1、成体干细胞成体干细胞 Adult stem cells 概概 述述 成体干细胞分化的可塑性成体干细胞分化的可塑性 成体干细胞的体外培养和特性成体干细胞的体外培养和特性 成体干细胞研究中的问题成体干细胞研究中的问题 成体干细胞在再生医学中的应用成体干细胞在再生医学中的应用 概概 述述 一、定义一、定义 成体干细胞是指一群成体干细胞是指一群分布在成体组织分布在成体组织中中尚未尚未分化分化的、具有的、具有自我更新自我更新、并负有、并负有构建和补充构建和补充某种组织的各种类型细胞潜能的干细胞某种组织的各种类型细胞潜能的干细胞,又称又称组织特异性干细胞组织特异性干细胞(Tissue-specific s
2、tem cell)。传统观点传统观点 干细胞一旦分化成熟，就不再分裂增殖了干细胞一旦分化成熟，就不再分裂增殖了；成体干细胞的发育潜能是限能或少能的；成体干细胞的发育潜能是限能或少能的；成体干细胞只能分化为特定组织器官若干类型细胞。成体干细胞只能分化为特定组织器官若干类型细胞。转折点转折点 19971997年初，英国科学家年初，英国科学家WilmutWilmut等用体外培养、高度分化的等用体外培养、高度分化的母羊乳腺细胞核移植入去核卵细胞，克隆出了母羊乳腺细胞核移植入去核卵细胞，克隆出了 “DollyDolly”。表明某些高度分化的体细胞核仍表明某些高度分化的体细胞核仍具有一套完整的遗传信息，具
3、有一套完整的遗传信息，能指导胚胎发育成为一个完整的新个体。能指导胚胎发育成为一个完整的新个体。在特定的条件下，分化的体细胞仍具在特定的条件下，分化的体细胞仍具发育的全能性。发育的全能性。与胚胎干细胞相比，成体干细胞具有许多优势：与胚胎干细胞相比，成体干细胞具有许多优势：成体干细胞不存在组织相容性的问题，治疗时可避成体干细胞不存在组织相容性的问题，治疗时可避免长期应用免疫抑制剂对患者的伤害。免长期应用免疫抑制剂对患者的伤害。胚胎干细胞能分化成各种细胞类型，但这种分化胚胎干细胞能分化成各种细胞类型，但这种分化是“非定位性”的。目前，尚不能控制胚胎干细胞在是“非定位性”的。目前，尚不能控制胚胎干细胞
4、在特定的部位分化成相应的细胞，容易导致畸胎瘤。特定的部位分化成相应的细胞，容易导致畸胎瘤。成体干细胞也具有类胚胎干细胞的高度分化能力。成体干细胞也具有类胚胎干细胞的高度分化能力。二二 分分 化化 目前，比较一致的看法是：目前，比较一致的看法是：成体干细胞是一种尚未终末分化的、处于干细胞成体干细胞是一种尚未终末分化的、处于干细胞/祖祖细胞或前体细胞状态的成体细胞；细胞或前体细胞状态的成体细胞；正常生理条件下，倾向分化为所在特定组织的若干正常生理条件下，倾向分化为所在特定组织的若干种细胞；种细胞；外界条件诱导下，成体干细胞能超越该特定组织，外界条件诱导下，成体干细胞能超越该特定组织，分化成其他的功
5、能细胞，补充参与损伤组织的修复等。分化成其他的功能细胞，补充参与损伤组织的修复等。三三 特征特征 多能性多能性 广广泛泛性性 迁迁移移性性 可调控性可调控性 增生活跃增生活跃组织（如黏组织（如黏膜、骨髓）膜、骨髓）不活跃组不活跃组组织（如神组织（如神经脂肪、肺经脂肪、肺部）。部）。体内发生体内发生转分化的中转分化的中介环节。介环节。BlauBlau等将等将干细胞借助干细胞借助于循环穿梭于循环穿梭于组织的特于组织的特性成为性成为“干干细胞高速公细胞高速公路路”。高度依赖于干细胞所处的高度依赖于干细胞所处的三维空间结构三维空间结构和和多维的分化信号多维的分化信号。微环境中的微环境中的细胞因子细胞因
