形态结构与核型: 各种动物的ES细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态结构,细胞体积小、核大、有1个或多个核仁。,22,23,(2)ES细胞的生长特性: 增殖速度:1824h分裂增殖一次 hES必须在含有白血病抑制因子(LIF)的培养基保持不分化状态。,23,鸟巢状生长保持未分化的ES细胞,第一个人体胚胎干细胞(ES细胞),24,24,干
8、细胞的临床应用和研究状况,25,25,干细胞的临床应用和研究状况,26,(3)ES细胞高度分化潜能:,27,(二) 成体干细胞,1.定义:存在于成人各种组织中,具有自我更新和向前分化为一种或多种成熟功能细胞的幼稚细胞。意义:1.负责更新死亡细胞,维持正常个体、组织、器官的结构和功能的完整性。2.病例情况下,负责分化和增殖,修复组织损伤。,27,28,2.成体干细胞的生物学特性:(1)具有自我更新和分化潜能(2)数量少(3)存在于特定的微环境中(4)处于相对静止状态(5)体积小,细胞浆少,细胞核较大(6)成体干细胞的数量和活性岁年龄增加而减少,29,3.成体干细胞的分布,30,4.与胚胎干细胞的
9、比较,31,31,间胚层组织类型干细胞转分化为同胚层另一组织类型细胞,间胚层组织类型干细胞转分化为内胚层组织类型细胞,间胚层组织类型干细胞转分化为外胚层组织类型细胞,由此认为,成体干细胞有较大的可塑性。,5.成体干细胞的可塑性:,32,第二节 干细胞的医学应用和研究状况,32,33,33,1999年,Science杂志编者Bloom:“干细胞给人类提供了极大的可能性:用干细胞修复病损的脏器和细胞缺损”,他还说“最终可能用干细胞制成像肾、肝这样复杂的器官”。,34,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1
10、999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。,35,35,源于胚胎干细胞的细胞已能或可能治疗许多疾病,治疗,36,36,成体干细胞中,造血干细胞(包括骨髓、脐血和外周血中的干细胞)已用于治疗重度白血病和某些遗传性血液病。,37,37,成体干细胞及其子代细胞移植或动员脑组织内的干细胞治疗神经退行性疾病已获初步成效。动物实验证实移植的神经元可替代修复已损坏的神经通路。临床试验也证实细胞替代治疗可使症状缓解。,38,干细胞治疗的特点,1.一次性或几次介入,永久性治疗; 2.不需要完全了解疾病发生的确切机理。,39,肾脏疾病的干细胞治疗,40,雄性小鼠
11、骨髓细胞,移植,雌性小鼠,雌性小鼠肾脏,迁移,肾小管上皮细胞,分化,肾小管内,41,结果表明,骨髓内的干细胞能横向分化为肾小管上皮细胞,有助于肾小管上皮细胞的正常更新和肾小管损伤后的再生修复,为干细胞移植治疗肾小管坏死提供了理论依据。,42,原理: 1. 胚胎干细胞一方面可以新生肾小球的毛细血管内皮细胞、脏层细胞以及恢复肾小球基膜,恢复和提高肾小球的滤过膜,对由于肾小球病变所造成的尿液改变、高血压、水肿等症状都会有明显的改善;,43,2. 胚胎干细胞还可以分化产生免疫平衡细胞,如:Ts细胞、Th细胞等,平衡免疫反应,消除造成肾小管损伤的各种因素,避免对肾小球的持续损伤,防止病情进一步恶化。胚胎
12、干细胞移植对各种肾小球疾病都有很好的治疗效果。,44,糖尿病的干细胞治疗,45,胚胎干细胞的全能性为研究糖尿病的细胞治疗开辟了新途径。研究人员相继用不同的方法获得了分泌胰岛素的细胞。,46,用胚胎干细胞诱导为胰岛素分泌细胞并用于治疗糖尿病的策略: 用细胞因子、天然化学物质与胚胎干细胞共培养,将胚胎干细胞诱导分化为胰岛素分泌细胞。目前已经发现一些因子和特定的培养系统结合,可以诱导胚胎干细胞分化。,47,科学家将小鼠的胚胎干细胞诱导分化成能分泌胰岛素的类似于胰岛的结构。他们先将小鼠的胚胎干细胞培养成类胚体,并在此基础上诱导出了、等多种胰岛细胞的细胞群。,48,这些细胞在植入糖尿病小鼠的皮下后纠正高
13、血糖水平(未到正常),细胞在植入12天后发生血管化,其形态类似于胰腺的胰岛,并保持着分泌胰岛素的能力。,49,最近的研究结果表明,人胚胎干细胞也能分化成分泌胰岛素的细胞。有实验室培养了人胚胎干细胞,并让它们自发形成类胚体;然后用多种生长因子诱导类胚体分化。,50,试验结果提示了类胚体可以自发分化成胰岛细胞。也有实验进一步证实了人胚胎干细胞可自发分化为细胞的现象。,51,类胚体中有1%3%的细胞是胰岛细胞。在葡萄糖存在的情况下,这些细胞可以向培养基中分泌胰岛素。,52,由胚胎干细胞向胰岛细胞分化的研究刚刚起步,如何完善诱导方案以获得大量纯化的功能性细胞替代物是今后急需解决的问题。,53,干细胞定
14、向分化为胰岛细胞的研究为糖尿病患者点燃了新的希望, 也为研究人员提供了新的突破口, 其勿庸置疑的成为治疗糖尿病的最佳种子细胞,虽然目前存在很多问题,但随着干细胞生物学的发展, 相信将来肯定能克服以上困难,用细胞治疗攻克糖尿病。,54,胚胎干细胞、脐血干细胞、骨髓间充质干细胞的应用比较,55,1. 骨髓移植是用针插入骨中抽取,需骨髓穿刺,麻醉并住院一天,局部有时会淤血或疼痛。移植时HLA须完全相合,同胞间约有25%的机会相合,非亲属间的配对成功率只有十万分之一。排斥反应较重,常是造成移植失败的主因。,56,2. 脐带血采集时对产妇、新生儿无影响。脐带血移植时HLA不须完全相合,发生排斥反应程度相对较轻。胚胎干细胞由于采集的时间,干细胞表面抗原表达很少,因此不产生排斥免疫反应,而且由于其外源性,病人本身没有创伤。相对于骨髓内的干细胞和脐带血干细胞移植,胚胎干细胞所引发的后遗症更低,而且干细胞的排斥机率也低。,57,2.胚胎干细胞的浓度高而且品质优良,约为骨髓干细胞浓度的20到50倍,为胚胎干细胞浓度的5倍左右,细胞的增生能力也比较高。 3.移植胚胎干细胞比移植脐带血干细胞或骨髓或周边血干细胞带感染到病毒的可能性也较低。,