干細胞Stemcell授課對象：2011級臨床五年制本科授課教員：張藝授課單位：基礎部細胞生物學教研室干細胞授課對象：2011級臨床五年制本科1theCrimesofPrometheusAnoldstoryfromGreekmythology再生醫學What’sthestemcell?theCrimesofPrometheusAnold2

干細胞（Stemcell）:是存在于個體發育過程中，具有長期（或無限）自我更新能力、并可分化產生某種（或多種）特化細胞的原始細胞。是個體的生長發育、組織器官的結構和功能的動態平衡，以及其損傷后的再生修復的基礎。一、干細胞概念干細胞（Stemcell）:是存在于個體發育過程3腫瘤干細胞tumorstemcell胚胎干細胞embryonicstemcell成體干細胞adultstemcellHematopoiesisSC造血干MesenchymalSC間充質干NeuralSC神經干EpidermalSC表皮干IntestinalSC腸干分化潛能分類全能干細胞Totipotentstemcell多能干細胞Pluripotentstemcell單能干細胞Unipotentstemcell二、干細胞的種類Categoriesofstemcell來源分類腫瘤干細胞胚胎干細胞成體干細胞HematopoiesisS4哺乳動物——受精卵和8-細胞期之前的細胞，每一個細胞都是全能干細胞。Totipotentstemcell——能形成完整的個體Typesofstemcell（按分化潛能分類）Categoriesofstemcell哺乳動物——受精卵和8-細胞期之前的細胞，每一個細胞都是5Pluripotentstemcell囊胚中的內細胞團，每一個細胞都能形成個體中所有類型的細胞但不能產生胎盤和其他一些發育時期的支持組織不能形成完整的個體CategoriesofstemcellPluripotentstemcellCategorie6Multipotentstemcell

只能分化形成功能上密切相關的一類細胞unipotentstemcell，單能干細胞只能分化形成一種類型細胞CategoriesofstemcellMultipotentstemcellunipot7PotencydefinitionsPotencyExampleTotiAllPluriMany/muchMultiSeveral/ManyOligoFew/LittleUniOneZygoteEmbryonicHematopoiesisLymphoidormyeloid

MuscleCategoriesofstemcellPotencydefinitions8EmbryonicStemcells(EScells)?胚胎干細胞Typesofstemcell（按來源分類）CategoriesofstemcellEmbryonicStemcells(EScells9TheculturedhumanembryonicstemcellsCategoriesofstemcellTheculturedhumanembry10AdultStemcells(AScells)?成體干細胞ThelocationofAdultStemCellsCategoriesofstemcellAdultStemcells(AScells)?Th11三、干細胞的特性ThebasicpropertiesofstemcellMorphologyandbiochemistrycharacteristicsTheproliferationofstemcellStemcelldifferentiationpotentialStemcellniche如何鑒定干細胞？三、干細胞的特性Morphologyandbiochem12Humanfetalhepaticstemcells（一）形態和生化特征1.形態學特征體積小核/質比大細胞器不夠發達（如內質網、高爾基復合體及線粒體等）propertiesofstemcellHumanfetalhepaticstemcells132.生物化學特征Mouseembryonicstemcellswithfluorescentmarker細胞表面、細胞內部具有特異性標志物生化標記物胚胎SC:Oct-4、SSEA-1神經SC:nestin、EGFr

毛囊SC:β1-integrin造血SC:CD34，CD38，propertiesofstemcell端粒酶2.生物化學特征Mouseembryonicstem14干細胞（stemcell）過渡放大細胞（transientamplifyingcell）終末分化細胞（terminallydifferentiatedcell）（二）干細胞的增殖特性過渡放大細胞：干細胞進入分化程序，經歷短暫的增殖期產生的細胞。TA細胞經歷若干次分裂，產生分化細胞。propertiesofstemcell干細胞（stemcell）（二）干細胞的增殖特性過15緩慢性（標記實驗）細胞動力學方面的研究表明，干細胞通常分裂較慢，組織中快速分裂的是過渡放大細胞。如小腸干細胞較其過渡放大細胞的分裂速度大約慢一倍。1.干細胞是慢周期細胞（slowcyclingcell）干細胞的增殖速率低于TA細胞標記滯留實驗：