6、子、同种或异种细胞之间的接触同种或异种细胞之间的接触、细胞外、细胞外基质成基质成分分等对成体细胞的分化方向与进程起到重要的调控作用。等对成体细胞的分化方向与进程起到重要的调控作用。成体干细胞分化的可塑性成体干细胞分化的可塑性 目前对于可塑性的机制有几种假说目前对于可塑性的机制有几种假说:假说假说1 1 成熟的组织内的确存在由胚胎时残留下来的成熟的组织内的确存在由胚胎时残留下来的多能干细胞。多能干细胞。VerfaillieVerfaillie等证实在成体许多组织中余存等证实在成体许多组织中余存着一种稀有数量的胚胎样原始干细胞，表达着一种稀有数量的胚胎样原始干细胞，表达胚胎干细胞的遗传标志，体外的
7、培养条件也胚胎干细胞的遗传标志，体外的培养条件也基本类似于胚胎干细胞。基本类似于胚胎干细胞。假说假说2 2 可塑性是细胞融合的结果。可塑性是细胞融合的结果。2020世纪初期，通过细胞融合产生杂合体而改变细胞世纪初期，通过细胞融合产生杂合体而改变细胞命运，例如将肌母细胞与纤维母细胞融合后，可在纤命运，例如将肌母细胞与纤维母细胞融合后，可在纤维母细胞内观察到肌蛋白表达；维母细胞内观察到肌蛋白表达；将鼠骨髓细胞或神经细胞与胚胎干细胞共同培养后，将鼠骨髓细胞或神经细胞与胚胎干细胞共同培养后，骨髓细胞和神经细胞会产生明显的逆向分化，获得胚骨髓细胞和神经细胞会产生明显的逆向分化，获得胚胎干细胞特征；胎干细
8、胞特征；最近有研究人员将热休克的小气道上皮细胞与骨髓间质最近有研究人员将热休克的小气道上皮细胞与骨髓间质干细胞共同培养，观察到间质干细胞与损伤的气道细胞融干细胞共同培养，观察到间质干细胞与损伤的气道细胞融合新生出气道上皮，而且融合率大于合新生出气道上皮，而且融合率大于1%1%，推测在，推测在体内出现体内出现急性器官衰竭和组织坏死时有可能通过细胞融合完成组织急性器官衰竭和组织坏死时有可能通过细胞融合完成组织修复修复.假说假说3 3 细胞由成熟状态去分化为较原始状态，随后再分化细胞由成熟状态去分化为较原始状态，随后再分化为成熟的其他类型细胞，为成熟的其他类型细胞，“克隆羊多利克隆羊多利”明确显示明
9、确显示细细胞的遗传信息可以被再程序化，体细胞可以去分化成胞的遗传信息可以被再程序化，体细胞可以去分化成为多能干细胞为多能干细胞.低等脊椎动物的研究，显示损伤部位可以出现与胚低等脊椎动物的研究，显示损伤部位可以出现与胚胎发育类似的未分化细胞进行修复，嵘螺的研究表明胎发育类似的未分化细胞进行修复，嵘螺的研究表明其通过局部已分化终末细胞去分化完成修复功能其通过局部已分化终末细胞去分化完成修复功能.分化分化就是受精卵发育成成体的过程中，细胞完成结构功能定向改变的过程，实质是基因选择性表达的结果。去分化去分化就是脱分化，分化细胞失去其特有结构而变成具有未分化细胞特征的过程。在动物中,去分化细胞具有胚胎间
10、质细胞的功能。在植物中,去分化细胞成为薄壁细胞,称为愈伤组织(callus)。去分化往往随之又发生再分化(redifferentiation)。1 1、骨髓干细胞、骨髓干细胞 2 2、神经干细胞、神经干细胞 4 4、骨骼肌干细胞、骨骼肌干细胞 3 3、肝干细胞、肝干细胞 1 1、骨髓干细胞、骨髓干细胞 骨髓由不同类型多种细胞成分组成的组织，除了分化的骨髓由不同类型多种细胞成分组成的组织，除了分化的血细胞和间质细胞等，还存在两类成体干细胞：血细胞和间质细胞等，还存在两类成体干细胞：一类是造血干细胞（一类是造血干细胞（hematopoietic stem hematopoietic stem ce
