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1、干细胞理论与技术,Cell differentiation,About the concept of cell differentiation,The process that a cell changes to carry out a specialized function: Marked by: Morphology / Structure / Function,The different cell types of a multicellular organism contain the same DNA. A cell can change the expression of its
2、 genes in response to external signals. Differences in mRNA expression patterns among different cell types. Different cell types synthesize different sets of proteins. Gene expression can be regulated at many of the steps in the pathway from DNA to RNA to protein.,The four essential processes by whi
3、ch a multicellular organism is made: Cell proliferation, Cell specialization, Cell interaction, and Cell movement.,Cell differentiation occurs in multicellular organisms,Human: 1014 cells, 200 cell types,Transdifferentiation: From one type of cell into another type,Includes: Dedifferentiation-Rediff
4、erentiation,去分化,再分化,What is a stem cell?,Stem cells have the ability to self-renewal Stem cells can become other types of cells Stem cells can also divide indefinitely Stem cells also have the unique ability to divide indefinitely, producing an unlimited number of identical undifferentiated stem cel
5、ls. This is called a stem cell line.,mouse nerve cells,干细胞功能分类,Totipotent stem cell: 全能干细胞, 如受精卵 pluripotent stem cell: 多能干细胞，如囊胚中的内囊细胞 multipotent stem cell Unipotent stem cell: 专能干细胞，如造血干细胞 committed stem cell,Some stem cells have more developmental options than others,Where to get the stem cells?
6、,(1) Embryonic stem cells,来自早期胚胎、原始生殖细胞或畸胎瘤组织等源于胚胎的干细胞，属全能干细胞totipotent，每个细胞可以发育成为完整的个体。,(2) Adult stem cells,存在于成体组织中，属单能committed或多能干细胞multipotent，可以定向分化为一种或几种不同的组织,如造血干细胞，神经干细胞等,(3) Umbilical cord blood stem cells,(4) Fetal stem cells,Embryonic vs adult stem cells,ES cells are pluripotent AS cell
7、s found in small amounts throughout body Most AS cells appear to be multipotent,ES cells come from ICM of blastocyst,Sources of ES cells,ES cell lines Excess embryos from IVF clinics Embryos created for research by IVF Therapeutic cloning,Cloning,Purpose of therapeutic cloning is to harvest ES cells
8、 for treatment blastocyst destroyed Purpose of reproductive cloning is to make new person blastocyst implanted in uterus,Reproduced by permission of the NIH,Stem cell plasticity,Adult stem cells can differentiate into a large number of different cell types.,Turning blood into brain: Science, 2000, 2