放射性3H標記實驗BrdU標記實驗propertiesofstemcell緩慢性（標記實驗）1.干細胞是慢周期細胞（slowcycl16GFP

BrdU增殖速率慢標記保留細胞“Labelretainingcells”(LRCs)BrdUpropertiesofstemcellGFPBrdU增殖速率慢BrdUpropertieso17propertiesofstemcellpropertiesofstemcell18緩慢增殖有利于干細胞對特定的外界信號作出反應，以決定進行增殖還是進入特定的分化程序；緩慢增殖還可以減少基因發生突變的危險，使干細胞有更多的時間發現和校正復制錯誤。干細胞的慢增殖特性的生理意義propertiesofstemcell緩慢增殖有利于干細胞對特定的外界信號作出反應192.自穩定性自穩定性(self-maintenance)：自我更新(self-renewing)并維持其自身數目恒定。對稱分裂(symmetrydivision)不對稱分裂(asymmetrydivision)。

不均等分配——分化propertiesofstemcell2.自穩定性propertiesofstemcell20TwowaysforastemcelltoproducedaughterswithdifferentfatespropertiesofstemcellTwowaysforastemcelltop21高克隆形成率“Clonogenic”–highcolony-formingability3.干細胞增殖能力強Humanembryonicstemcellscolonypropertiesofstemcell高克隆形成率“Clonogenic”–highcol221.干細胞分化潛能的多向性Erythrocyte

Keratinocyte

Neuron

SkeletalmuscleHavethepotentialtogiverisetospecializedcelltypes.（三）干細胞的分化潛能propertiesofstemcell1.干細胞分化潛能的多向性ErythrocyteKerat23propertiesofstemcellpropertiesofstemcell242.干細胞分化的可塑性(plasticity)干細胞在適當條件下，可發生轉分化和去分化現象propertiesofstemcell2.干細胞分化的可塑性(plasticity)干25JamesA.ThomsonShinyaYamanaka

誘導的多能干細胞Inducedpluripotentstemcell（iPS）成體細胞能誘導轉變成為多能干細胞

成人成纖維細胞的誘導胰島細胞的誘導SomaticcellReprogramStemcellJunyingYupropertiesofstemcellJamesShinyaYamanaka誘導的多能干細胞26Yamanaka,2006;JamesThomsonandYamanaka,2007

ReprogrammingandiPScellpropertiesofstemcellYamanaka,2006;JamesThomson27CornealStemCellsandtheirNiches（四）微環境依賴性microenvironment-dependent干細胞巢StemCellNiche干細胞通常棲息在體內一個固定的、穩態的、安全的、血供豐富的微環境中，該區域被稱為干細胞巢。干細胞的分化和增殖與它所在的組織的微環境密切相關propertiesofstemcellCornealStemCellsandtheirN28GutStemCellsandtheirNichesHairfollicleStemCellsandtheirNiches干細胞巢的結構體系propertiesofstemcellGutStemCellsandtheirNiche29

①CellsStemcell，TAcells,Differentiatedcells,EndothelialcellMesenchymalcells，Coexistedstemcell（HFMSC）

②Secretedfactors

來源：干細胞其他細胞BMP2/4、TGFβ和WNT信號轉導途徑的信號分子

③Extracellularmatrix,Basalmembrane

Laminin、Integrins、TIMP2、Sdc、Tnc干細胞、外圍細胞、細胞外基質、增殖分化調控相關因子propertiesofstemcell①Cells②Secretedfactors30ProductionofdifferentiatedcellsfrommouseEScellsincultureCultured

embryonic

stemcellsDifferentculture

conditionsPluripotent能夠分化成為個體中除胎盤（placenta）外任何細胞類型的潛能四、胚胎干細胞EmbryonicStemCells(ESCs)（一）特性Productionofdifferentiatedc31Theroutesfromwhichtheembryonicstemcellsmaybeobtained囊胚內細胞團(胚胎干細胞）胚胎生殖嵴（胚胎生殖細胞）畸胎瘤（胚胎癌細胞）（二）胚胎干細胞來源EmbryonicStemCellsTheroutesfromwhichtheemb32Theinductionofembryonicstemcellsandstemcellengineering（三）應用1.發育研究的模型2.體外定向誘導分化3.藥物篩選4.器官移植EmbryonicStemCellsTheinductionofembryonicste33

