Stemcell

干細胞2013-121干細胞的定義及特點一類具有自我更新與分化潛能的未分化或低分化細胞。干細胞具有“無限”的增殖能力，能夠產生與母代細胞完全相同的子代細胞，維持該干細胞種群。

自我更新多分化潛能（可塑性）

干細胞能分化生成不同表型的成熟細胞，例如胚胎干細胞可以分化形成個體的所有成熟細胞類型。干細胞分化常發生在病理情況下，向病理部位遷移，成為病理部位的前體細胞，并分化為終末成熟細胞，因此不僅可以修復組織的損傷，而且可以作為細胞替代治療和‘基因治療’的理想載體。化學趨向性干細胞系的獲得不但為生物基礎領域的研究提供了重要工具，而且使現代醫學領域應用干細胞移植治療各種難治性疾病成為可能，這意味著干細胞醫學將產生巨大的發展潛力和應用前景。干細胞與醫學

根據細胞分化潛能不同，分為全能干細胞、多能干細胞和單能干細胞（unipotentstemcells）。(二)干細胞的分類

根據細胞所處的發育階段和發生學來源的不同，分為胚胎干細胞和成體干細胞（包括組織干細胞和生殖干細胞）。①胚胎干細胞(embryonicstemcell)：受精胚胎囊胚期的內細胞團、胎兒原始生殖嵴、重構胚的囊胚期細胞②成體干細胞(somaticstemcell)：干細胞分化時，干細胞的獨特增殖方式：干細胞具有獨特的增殖方式，即不對稱分裂（asymmetricdivision）。干細胞通過非對稱分裂產生與一個與母代細胞完全相同的子代細胞，以保持干細胞穩定；同時還產生過渡放大細胞（TA細胞），再由過渡放大細胞經過若干次分裂，最終產生分化細胞。

概念：個體出生以后，組織干細胞（包括生殖干細胞）生活的特殊微環境稱為干細胞微環境，這個微環境對干細胞的增殖與分化起著嚴密的調控作用，又稱為干細胞巢（stemcellniche）。不同組織類型的“干細胞微環境”的組成及定位不同。五、干細胞生理活動的微環境是干細胞維持自我更新和分化潛能的重要場所

干細胞需要特殊的微環境才能執行正常的生理功能。如果將造血干細胞從其正常生存的微環境中分離，它們即喪失了自我更新的能力。（一）干細胞需要特殊的微環境才能執行正常的生理功能

微環境還能調控干細胞的分化發育方向，例如，在不同信號途徑構成的微環境中，干細胞能向不同的譜系細胞分化。

果蠅卵巢干細胞微環境果蠅卵巢干細胞微環境成年果蠅卵巢生殖干細胞（germlinestemcell，GSC）位于卵巢原卵區的頂部，并被三種不同的基質細胞群所包繞：端絲(terminalfilament)、帽細胞(capcell)以及內鞘細胞（innersheathcell）。這三種基質細胞以及基膜共同構成GSC微環境，其中帽細胞通過E-cadherin介導的緊密連接將GSC固定在微環境中，與其他基質細胞產生的細胞信號分子如BMP、Notch等共同調控GSC的生長和分化。（二）干細胞微環境包括多種組成成分信號分子:以自分泌或旁分泌的形式影響干細胞的增殖與分化。細胞黏附分子:確保干細胞定居于微環境中，并接受信號分子的調節。細胞外基質:對干細胞正常功能的維持提供了重要信號，并且可以直接調節干細胞的分化方向。空間效應:空間結構對保持適宜的干細胞數目和干細胞的定向分化發揮了重要作用。