9、90: 1779-1782,Turning brain into blood: Science, 1999, 283: 534-535,NSC+EGF & FGF: Growing,Production of differentiated cells from mouse ES cells in culture.,Stem cells migrate to sites of organ damage and differentiate to cell types competent to participate in tissue regeneration.,利用干细胞可塑性,Regenera
10、tion of new tissues from our own cells will not be far behind Science, December 6, 2002: 1901,中胚层,免疫学方法， 免疫外科学方法 组织培养法 显微外科法,干细胞的特征,1 干细胞本身不是终末分化细胞 2 干细胞能无限增殖分裂 3 干细胞可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态 4 干细胞分裂产生的子细胞只能在两种途径中选择其一，或保持亲代特征仍作为干细胞，或不可逆地向终末分化。,干细胞的鉴别,利用慢细胞周期性和自我更新能力，采用标记滞留细胞和细胞克隆来识别，但有局限性 干细胞表面标志：荧光素的化
11、学特性和受体的独特结构 基因标志：特异性基因和转录因子 基因工程技术结合荧光素而不依赖于细胞表面标志来鉴别,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
12、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，证实具有巨能干细胞的特征。,干细胞培养过程,干细胞的分化,时空关系分化,Stem cell,Transient amplifying cell,Terminal differentiated cell,Committed progenitors,Postmitotic cell,干细胞分化产生子代细胞机制： 不对称分裂，高度调节性,干细胞发育的调控,内在调控：干细胞
13、内一些结构蛋白和结构因子，转录因子，端粒酶 直接调控：外部信号所执行的细胞自动调节因子 干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。目前人类胚胎干细胞已成功地在体外培养。 最新研究发现，成体干细胞可以横向分化为其他类型的细胞和组织，为干细胞的广泛应用提供了基础。,干细胞的微环境niche,控制干细胞的外在因素选择性的组成 细胞外基质成分，细胞因子 共同调节干细胞命运 Programed signal or niche determine stem cell fate differentiation and plasticity？,干细胞用途,人类面临的大多数医学难题,如心血管疾病、自身免疫性
14、疾病、糖尿病、骨质疏松、癌症、老年性痴呆、帕金森病、严重烧伤、脊髓损伤和遗传性缺陷等疾病,组织工程学、功能基因组学和 蛋白质组学、发育生物学,新药开发与药效、毒性评估等,干细胞的伦理和社会问题,科学界 宗教界 伦理学界 政治界,在胚胎的发生发育中，单个受精卵可以分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中，正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生。 胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进一步分化的结果。 胚胎干细胞是全能的，具有分化为几乎全部组织和器官的能力。 胚胎发育过程是按照严格的时空程序进行一系列细胞与细胞之间、核质之间相互作用的结果。 研究人体内各类细胞分化理想模型：体外增
15、殖，有胚胎细胞的全能性或多能性，能被诱导分化。,胚胎干细胞的发育,1）形成畸胎瘤teratoma：将ES细胞接种同源动物皮下可形成内、中、外三种胚层细胞 2）形成类胚体Embryoid body：将ES细胞在非黏附底物中悬浮培养生长，或控制增殖细胞数目，形成多种系混杂的集合体 3）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细胞可直接分化为某特定种系细胞。新的ES细胞建系后在体外生长时间越短，产生所有类型组织的可能性就越大。 4）形成嵌合体chimera：组织和器官的细胞含有两个或两个以上基因型构建而成的完整个体，称为基因嵌合体或嵌合体动物。将ES细胞注射到同种动物囊胚腔中，
16、可形成嵌合体。ES细胞或EG细胞一旦分化即丧失全能性，难以参与胚胎发育，形成嵌合体。,ES 细胞全能性体现在：,ES细胞分化的调控,内源性调控：细胞内蛋白对ES细胞分裂的调控，转录因子OCT4，LIF，Tcf/Lef 外源性调控：1）分泌因子 TGF/B家族和Wnt信号通路，GDNF 2）膜蛋白介导的细胞间相互作用B-Catenin，Notch及其配体Delta，Jagged结合时，干细胞进行非分化性增殖，当Notch活性被抑制时，干细胞进入分化程序，发育为功能细胞。3）整合素Integrin与细胞外基质,第二节 ES细胞和EG细胞培养建系技术,基本原则：获得全能性胚胎细胞团或细胞团，并建立体
17、外适合其增殖和抑制分化的培养系统。 关键：阻止早期胚胎细胞离体后的分化，确保其全能性和多能性。胚胎发育早期的细胞具有全能性。胚胎进一步发育后，细胞只具有多能性.全能性胚胎干细胞在体外建系困难，目前在体外建系的胚胎性干细胞大多属于多能性胚胎干细胞。 细胞分化抑制物：饲养层细胞feeder layer；特殊细胞的条件培养液conditioned medium；分化抑制因子differentiation inhibitory factor,DIF,一、饲养层细胞培养法 不同类型的饲养层细胞分泌的生长因子略有不同，该细胞应保持不分裂增殖但仍保留代谢活性。 1）小鼠原始胚胎成纤维细胞MEF（mouse