種子細胞

生物材料

細胞生物材料復合物

移植

生物材料降解吸收，細胞增殖

創傷修復組織工程Lancet.2011-11-23

34EScellresearchcouldcreateacommercialmarketforhumancells-----“Thisdevalueslife”HarvestingEScellsdestroystheblastocyst-----“Thisismurder”EScellresearchcouldcre35五、成體干細胞Adultstemcell成體干細胞：指成體各組織器官中的干細胞，成體干細胞具有自我更新能力，但分化潛能窄，只能分化為相應(或相鄰)組織器官的組成細胞。Multipotent五、成體干細胞Adultstemcell成36Veryrarepopulationofmultipotentimmaturecells,1per2×104CanbeinducedtodifferentiateintoallfunctionalbloodcellsMostHSCarepositivefortheCD34surfaceantigen（一）造血干細胞HematopoieticStemCells最早分離的干細胞Adultstemcell（一）造血干細胞最早分離的干細胞Adultstemcel37AtentativeschemeofhemopoiesisAdultstemcellAtentativeschemeofhemopoie38（二）間充質干細胞

MesenchymalStemCells(MSC)來源骨髓胎盤能分化形成骨、關節、脂肪、肌肉等多種間充質組織Adultstemcell（二）間充質干細胞

MesenchymalStemCel39ThedifferentiationofmesenchymalstemcellsinvitroMSC:themostwidelyappliedtissuestemcell

Thedifferentiationofmesench40（三）神經干細胞

TheneuralstemcellAdultstemcell（三）神經干細胞

TheneuralstemcellA41（四）表皮干細胞、毛囊干細胞TheepidermalSCandhairfollicleSCAdultstemcell（四）表皮干細胞、毛囊干細胞Adultstemcell42六、腫瘤干細胞（Tumorstemcell）細胞癌變是細胞去分化的結果，因此與胚胎細胞有許多相似的生物學特性。六、腫瘤干細胞（Tumorstemcell）43乳腺癌干細胞

腫瘤干細胞是腫瘤組織中的少數細胞，具有無限的自我更新和誘導腫瘤發生的能力，是腫瘤產生的種子細胞。

自我更新能力低分化無限增殖能力成瘤性Tumorstemcell乳腺癌干細胞腫瘤干細胞是腫瘤組織中的少數細胞，具有無44腫瘤細胞中殺滅的區別對待

—尋找并撲殺“安靜的”腫瘤干細胞正常干細胞特性的研究

—尋找耐受腫瘤藥物的機制Tumorstemcell腫瘤細胞中殺滅的區別對待Tumorstemcell45Homework1.什么是干細胞？請列舉出2-3種干細胞并說明其特性？2.干細胞不同于體細胞的生物學特性有哪些？3.舉例說明干細胞在醫學上的應用。4.腫瘤干細胞有何特性？名詞解釋：Stemcell,totipotentSC,pluripotentSC,multipotentSC,stemcellnicheHomework1.什么是干細胞？請列舉出2-3種干細胞并46ThankYou!ThankYou!47干細胞Stemcell授課對象：2011級臨床五年制本科授課教員：張藝授課單位：基礎部細胞生物學教研室干細胞授課對象：2011級臨床五年制本科48theCrimesofPrometheusAnoldstoryfromGreekmythology再生醫學What’sthestemcell?theCrimesofPrometheusAnold49