干細胞微環境是由定位于組織內的一群特殊細胞和細胞外支持結構組成（三）干細胞微環境具有一些共同的結構與功能特點

一些重要的信號分子輔助干細胞定位于微環境

干細胞微環境能夠產生多種外源信號分子，調控干細胞分化及增殖

脊椎動物和哺乳動物干細胞微環境具有特定的結構骨髓干細胞微環境胚胎干細胞特征性的基因產物和表面標記分子：特征性基因產物如SSEA-3，SSEA-4,TRA-1-60，TRA-1-81,堿性磷酸酶等整合素如整合素α6和β1，連接蛋白43等轉錄因子如Oct3/4，Nanog，Sox2等人類ES細胞與小鼠ES細胞的比較人類ES細胞小鼠ES細胞形態扁平的、有明顯細胞邊界的克隆

緊密聚集型，形成圓頂樣克隆

分化差異體外培養條件下較容易分化，并形成多種原始干細胞和部分處于不同分化階段幼稚細胞的多克隆

體外培養條件下較容易分化培養條件加入細胞因子LIF不能完全替代飼養細胞的作用細胞因子LIF不能完全替代飼養細胞的作用組織干細胞和多能干細胞用圓形表示，分化細胞用方形表示。

造血干細胞造血干細胞（HSC）的分化是典型的等級式分化過程，HSC首先分化形成多能造血祖細胞，然后分化為髓系干細胞和淋巴系干細胞，髓系干細胞分化形成紅細胞、血小板、巨噬細胞、中性粒細胞，而淋巴系細胞則形成T細胞，B細胞，NK細胞等。

間充質干細胞的體外誘導分化

MSC的應用

MSC局部移植治療組織器官的系統移植干細胞的基因治療組織工程中MSC的應用器官移植的排斥反應中起免疫調節作用

神經干細胞的發現1992年BrentA.Reynolds和SamuelWeiss從成年小鼠側腦室膜下區分離出能夠不斷增殖并具有分化潛能的細胞。

神經干細胞的特征性表面標志物包括神經細胞中間絲蛋白，即巢蛋白（nestin），以及波形蛋白（vimentin）、膠質細胞原纖維酸性蛋白（GFAP）等。皮膚毛囊干細胞、肝和小腸干細胞的定位及分化調控皮膚干細胞表皮干細胞毛囊干細胞、毛囊黑素干細胞真皮中分離的間充質干細胞皮膚表皮干細胞的表面標志物

整合素運鐵蛋白受體（transferrinreceptor）角蛋白（Keratin，CK）c-Myc和p63

小腸干細胞位于小腸隱窩底部，分散于潘氏細胞周圍，隱窩干細胞的數目約占0.4%～0.6%，每一個隱窩大約包括了4～6個小腸干細胞。

肝干細胞的特征性標志物肝干細胞角蛋白19（CK19）神經細胞黏附分子（NCAM）上皮細胞黏附分子（EpCAM）claudin-3(CLDN-3)Liv2、Dlk-2肝祖細胞甲胎蛋白（AFP）Alb基因

成體肝組織內分離得到具有向肝細胞和膽管上皮細胞雙向分化特性的肝干細胞。體外胚胎干細胞向肝細胞的定向誘導分化：主要經過胚狀體形成—內胚層特定分化—肝祖細胞形成—類肝細胞成熟四階段形成肝樣細胞。起源于卵黃囊內胚層細胞,位于卵黃囊的前尾區。在不斷分裂增殖的過程中遷徙至尿生殖嵴,以后發育為精原細胞。原始生殖細胞的來源多數觀點認為其來源于胚胎外胚層，但人類原始生殖細胞可能起源于靠近尿囊基部的卵黃囊背側內胚層。原始生殖細胞的來源多數觀點認為其來源于胚胎外胚層，但人類原始生殖細胞可能起源于靠近尿囊基部的卵黃囊背側內胚層。

生殖干細胞維持了生物種代間的延續性胚胎來源的胚胎生殖細胞成體組織來源的生殖干細胞生殖干細胞生殖干細胞是形成成熟配子體（精子或卵子）的前體細胞，通常認為其起源于原始生殖細胞(primordialgermcell，PGC)。原始生殖細胞具有特征性的表面標志物人類原始生殖細胞高表達堿性磷酸酶、糖脂類SSEAs、糖蛋白TRA-1-60、TRA-1-81、EMA-1、轉錄因子OCT-4及端粒末端轉移酶（hTERT）。