18、embryonic fibroblast） 通常原代或8代前的MEF细胞抑制小鼠ES细胞分化的效果更好一些。 2）小鼠成纤维细胞无限系STO细胞 :SIM- thioguanine-ouabain 分泌干细胞生长因子和白血病抑制因子。 用作ES或EG细胞培养的饲养层的MEF或STO细胞均需用10mg/L丝裂霉素C（终止细胞分裂）在37摄氏度处理4h，用前经PBS彻底洗涤。 二、无饲养层培养法 目的：简化培养过程 用添加LIF生长因子或某些特定细胞的条件培养液至含FCS的正常培养 液，以次代替饲养层细胞。,ES和EG细胞体外培养方法分类,第三节 ES细胞和EG细胞体外诱导分化,一、基本原理 诱导
19、物质的专一性和被诱导细胞的反应能力必须在时空上相互巧妙配合，才能保证被诱导细胞按预定的细胞类型方向分化。 二、ES细胞和EG细胞定向诱导分化 谱系分化是一个从谱系祖细胞到终末分化细胞的分化全过程。 定向诱导则是设法控制ES细胞导向产生单一类型的分化细胞。,三、ES细胞体外诱导分化的基本方法 1.单层ES细胞培养和诱导分化 2.ES细胞拟胚体形成和诱导分化 四、ES细胞体外诱导分化的几种细胞 1.造血细胞 2.内皮细胞与血管 3.神经细胞 4.心肌和其他肌肉细胞 5.脂肪细胞 6.软骨细胞 7.胰岛细胞,第四节诱导分化细胞的永生化,建立使ES细胞被诱导产生的分化细胞永生化途径意义重大，特别在临床
20、细胞治疗中作为种子细胞有重要的意义。 诱导分化细胞的永生化immortalization 尚无成功报道。,第五节 ES细胞和EG细胞技术在医学中的应用,一、哺乳类发育的体外模型 二、介导改造动物的基因：动物克隆，转基因动物，制备嵌合体动物 三、人体的基因和细胞治疗:再生医学兴起 regenerative medicine 四、组织工程的种子细胞来源,干细胞研究的一些最新成果,1. Dr. Ira Black of the University of Medicine and Dentistry of New Jersey reported the stem cells, treated wit
21、h growth factors and antioxidants in tissue culture experiments, quickly divided into two cells - another stem cell and a nerve cell. Black and his colleagues were able to turn 80 percent of the bone marrow cells taken from rats and humans into nerve cells. 2. The Macklis group in HMS was able to in
22、duce stem cells deep in the cerebral cortex of adult mice to replace damaged neurons. The new neurons grew from already present immature precursor cells into fully formed, connected, and mature replacements.,科学家用单性繁殖获取胚胎干细胞 2001年10月，科学家们在位于洛杉矶的生殖药物基因研究所展示了他们能从老鼠未受精的卵细胞中提出可以发育为神经元的干细胞。2001年11月，马萨诸塞州伍
23、斯特的先进细胞技术公司（Advanced Cell Technology）的一项成果曾占据新闻的头版头条，它制造出了单性的人卵细胞尽管其中的细胞团在发育到胚泡阶段之前就已经死亡，却从中提出了干细胞。 费城宾夕法尼亚大学的生物伦理学家Glenn McGee认为，从伦理上讲，这种选择很吸引人。人类的单性繁殖不能产生完全意义上的幼儿，所以科学家们可以避免克隆疗法带来的问题，专门制造一个潜在的可以存活的胚胎来作为干细胞源，然后毁坏它。,2003年美国马萨诸塞州儿童医院的乔治达雷等和马萨诸塞州立医院的尼尔斯-嘉杰森等分别在本周的自然发表文章，报告也可在实验室中使小鼠胚胎干细胞发育为精子。 而同年5月1日
24、，卡林-胡伯奈和汉斯-休勒等在科学发表文章，报告可在培养皿中将小鼠胚胎干细胞转化为卵细胞，使得科学家和生物伦理学家受到了极大的震动。但是，来自培养皿中的胚胎干细胞是否的确能够发育成为真正的婴儿，其前途则仍不明朗。,人工授精. 源自于小鼠胚胎干细胞的精子，能够使卵受精，并形成胚泡期的胚胎。,对老鼠的试验显示，可望未来替代器官组织的干细胞，也可复制成为精子，使卵子受精。,2 papers in Nature(2007),Keisuke Okita, Tomoko Ichisaka, Shinya Yamanaka.Generation of germline-competent induced p
25、luripotent stem cells. Marius Wernig,et al.In vitro reprogramming of fibroblasts into a pluripotent ES-cell-like state. Reprogramming of fibroblasts to a pluripotent state can be induced in vitro through ectopic expression of the four transcription factorsOct4, Sox2, c-Myc and Klf4. DNA methylation,
26、 gene expression and chromatin state of such induced reprogrammed stem cells are similar to those of ES cells. Notably, the cellsderived from mouse fibroblastscan form viable chimaeras, can contribute to the germ line and can generate live late-term embryos when injected into tetraploid blastocysts.
