第十七章-干细胞与组织的维持和再生

第十七章干细胞与组织的维持和再生StemCellandTissueRegeneration第一节干细胞概述一、干细胞的存在(一)干细胞的存在干细胞（stemcell）：是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞。存在部位：人体或动物个体整个发育过程中的各种组织中。功能：个体的生长发育、组织器官的结构和功能的动态平衡，以及其损伤后的再生修复等生命现象发生的重要基础。1.全能干细胞（totipotentstemcell）指那些具有发育全能性的早期胚胎细胞，如处于8细胞期之前的每一个胚胎细胞（包括受精卵），这种状态的任何一个细胞植入子宫后，都可以发育为一个完整的个体。StemCellandTissueRegeneration2.多能干细胞（pluripotentstemcell）指那些具有分化为成熟个体中所有类型细胞的潜能，但不能形成完整个体的早期胚胎干细胞,也习惯称为胚胎干细胞（embryonicstemcell，ES细胞），如内细胞团。(二)干细胞的类型3.组织特异性干细胞（tissuespecificstemcell）指在组织器官发育过程中起着重要作用的干细胞，是一种专能性干细胞。在成体组织中的干细胞也称成体干细胞(adultstemcell)它们通过有序的增殖与分化，以实现其所在组织中细胞的新旧更替，并维持组织器官结构和功能的动态平衡。受精卵细胞团囊胚胎儿成体专能unipotency全能totipotency多能pluripotenyStemCellandTissueRegeneration二、干细胞的形态和生化特征1.干细胞的形态特征所有干细胞在形态学上都具有原始细胞的一些基本特征：呈圆形或椭圆形；体积较小；核质比较大；细胞质中各种细胞器不够发达。StemCellandTissueRegeneration2.干细胞的生化特性干细胞都具有较高的端粒酶活性。不同的干细胞可能具有各异的生化标志，如nestin为神经干细胞的标志分子。干细胞的生化特性常被用作鉴定干细胞在组织中存在和评价其分化程度的标志。干细胞过渡细胞分化细胞三、干细胞的增殖特征1.干细胞的增殖速率具有缓慢性干细胞增殖时，首先要经过一个短暂的增殖期，产生过渡细胞。StemCellandTissueRegeneration缓慢增殖的生理意义:有利于干细胞对特定的外界信号作出反应，以决定其细胞是进入增殖状态，还是进入特定的分化程序。可以减少发生基因突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误。2.干细胞增殖系统具有很强的自稳定性自稳定性:指干细胞可以在生物个体生命区间中自我更新，并维持自身数目恒定，这是干细胞的基本特征之一。对称分裂:当干细胞发生分裂后,产生的两个子代细胞都是干细胞或都是分化细胞的分裂方式。不对称分裂:当干细胞发生分裂后，产生一个干细胞和一个分化细胞的分裂方式。不对称分裂与对称分裂对无脊椎动物而言，不对称分裂是干细胞维持自身数目恒定的基本方式。哺乳动物的单个干细胞通常进行对称分裂，哺乳动物的干细胞是种群意义上的不对称分裂。干细胞的不对称分裂A．干细胞的简单不对称分裂B.干细胞的种群不对称分裂四、干细胞的分化特征1.干细胞分化的谱系限定性处于不同发育阶段和不同组织器官中的干细胞的分化潜能，具有严格的谱系限定性。受精卵形成个体；内细胞团细胞产生个体中任何一种组织细胞；组织干细胞只产生其细胞谱系以内的细胞类型，而不产生其他组织中的细胞类型。StemCellandTissueRegeneration2.干细胞分化的可塑性干细胞在适当的条件下，发生直接诱导分化：将多潜能性干细胞直接诱导为一种特定的分化细胞。转决定：将一种前体细胞诱导分化为与其共同的干细胞谱系内的另一种细胞类型。转分化：将一种已分化细胞直接诱导为另一种已分化细胞。去分化：干细胞向其前体细胞逆向转化的现象。