PGC的分化需要BMP和轉化生長因子超家族成員的協同作用。是從腫瘤組織中分離或鑒定的少數細胞，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。

1994年JohnDick首先發現急性髓樣白血病（AML）病人體內存在腫瘤干細胞。2003年發現了乳腺癌干細胞和腦腫瘤干細胞。目前已經在腸道腫瘤、骨肉瘤、肝癌等實體瘤以及血液系統腫瘤中發現了腫瘤干細胞。腫瘤干細胞的發現腫瘤干細胞與正常干細胞的比較

具有一些共同的表面標志物均具有體內組織器官的遷移能力均具有強大的自我更新能力存在相似的、調節自我更新的信號轉導途徑。

腫瘤干細胞的生物學特征圖已經鑒定的腫瘤干細胞表面標志物腫瘤類別細胞表面標志物AMLCD34+CD38-多發性骨髓瘤CD34-CD138-神經系統腫瘤CD133+乳腺癌CD44+CD24-/low結腸癌CD133+肝癌CD90+CD45-胰腺癌CD44+CD24+ESA+頭頸部腫瘤CD44+Lineage-基因突變與“克隆進化”假說不能完全解釋腫瘤的發生機制

體細胞自發突變形成腫瘤的可能性比較小。腫瘤的發生必須突破細胞靜止狀態的限制，例如逃逸一些調控細胞周期關鍵分子的作用。干細胞強大的增殖能力可以作為腫瘤細胞的重要來源，同時它們在體內長期存在，也為基因的突變積累提供了基礎。干細胞異常分化與腫瘤的發生

腫瘤的發生是一種克隆進化疾病。

腫瘤的發生是體細胞基因多階段突變積累和演變的過程，經歷了起始（initiation）、積累（accumulation）和促進（promotion）三個階段。

結腸癌的發生是典型的、研究較為透徹的基因突變積累過程的例子。

腫瘤發生的克隆選擇假說與腫瘤干細胞假說瘤腫瘤干細胞微環境與腫瘤干細胞惡性轉化腫瘤干細胞微環境圖腫瘤干細胞微環境中的信號異常活化或者結構改變，是腫瘤干細胞惡性表型的重要刺激因素（小腸腺瘤細胞、皮膚毛囊腫瘤細胞和淋巴細胞性白血病細胞信號通路的異常）細胞治療（celltherapy）

將體外培養的、具有正常功能細胞植入病人體內（或直接導入病變部位），以代償病變細胞所喪失的功能。或采用基因工程技術，將所培養的細胞在體外進行遺傳修飾后，再將其用于疾病的治療。

細胞治療示意圖

MouseembryonicstemcellsinjectedintoratbrainsexpresstheAHD2proteinmarker(yellow)characteristicofcellslostinParkinson'sdisease.神經干細胞(red)用于顱內腫瘤(green)的治療心血管內科內分泌內科神經內科腫瘤內科免疫內科心血管病急性心肌梗塞缺血性心臟疾病心力衰竭糖尿病肌營養失調帕金森氏癥老年癡呆癥共濟失調脊髓外傷性癱瘓運動神經元病重癥肌無力急性白血病慢性髓性白血病惡性淋巴瘤多發性骨髓瘤慢性淋巴性白血病骨髓增生異常綜合征化療后的支持療法遺傳性免疫缺陷病獲得性免疫缺陷綜合征風濕性關節炎克隆氏病復發性硬化心臟外科血管外科神經外科骨科整形科外周血管病糖尿病足閉塞性脈管炎血栓脊髓損傷肌萎縮性脊髓側索硬化癥腦外傷后遺癥腦梗死植物人腦卒中后遺癥脊髓炎后遺癥骨折股骨頭壞死骨質疏松癥腦外傷腰椎骨折骨折不愈合去皺美容凹陷性疤痕抗衰老消化內科婦兒科眼科五官科其它肝炎肝硬化小兒腦癱視神經發育不良及萎縮口腔科（外）牙病艾滋病等細胞工程細胞規模化培養：蛋白表達、抗體制備細胞融合：單克隆抗體制備、腫瘤疫苗核移植：克隆動物、轉基因動物細胞基因轉移：工程化細胞、生物工程藥物、疫苗制備、細胞模型單克隆抗體制備（invitrofertilizationandembryotransfer,IVF-ET）即試管嬰兒。1978年世界上第一例試管嬰兒1988年我國第一例試管嬰兒