27、 Our results show that the biological potency and epigenetic state of in-vitro-reprogrammed induced pluripotent stem cells are indistinguishable from those of ES cells.,ES细胞研究面临的难题,1 如何维持体外扩增时不分化？ 2 分化细胞的增殖是一个瓶颈问题：数量和纯度 3 如何定向诱导干细胞的分化？明确干细胞发育的调控机制 4 胚胎干细胞真正用于器官克隆与移植仍需要技术上的突破 5 如何克服移植排斥问题？破坏或改变细胞许多基因
28、的可行性，核移植是否激活卵细胞的沉默基因，是否改变染色体结构？ 6 胚胎干细胞的安全性如何？畸胎瘤，肿瘤形成？ 7 伦理之争,以倫理、法律、政策層面探討比較各主要國家之 人體胚胎幹細胞研究,幹細胞的應用與前景,幹細胞的相關發展被美國Science雜誌推舉為1999與2000年度最重要的科學突破，居於人類基因組計畫之前。 為基因治療及複製醫療（Therapeutic Cloning）不可或缺的要素。 就基因療法及複製療醫的角度來看，從胚胎或胎兒取得的幹細胞是最理想的，因為它是分化過程中最頂端的，其可塑性及活力最強，與成人體中幹細胞相較之下，它不曾暴露於各種疾病及不良環境中，受到感染機率也就低許多
29、。,器官修補更新 人造器官與組織的來源 新藥開發 基因功能研究 做為基因治療的工具 毒理、藥理研究 癌症研究,Ethical debate,Harvesting ES cells destroys the blastocyst “This is murder”,Reproduced by permission of Dave Catrow and Copley News Service,Ethical debate, contd,ES cell research requires human cells Could create a commercial market for human ce
30、lls “This devalues life”,Courtesy of Kevin Siers, The Charlotte Observer 2001,Ethical debate, contd,“Therapeutic cloning is a slippery slope - it will lead to reproductive cloning”,Reproduced by permission of Gary Markstein and Copley News Service,Why all the fuss?,Stem cells may be able to replace
31、damaged cells in the body Today: lymphoma, leukemia Future? Parkinsons, Alzheimers, diabetes. Promising animal studies,Christopher Reeve, the star of the Superman movie series,Courtesy of The Michael J. Fox Foundation for Parkinsons Research,胚胎干细胞所衍生之問題,胚胎干细胞之來源：人工流產得到之胚胎組織？人工生殖（治療不孕症）後擬銷毀之多餘胚胎？以體細胞
32、核轉植術（somatic cell nuclear transfer，SCNT）製造的人類胚胎或混種胚胎？為研究使用而由捐贈者精卵製造之胚胎？ 胚胎干細胞之來源胚胎年齡：例如：僅得使用不逾十四天或囊胚期（blastocyst）之胚胎？ 胚胎幹細胞使用於非人體試驗之研究：研究目的上之限制：例如複製人、基因改造；研究方法上之限制：例如異種核轉植 胚胎幹細胞使用於人體試驗之研究：研究目的上之限制：例如經幹細胞研究之胚胎，不能再植入母體，供生殖醫學使用；研究方法上之限制？,社会,社会,生物医学科技发展之 治理（Governance）机制,伦理层面 标准设定 法律层面 监控与評估 政策层面 干预,最基本
33、的生命伦理学原则：有利，尊重，公正和互助,发展干細胞治疗潜在受益病患 人数估計（以美國为例）,資料來源：Perry, D. (2000), Patients voices: the powerful sound in the stem cell debate. Science 287: 1423 將解決一個世界性難題器官移植來源不足和排斥反應 預計2020年市場規模達4000億美金,幹細胞市場？,幹細胞研究的迅速發展意味著對人類胚胎的需求增加，胚胎捐贈應避免出現向最高出價者出售卵子。在美國，卵子捐獻者的廣告出價已超過5萬美元。 為阻止胚胎市場的出現，有必要採取一定的保護措施。各國目前的政策是讓