如采用高表达特定转录因子的手段，可以将成纤维细胞诱导分化为类似于ES细胞的诱导多能干细胞（inducedpluripotentstemcell,iPS细胞）。干细胞的可塑性a.去分化；b.转决定；c.转分化；d.直接诱导分化StemCellandTissueRegeneration细胞重编程的主要策略A．体细胞核转移（SCNT）：将体细胞核注射到去核的卵细胞，在体外特殊培养条件下，可以产生ES细胞；B.细胞融合：将体细胞与ES细胞融合，可以产生杂合细胞，具备多能ES细胞的一些生物学特性；C.iPS细胞：将体细胞通过诱导表达某些特定基因转变为多能干细胞，例如导入Oct3/4、Sox2、C-Myc和Klf4基因可以将小鼠成纤维细胞转变为多能干细胞；D.谱系转化：例如直接将胰腺细胞转化为肝细胞。在此过程中，将一种细胞类型转化为另一种细胞的特异性转录因子是非常关键的StemCellandTissueRegenerationStemCellandTissueRegeneration五、干细胞生理活动的微环境干细胞的增殖与分化存在一个严密的调控机制，而这个调控机制可能就与它所在组织中的微环境有关，这种微环境称为“干细胞巢”。干细胞巢的基本特征：即在结构上是一个由干细胞及其外围细胞、以及参与其增殖分化调控的相关因子所组成的，并具有动态平衡特性的局部环境。1.干细胞巢中的分泌因子是干细胞增殖分化的调控因子分泌因子的来源：干细胞自身分泌的，也可以来自外围细胞或者其他组织细胞。分泌因子的种类及其水平与机体发育或生理状态的需求相适应。2.细胞间直接相互作用也是干细胞增殖分化的一种调控因素细胞与细胞之间的相互作用通常是由整合膜蛋白介导。在相互作用的两个细胞中，一个细胞中跨膜蛋白的胞外段作为配体，另一个细胞的跨膜蛋白的胞外段则作为受体。3．整联蛋白和胞外基质参与干细胞巢的结构体系的形成干细胞巢StemCellandTissueRegeneration果蝇卵巢干细胞微环境成年果蝇卵巢生殖干细胞位于卵巢原卵区的顶部，并被三种不同的基质细胞群所包绕：端丝、帽细胞以及内鞘细胞。这三种基质细胞以及基膜共同构成卵巢干细胞微环境，其中帽细胞通过E-cadherin介导的紧密连接将卵巢干细胞固定在微环境中，与其他基质细胞产生的细胞信号分子如BMP、Notch等共同调控卵巢干细胞的生长和分化。第二节胚胎干细胞一、胚胎干细胞的生物学特征胚胎干细胞(embryonicstemcell，ESC)指存在于囊胚期胚胎中内细胞团(innercellmass，ICM)的细胞。这种细胞具有分化为一个个体中的任何细胞类型的潜能。形态特征：圆形细胞，细胞较小，核质比例高。体外抑制分化培养时呈集落样（克隆样）生长，形似鸟巢。1.形态和生化特征：A.内细胞团细胞形成的原代克隆；B.H9株人胚胎干细胞的克隆；C.放大的H9株人胚胎干细胞的克隆；D.H9株人胚胎干细胞分化后的形态。生化特征：表达胚胎阶段特异性抗原（stage-specificembryonicantigen，SSEA）、碱性磷酸酶(AKP)和端粒酶等。SSEA常作为ES细胞鉴定的一个标志。碱性磷酸酶常作为鉴定ES细胞分化与否的标志之一。H9细胞的表面标志分析A：AKPB：SSEA-1C：SSEA-3D：SSEA-4E：TRA-1-60F：TRA-1-812.分化潜能ESC是多能性干细胞，在个体发育中，胚胎干细胞具有分化为后续发育个体的任何组织细胞的潜能，即可分化为内、中、外三个胚层的细胞。StemCellandTissueRegeneration如何评价ESC的多能性？体内实验—畸胎瘤实验：若将ES细胞给同源动物或重症联合免疫缺陷小鼠的皮下注射，会形成复杂的混合组织瘤（畸胎瘤）。肠样结构神经上皮骨组织软骨组织横纹肌肾小球肾小管结构金标准——嵌合体试验：若将小鼠等哺乳动物的ES细胞注射到胚胎的囊胚腔，ES细胞则与正常胚胎嵌合形成嵌合体(chimera)并可参与形成包括生殖系在内的各个组织器官，且能产生嵌合的功能性配子。