干細胞（Stemcell）:是存在于個體發育過程中，具有長期（或無限）自我更新能力、并可分化產生某種（或多種）特化細胞的原始細胞。是個體的生長發育、組織器官的結構和功能的動態平衡，以及其損傷后的再生修復的基礎。一、干細胞概念干細胞（Stemcell）:是存在于個體發育過程50腫瘤干細胞tumorstemcell胚胎干細胞embryonicstemcell成體干細胞adultstemcellHematopoiesisSC造血干MesenchymalSC間充質干NeuralSC神經干EpidermalSC表皮干IntestinalSC腸干分化潛能分類全能干細胞Totipotentstemcell多能干細胞Pluripotentstemcell單能干細胞Unipotentstemcell二、干細胞的種類Categoriesofstemcell來源分類腫瘤干細胞胚胎干細胞成體干細胞HematopoiesisS51哺乳動物——受精卵和8-細胞期之前的細胞，每一個細胞都是全能干細胞。Totipotentstemcell——能形成完整的個體Typesofstemcell（按分化潛能分類）Categoriesofstemcell哺乳動物——受精卵和8-細胞期之前的細胞，每一個細胞都是52Pluripotentstemcell囊胚中的內細胞團，每一個細胞都能形成個體中所有類型的細胞但不能產生胎盤和其他一些發育時期的支持組織不能形成完整的個體CategoriesofstemcellPluripotentstemcellCategorie53Multipotentstemcell

只能分化形成功能上密切相關的一類細胞unipotentstemcell，單能干細胞只能分化形成一種類型細胞CategoriesofstemcellMultipotentstemcellunipot54PotencydefinitionsPotencyExampleTotiAllPluriMany/muchMultiSeveral/ManyOligoFew/LittleUniOneZygoteEmbryonicHematopoiesisLymphoidormyeloid

MuscleCategoriesofstemcellPotencydefinitions55EmbryonicStemcells(EScells)?胚胎干細胞Typesofstemcell（按來源分類）CategoriesofstemcellEmbryonicStemcells(EScells56TheculturedhumanembryonicstemcellsCategoriesofstemcellTheculturedhumanembry57AdultStemcells(AScells)?成體干細胞ThelocationofAdultStemCellsCategoriesofstemcellAdultStemcells(AScells)?Th58三、干細胞的特性ThebasicpropertiesofstemcellMorphologyandbiochemistrycharacteristicsTheproliferationofstemcellStemcelldifferentiationpotentialStemcellniche如何鑒定干細胞？三、干細胞的特性Morphologyandbiochem59Humanfetalhepaticstemcells（一）形態和生化特征1.形態學特征體積小核/質比大細胞器不夠發達（如內質網、高爾基復合體及線粒體等）propertiesofstemcellHumanfetalhepaticstemcells602.生物化學特征Mouseembryonicstemcellswithfluorescentmarker細胞表面、細胞內部具有特異性標志物生化標記物胚胎SC:Oct-4、SSEA-1神經SC:nestin、EGFr

毛囊SC:β1-integrin造血SC:CD34，CD38，propertiesofstemcell端粒酶2.生物化學特征Mouseembryonicstem61干細胞（stemcell）過渡放大細胞（transientamplifyingcell）終末分化細胞（terminallydifferentiatedcell）（二）干細胞的增殖特性過渡放大細胞：干細胞進入分化程序，經歷短暫的增殖期產生的細胞。TA細胞經歷若干次分裂，產生分化細胞。propertiesofstemcell干細胞（stemcell）（二）干細胞的增殖特性過62緩慢性（標記實驗）細胞動力學方面的研究表明，干細胞通常分裂較慢，組織中快速分裂的是過渡放大細胞。如小腸干細胞較其過渡放大細胞的分裂速度大約慢一倍。1.干細胞是慢周期細胞（slowcyclingcell）干細胞的增殖速率低于TA細胞標記滯留實驗：

放射性3H標記實驗BrdU標記實驗propertiesofstemcell緩慢性（標記實驗）1.干細胞是慢周期細胞（slowcycl63GFP

BrdU增殖速率慢標記保留細胞“Labelretainingcells”(LRCs)BrdUpropertiesofstemcellGFPBrdU增殖速率慢BrdUpropertieso64propertiesofstemcellpropertiesofstemcell65緩慢增殖有利于干細胞對特定的外界信號作出反應，以決定進行增殖還是進入特定的分化程序；緩慢增殖還可以減少基因發生突變的危險，使干細胞有更多的時間發現和校正復制錯誤。干細胞的慢增殖特性的生理意義propertiesofstemcell緩慢增殖有利于干細胞對特定的外界信號作出反應662.自穩定性自穩定性(self-maintenance)：自我更新(self-renewing)并維持其自身數目恒定。對稱分裂(symmetrydivision)不對稱分裂(asymmetrydivision)。