34、胚胎供給者不能獲利。這包括禁止給胚胎付費，並禁止為醫療收益目的胚胎捐獻。然而，如何具體制定和執行這些禁令對各國政府而言誠屬一大考驗 。,各國措施,目前世界各地在是否应该允許科學家利用人体胚胎做研究問題上區別很大，其关键在於如何對胚胎干細胞研究問題上达成政策性共识。 截至2002年11月，全球已有法國、德國等十四國通過法令规范人类胚胎研究。 因此，對於某些季度敏感性的议題，各國仍面临如何有效规范预管理机构执行界限的問題，目前主要還是得依赖科學界与相关产业的自律。,各国于胚胎干細胞研究议題上 政策与法律规范（1/3）,各国于胚胎干細胞研究议題上 政策与法律规范（2/3）,各国于胚胎干細胞研究议題上
35、 政策与法律规范（3/3）,Legislative History,1994: Congress blocks federal funding of embryo research 1998: First isolation of human ES (using private funding) 2001: President Bush makes federal funding available for human ES cell research (only for currently existing lines - limited, defective) 2004: NJ inclu
36、des stem cell research funds in budget,2004: Proposition 71 approved in CA 2005-2007: Legislation considered in other states (DE, MA, IN, MD) April 11, 2007: Senate passed bill to expand federal funding for ES cell research (Bush promises to veto) June/July 2007: Prop 71 funds,Adult vs. embryonic St
37、atus of embryos - definitions of life (conception, survival, religious) Cloning fears Family Media battle IVF Regulation Care vs. Cure; ends vs. means; protecting vs.improving life - which is more important? Irony - If we never research, we will never find out,Issues,法律与政策的迫切性？,卫生署已公步胚胎干細胞研究的倫理規范，然政
38、策至今尚未明朗。然除伦理規范外，至今尚未制定研究与使用胚胎干細胞的政策指标与相关法律規范。,启示与省思,禁止复制人渐已成为全球共识 那些试图阻止利用干細胞帶來的医疗进步的人将要对那些饱受可怕疾病折磨的病人和他們的家庭复道义上的责任，那些病人会問：为什么治疗疾病的希望被扼杀了。 33位諾貝爾獎得主致美國國會公開信,人胚胎干细胞研究伦理指导原则 中国,第一条 为了使我国生物医学领域人胚胎干细胞研究符合生命伦理规范，保证国际公认的生命伦理准则和我国的相关规定得到尊重和遵守，促进人胚胎干细胞研究的健康发展，制定本指导原则。 第二条 本指导原则所称的人胚胎干细胞包括人胚胎来源的干细胞、生殖细胞起源的干细
39、胞和通过核移植所获得的干细胞。,第三条凡在中华人民共和国境内从事涉及人胚胎干细胞的研究活动，必须遵守本指导原则。 第四条禁止进行生殖性克隆人的任何研究。 第五条用于研究的人胚胎干细胞只能通过下列方式获得： （一）体外受精时多余的配子或囊胚； （二）自然或自愿选择流产的胎儿细胞； （三）体细胞核移植技术所获得的囊胚和单性分裂囊胚； （四）自愿捐献的生殖细胞。,第六条进行人胚胎干细胞研究，必须遵守以下行为规范： （一）利用体外受精、体细胞核移植、单性复制技术或遗传修饰获得的囊胚，其体外培养期限自受精或核移植开始不得超过14天。 （二）不得将前款中获得的已用于研究的人囊胚植入人或任何其它动物的生殖系
40、统。 （三）不得将人的生殖细胞与其他物种的生殖细胞结合。 第七条禁止买卖人类配子、受精卵、胚胎或胎儿组织。,第八条进行人胚胎干细胞研究，必须认真贯彻知情同意与知情选择原则，签署知情同意书，保护爱试者的隐私。 前款所指的知情同意和知情选择是指研究人员应当在实验前，用准确、清晰、通俗的语言向受试者如实告知有关实验的预期目的和可能产生的后果和风险，获得他们的同意并签署知情同意书。 第九条从事人胚胎干细胞的研究单位应成立包括生物学、医学、法律或社会学等有关方面的研究和管理人员组成的伦理委员会，其职责是对人胚胎干细胞研究的伦理学及科学性进行综合审查、咨询与监督。,第十条从事人胚胎干细胞的研究单位应根据本指导原则制定本单位相应的实施细则或管理规程。 第十一条本指导原则由国务院科学技术行政主管部门、卫生行政主管部门负责解释。 第十二条本指导原则自发布之日起施行。 二三年十二月二十四日发布,思考题,1 什么是干细胞？干细胞培养有什么意义？ 2胚胎干细胞的生物学特性与鉴定方法 3 如何调控ES细胞的分化？ 4 简述ES细胞建系的主要操作步骤。 5 追踪了解ES细胞的研究进展， 分析讨论其应用前景及面临的问题。,