2.1 干细胞来源及生物学特征

干细胞来源及生物学特征
什么是干细胞(STEM CELL)？
•干细胞(stem cell)是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。

•在细胞的分化过程中，细胞往往由于高度分化而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。

•机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞，称之为干细胞。

•一旦生理需要，这些干细胞可按照发育途径通过分裂而产生分化细胞。

•1963年，恩尼斯特.莫科洛克和詹姆士.堤尔首次证明了血液中干细胞的
存在，开启了干细胞研究的大门。

•。

什么是细胞分化？
•细胞分化(cell differentiation )：同一来源的细胞，通过细胞分裂在细胞间产生形态结构、生化特征和生理功能有稳定性差异的过程。

•是个体发育中组织器官形成的基础，是发育生物学的中心问题。

•时间上的分化：一个细胞在不同的发育阶段有不同的形态结构、生化特征和生理功能，如骨髓内血细胞的发生过程。

•空间上的分化：同一种细胞的子代细胞所处的环境位置不同，其形态结构、生化特征和生理功能也不一样，如外胚层来源的细胞可发育成表皮细胞、神经细胞等。

干细胞的特点
•干细胞本身不是处于分化途径的终端。

•能无限的增殖分裂。

•可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态。

•通过两种方式生长：
对称分裂--形成两个相同的干细胞
非对称分裂--由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，使得一个子细
胞不可逆的走向分化的终端成为功能专一的分化细胞;另一个保持亲代的特征，仍作为干细胞保留下来。

干细胞是具有多向分化潜能和自我更新特点的增殖速度较缓慢的细胞。

干细胞的分类
•按照分化潜能：全能型干细胞（胚胎干细胞，万能细胞），多能性干细胞，单能干细胞
•按照发育阶段：
胚胎干细胞(ESC)：主要是指来自囊胚内细胞团的细胞，有自我更新和多向分化潜能，可以分化为内、中、外三个胚层的各类细胞。

成体干细胞(ASC)：处于干细胞状态的成体细胞，包括成年和未成年动物组织中的各种干细胞，因此又称为组织干细胞。

如神经干细胞、造血
干细胞、骨髓间充质干细胞、上皮干细胞、肝干细胞、胰腺干细胞等。

按照分化潜能
1
全能性干细胞
具有形成完整个体的分化潜能。

如：胚胎干细胞
2
多能性干细胞
具有分化多种细胞组织的潜
能，但却失去了发育成完整
个体的能力。

如：造血干细胞，间充质干
细胞，皮肤干细胞
3
单能性干细胞
只能向一种类型或密切相关
的两种类型的细胞分化。

如：上皮组织基底层的干细
胞、肌肉中的成肌细胞、肠
上皮干细胞
胚胎干细胞(ESC)
•ESC即具有分化为机体任何一种组织器官潜能的细胞, 包括胚胞干细胞、胚胎生殖细胞(EGC)。

具备非凡的自我更新能力并能分化形成一种或多种细胞系。

人类5～6天的胚胎干细胞
胚胎干细胞（ESC）的来源
将囊胚内细胞团的细胞通过体外培养产生未分化的细胞克隆，建立
ESC系。

胚胎干细胞可在体外诱导分化形成各种成体细胞。

•1981年Evans 和Martin 首次成功分离和建立小鼠胚胎干细胞系
•1998年Thomson 等首次成功分离和建立人胚胎干细胞系
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胚胎干细胞的类型
胚胎干细胞
全能性胚胎性干细胞
多能性胚胎性干细胞
在胚胎发育最早阶段，各个卵裂球发育潜能几乎是等同的，每个细胞可独立地产生完整的机体
能诱导分化为几乎所有类型的细胞，具有很强的生物学可塑性，已属于多能性，略强于成体干细胞。

胚胎干细胞(ESC)生物学特征
•来自正常的胚胎具有完整的二倍体核型；体积小、核大、胞质少，有1或2个核仁，细胞间紧密的聚集在一起，细胞间界限不清，呈集落型生长，集落边缘清晰，遮光性强。

•表达早期胚胎细胞特异表达的基因，如：AKP(碱性磷酸酶)、高端粒酶基因活性。

•具有不断增殖分化的潜力, 在体外培养条件下可以建立稳定的干细胞系, 并保持高度未分化状态和发育潜能性
•具有高度的发育潜能和分化潜能, 体内外可分外出外、中、内三个胚层的分化细胞, 具有广泛的体外分化能力。