不均等分配——分化propertiesofstemcell2.自穩定性propertiesofstemcell67TwowaysforastemcelltoproducedaughterswithdifferentfatespropertiesofstemcellTwowaysforastemcelltop68高克隆形成率“Clonogenic”–highcolony-formingability3.干細胞增殖能力強Humanembryonicstemcellscolonypropertiesofstemcell高克隆形成率“Clonogenic”–highcol691.干細胞分化潛能的多向性Erythrocyte

Keratinocyte

Neuron

SkeletalmuscleHavethepotentialtogiverisetospecializedcelltypes.（三）干細胞的分化潛能propertiesofstemcell1.干細胞分化潛能的多向性ErythrocyteKerat70propertiesofstemcellpropertiesofstemcell712.干細胞分化的可塑性(plasticity)干細胞在適當條件下，可發生轉分化和去分化現象propertiesofstemcell2.干細胞分化的可塑性(plasticity)干72JamesA.ThomsonShinyaYamanaka

誘導的多能干細胞Inducedpluripotentstemcell（iPS）成體細胞能誘導轉變成為多能干細胞

成人成纖維細胞的誘導胰島細胞的誘導SomaticcellReprogramStemcellJunyingYupropertiesofstemcellJamesShinyaYamanaka誘導的多能干細胞73Yamanaka,2006;JamesThomsonandYamanaka,2007

ReprogrammingandiPScellpropertiesofstemcellYamanaka,2006;JamesThomson74CornealStemCellsandtheirNiches（四）微環境依賴性microenvironment-dependent干細胞巢StemCellNiche干細胞通常棲息在體內一個固定的、穩態的、安全的、血供豐富的微環境中，該區域被稱為干細胞巢。干細胞的分化和增殖與它所在的組織的微環境密切相關propertiesofstemcellCornealStemCellsandtheirN75GutStemCellsandtheirNichesHairfollicleStemCellsandtheirNiches干細胞巢的結構體系propertiesofstemcellGutStemCellsandtheirNiche76

①CellsStemcell，TAcells,Differentiatedcells,EndothelialcellMesenchymalcells，Coexistedstemcell（HFMSC）

②Secretedfactors

來源：干細胞其他細胞BMP2/4、TGFβ和WNT信號轉導途徑的信號分子

③Extracellularmatrix,Basalmembrane

Laminin、Integrins、TIMP2、Sdc、Tnc干細胞、外圍細胞、細胞外基質、增殖分化調控相關因子propertiesofstemcell①Cells②Secretedfactors77ProductionofdifferentiatedcellsfrommouseEScellsincultureCultured

embryonic

stemcellsDifferentculture

conditionsPluripotent能夠分化成為個體中除胎盤（placenta）外任何細胞類型的潛能四、胚胎干細胞EmbryonicStemCells(ESCs)（一）特性Productionofdifferentiatedc78Theroutesfromwhichtheembryonicstemcellsmaybeobtained囊胚內細胞團(胚胎干細胞）胚胎生殖嵴（胚胎生殖細胞）畸胎瘤（胚胎癌細胞）（二）胚胎干細胞來源EmbryonicStemCellsTheroutesfromwhichtheemb79Theinductionofembryonicstemcellsandstemcellengineering（三）應用1.發育研究的模型2.體外定向誘導分化3.藥物篩選4.器官移植EmbryonicStemCellsTheinductionofembryonicste80

種子細胞

生物材料

細胞生物材料復合物

移植

生物材料降解吸收，細胞增殖

創傷修復組織工程Lancet.2011-11-23

81EScellresearchcouldcreateacommercialmarketforhumancells-----“Thisdevalueslife”HarvestingEScellsdestroystheblastocyst-----“Thisismurder”ES