二、胚胎干细胞的体外分化胚胎干细胞在体外培养的条件下可被诱导分化为各种类型的成熟体细胞。在实际研究中，目前的一般思路是先诱导胚胎干细胞形成类胚体然后再从类胚体中分离所需要的目标细胞，进而扩大培养和利用。StemCellandTissueRegeneration经分化形成的类胚体样结构心肌组织表达心脏特异性肌钙蛋白脂肪骨骼骨髓基质肌腱，韧带基因传递软骨心肌生物制药StemCellandTissueRegeneration第三节组织干细胞一、造血干细胞二．间充质干细胞三、神经干细胞四、肝干细胞五、精原干细胞StemCellandTissueRegeneration目前已分离或鉴定的组织干细胞：造血干细胞(hematopoiesisstemcell，HSC)；间充质干细胞(mesenchymalstemcell,MSC)；神经干细胞(neuralstemcell,NSC)；肝干细胞(liverstemcell)；皮肤干细胞(epidermalstemcell)；小肠干细胞(intestinalstemcell)；角膜的干细胞(cornealstemcell)；肾脏干细胞(renalstemcell)；肌肉干细胞(myogenicstemcell)；胰腺干细胞(pancreaticstemcell)；肺脏干细胞(lungstemcell)。StemCellandTissueRegeneration组织干细胞示意图A．表皮组织，干细胞位于基底层；B.毛囊，干细胞位于膨胀部位；C.小肠隐窝干细胞；D.大脑，干细胞位于室管膜或下脑室（V：脑室区；SVC：下脑室区；E：室管膜；OB：嗅觉球）；E.造血系统（HSC：造血干细胞；A：脂肪细胞；M：巨噬细胞；T-L：T淋巴细胞；B-L：B淋巴细胞；B：嗜碱性粒细胞；E：嗜酸性粒细胞；N：中性粒细胞；Er：红细胞；P：血小板；S：基质细胞；V：静脉；Art：动脉）StemCellandTissueRegenerationA：脾内肝源性结节B：脾内肝源性结节HE染色C：脾内肝源性结节免疫组化形成于个体发育中的骨髓腔（marrowcavity）。特异性表面抗原有：SH2,、SH3、CD29、CD44、CD71、CD90、CD106、CD120a及CD124等。但是与造血干细胞不同，间充质干细胞不表达CD45、CD34、CD41、CD14等表面抗原。间充质干细胞可分化为多种间充质组织：如骨、关节、脂肪、肌腱、肌肉、骨髓基质等。二、间充质干细胞StemCellandTissueRegenerationMSC地塞米松、β-磷酸甘油Vc和含有10%FBS体外诱导分化脂肪细胞软骨细胞TGFβ3，无血清培养成骨细胞1-甲基-3-异丁基黄嘌呤、地塞米松、吲哚美辛三、神经干细胞在中枢神经系统中部分细胞仍具有自我更新及分化产生成熟脑细胞的能力，这些细胞被称为神经干细胞（neuralstemcells,NSC）。神经干细胞表达的一种中间纤维nestin可作为神经干细胞的特征性生物学标记。神经干细胞可以从中枢神经的嗅球、海马、下脑室、脑干、大脑等部位获得，也可以从外周神经系统如脊髓、感觉器官（嗅觉上皮和视网膜）等部位获得。StemCellandTissueRegeneration神经干细胞表达的一种中间纤维nestin作为神经干细胞的特征性生物学标记。StemCellandTissueRegeneration中枢神经系统的成体干细胞分化成神经元(蓝色,左上),星形胶质细胞(棕色)，以及少突胶质细胞(蓝色，左下).人神经干细胞系表达神经干细胞特异性蛋白：nestin(绿色).StemCellandTissueRegeneration肝干细胞胆管细胞肝细胞肝索细胞是个体发育过程中的肝干细胞（liverstemcell），在不同的微环境中可向胆管方向分化为胆管细胞和向中央静脉方向分化为肝细胞。四、肝干细胞StemCellandTissueRegeneration在成体肝脏中，肝干细胞可能存在于Hering管位置：即终末胆管向细胞间胆管过