可在体外培养条件下建立稳定的细胞系，并保持稳定的二倍体核型，在体外长时间培养、诱导分化后，仍能分化形成3种胚胎生殖层。

•具有种系传递动能。

若将其与受者囊胚混合后，可形成嵌合体或嵌合动物，结合基因工程技术，可以克隆出大量优质转基因生物。

•在体外培养、克隆、冻存，在体外可以进行遗传改造操作（导入基因、标记基因或剔除基因），及进行基因重组、诱导基因突变、转基因动物等。

扩增遗传操作及冻存均不丧失其多能性。

胚胎干细胞（ESC）的优势
•胚胎干细胞的研究已经有三十多年的历史。

鼠胚胎干细胞的研究已经证明了胚胎干细胞的全能性，研究成果给正在进行的人体胚胎干细胞研究很大的助力。

•ESC 能永生化，可以传代建系，且增殖能力强，来源充沛。

胚胎干细胞（ESC）研究面临的难题
•用于干细胞研究的胚胎来源困难
•如何保持胚胎干细胞的全能性？并向特定类型细胞转化？
•如何分离，纯化干细胞？
•分化后的干细胞是否具有致瘤性？
•干细胞在体外发育成完整的器官尚具有难度
•分化细胞移植仍有可能发生免疫排异
•伦理问题
人ESC用于临床的疾病治疗短期内将难以实现
成体干细胞(ASC)
•胚胎干细胞继续进行分化，形成具有特定功能的干细胞，如血液干细胞可分化成白细胞、红细胞和血小板，皮肤干细胞可形成各种不同类型的皮肤细胞。

这些专门化的干细胞统称多能干细胞。

在胎儿、儿童和成人组织中存在的多能干细胞统称“成体干细胞（Adult stem cell，ASC）”。

•具有自我更新能力, 但通常只能分化为相应组织器官组成的“专业细胞”。

•它是存在于成熟个体各种器官中的干细胞, 包括神经干细胞(NSC) 、血液干细胞(HSE), 骨髓间充质干细胞(MSC) 、表皮干细胞(Epidexmis stem cell) 、肝干细胞(Hepatic stem cell) 等。

•成体干细胞这种跨系统分化特性称为“可塑性（Plasticity）”。

成体干细胞的生物学特性
•ASC数量很少, 其基本功能是参与组织更新, 创伤修复及维持机体内环境稳定。

人和动物皮肤中的干细胞含量仅为7%～8%。

•常处于一个有干细胞基质, 对干细胞的增殖和分化起调控作用的各种信号分子的特定微环境或称生物位( nich) 中, 干细胞是自我复制还是分化为功能细胞取决于所在微环境的自身的功能状态。

•ASC没有确定的来源，Weixxman推测, 成体干细胞是胚胞发育过程中保存下来的未分化的细胞, 这揭示ASC与ESC可能会有更多的相似性与同源性。

•长期存活，可塑性，化学趋向性
成体干细胞的功能
•自然条件下ASC倾向于分化成所在组织的细胞，参与组织更新和损伤修
复；
•外界条件诱导下ASC可横向分化成其他组织的细胞，参与这些组织的损
伤修复。

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成体干细胞的分类
•神经干细胞•造血干细胞•间充质干细胞•骨及软骨干细胞•心脏干细胞•皮肤干细胞•脂肪干细胞•肠胃干细胞●胰腺干细胞
●肝脏干细胞
●前列腺干细胞●角膜干细胞
●气管干细胞
●血管内皮干细胞●生殖干细胞
●肿瘤干细胞
成体干细胞的生物学特性-长期存活
•干细胞不论在体内还是体外培养都能长期存活，不断地自我繁殖•只有长期存活，才能用于临床治疗。

成体干细胞的生物学特性-可塑性
●成体干细胞的可以跨系跨胚层分化为所有的组
织细胞类型的特性，称为可塑性。

●这是成体干细胞能够治疗各种细胞损伤性疾病
的理论基础。

成体干细胞的生物学特性-化学趋向性
•“干细胞向病理部位迁移”，称为化学趋向性。

干细
胞归巢。

•成体干细胞具有特殊的生物学多样性，特别是多相分
化潜能。

•成体干细胞可以作为细胞治疗和基因治疗的理想载体。

ESC 与ASC 的比较
优点
缺点ESC 能永生化，可传代建系，增殖能力强，来源充沛受个体MHC 不同，有可能引起免疫排斥，需进行长期免疫抑制剂治疗或将患者的造血系统和外来细胞形成嵌合体。

体细胞克隆所需的卵细胞难以获得。

分化是“非定位性”的，可导致畸胎瘤。

在应用胚胎干细胞治疗前，必须先进行初步的细胞诱导分化，以防止畸胎瘤的发生。

须确认胚胎干细胞供者没有诸如（肌）营养失调症之类的遗传性疾病。

ASC 能体外扩增培养，可从患者自身获得，避免长期应用免疫抑制剂，是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的最有效方法。

不存在伦理争执向多系分化的“效率”不理想。

体外扩增培养转化是否会引起成体干细胞遗传变化还有待证实。

尚未从人体的全部组织中分离出成体干细胞.含量极微，很难分离和纯化，且数量随年龄增长而降低在一些遗传缺陷疾病中，遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中，这样的干细胞不适于移植
由于日常生活中人是暴露在各种环境之下的，日光和毒素等都有可能造成基
因突变，成体干细胞可能包含更多的DNA 异常等等。

本节思考题
•干细胞根据分化阶段及分化潜能，分别可以分为哪几种？•胚胎干细胞和成体干细胞的生物学特征分别是什么？。