體外受精與胚胎移植在不孕不育方面的運用

試管嬰兒的培育技術已經走過了三代，其主要差別是在受精卵“制造”上。第一代：把精子和卵子直接放在一起，增加兩者相遇機會。第二代：將單個精子直接注射入卵子里，從而“制造”出受精卵、胚胎，它適用于男方少精、弱精、甚至無精的情況。IVF-ET技術的發展

第三代：與第二代相近，只是要對卵裂球進行“胚胎種植前的遺傳學診斷”，挑選出無遺傳性疾病基因的胚胎移植入母體子宮，它適用于患有某種遺傳性疾病的夫妻。

例如有一位母親是血友病基因的攜帶者，她自己雖然不發病，但是，她的兩個兒子都是血友病患者，接連不幸夭折。這位悲傷的母親來到試管嬰兒中心，要求給她做試管嬰兒。醫生考慮到她的情況，決定給她做“第三代”試管嬰兒。IVF-ET的主要過程藥物誘發排卵B超監測取卵精樣準備體外受精胚胎移植結果監測精子庫、卵子庫與胚胎庫等應運而生不良后果：血親婚配、名人精子效應、代孕噱頭等克隆能給人類帶來什么克隆動物是未來的制藥廠克隆的愛因斯坦會懂“相對論”嗎？概念：是指應用工程學和生物學的原理和方法來研究正常或病理狀況下哺乳動物組織的結構、功能和生長的機理，進而開發能夠修復、維持或改善損傷組織的人工生物替代物的一門學科。

組織工程的一般方法：大規模擴增從體內獲得的細胞在聚合物骨架上種植這些細胞細胞增殖、分化，形成具有特定形態和功能的工程組織組織工程的基本方法

組織工程皮膚的支架組織工程皮膚組織工程膀胱（artificialbladder）ArtificialbladderbeingdevelopedbyJamesJ.YooM.D.,Ph.D.attheDepartmentofUrologyatHarvardMedicalSchool.小腸粘膜下組織（smallintestinesubmucosa，SIS）和膀胱無細胞基質（bladderacellularmatrix，BAM）是兩種新型的組織工程膀胱替代材料，取自豬的小腸粘膜下基質組織，經脫細胞、去免疫處理制備而成，目前已經商品化（OaSIS?）。干細胞研究的倫理學問題干細胞與醫學

成人：知情和自愿原則成體干細胞來源禁止從人胚胎中獲取多能干細胞禁止將人類多能干細胞用于制作或構建人胚胎禁止以獲取多能干細胞進行研究為目的，通過體外受精制作人胚胎禁止通過體細胞核移植的方法獲得的人類多能干細胞進行研究禁止將人類多能干細胞研究與體細胞核移植研究結合用于制作克隆人的研究活動NIH關于胚胎性干細胞研究的指導原則誘導性多能干細胞（inducedpluripotentstemcellsiPS）：2006年日本京都大學ShinyaYamanaka在世界著名學術雜志《細胞》上率先報道了誘導多能干細胞的研究。他們把Oct3/4,Sox2、c-Myc和Klf4這四種轉錄因子基因克隆入病毒載體，然后引入小鼠成纖維細胞，發現可誘導其發生轉化，產生的iPS細胞在形態、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都與胚胎干細胞相似iPS細胞具有和胚胎干細胞相似的生物學特征

1.細胞