11、ll,HSCcell,HSC）,能生成各种血细胞；能生成各种血细胞；另一类是间质干细胞（另一类是间质干细胞（mesenchymal stem cellmesenchymal stem cell，MSCMSC），能生成内皮细胞、脂肪细胞和成纤维细胞等。），能生成内皮细胞、脂肪细胞和成纤维细胞等。体外培养的骨髓细胞，体外培养的骨髓细胞，HSCHSC细胞呈悬浮集落生长，细胞呈悬浮集落生长，而而MSCMSC细胞则贴壁生长，通过换液很容易把两者分开。细胞则贴壁生长，通过换液很容易把两者分开。间质干细胞间质干细胞 证明可分化为包括骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞和肌证明可分化为包括骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞和肌
12、肉细胞等，也能分化成内皮细胞和内胚层的肝细胞。肉细胞等，也能分化成内皮细胞和内胚层的肝细胞。当当MSCMSC细胞移植入小剂量射线照射的宿主，则造血系统细胞移植入小剂量射线照射的宿主，则造血系统和胃肠道组织有所增多，表明和胃肠道组织有所增多，表明MSCMSC细胞在异常环境中，细细胞在异常环境中，细胞分化的可塑性增加。胞分化的可塑性增加。造血干细胞造血干细胞 HSCHSC移植至不同的体内微环境，可分化为移植至不同的体内微环境，可分化为3 3个胚层的各种个胚层的各种类型细胞，包括心肌、骨骼肌、血管内皮系统、肝细胞、类型细胞，包括心肌、骨骼肌、血管内皮系统、肝细胞、肺泡、食道、肠道、胃、胆管以及皮肤和
13、神经细胞等。肺泡、食道、肠道、胃、胆管以及皮肤和神经细胞等。HSCHSC细胞在体外培养时，发现血细胞系之间，即淋巴细胞细胞在体外培养时，发现血细胞系之间，即淋巴细胞系与髓性细胞系之间和系内也存在分化方向的转变。系与髓性细胞系之间和系内也存在分化方向的转变。Hematopoiesis 造血 Hematopoietic stem cell Common lymphoid progenitor（淋巴系）Common myeloid progenitor（髓系）NK cell B cell T cell Gran/Mac progenitor Erythro/Plt progenitor RBC Pl
14、atelet macrophage neutrophil basophil eosinophil 2 2、神经干细胞、神经干细胞 神经系统中一类能自我更新，并产生神经元和神经胶神经系统中一类能自我更新，并产生神经元和神经胶质细胞的前体细胞。质细胞的前体细胞。主要存在于中枢神经系统的两个神经发生区域：脑的海主要存在于中枢神经系统的两个神经发生区域：脑的海马区和次脑室区，以及包括脊髓等其他非神经性的区域。马区和次脑室区，以及包括脊髓等其他非神经性的区域。通过个体发育不同阶段的神经干细胞移植至宿主不同部通过个体发育不同阶段的神经干细胞移植至宿主不同部位，发现神经干细胞移植分化为神经细胞的潜能具有发育
15、位，发现神经干细胞移植分化为神经细胞的潜能具有发育阶段的依赖性，说明成体中的神经干细胞分化潜能受到一阶段的依赖性，说明成体中的神经干细胞分化潜能受到一定的限制。定的限制。19991999年，年，BjornsonBjornson将从成年小鼠脑组织分离的神经干细将从成年小鼠脑组织分离的神经干细胞移植入经胞移植入经X X射线照射过的小鼠骨髓部位，分化出血液细射线照射过的小鼠骨髓部位，分化出血液细胞，开创了成体干细胞跨越组织或胚层分化研究的先例。胞，开创了成体干细胞跨越组织或胚层分化研究的先例。3 3、肝干细胞、肝干细胞 对肝干细胞存在与否的问题一直有争论。对肝干细胞存在与否的问题一直有争论。对发育中
16、的肝脏具有自我更新能力的细胞进行单克对发育中的肝脏具有自我更新能力的细胞进行单克隆培养和分析，证明其内的卵圆形细胞在体外能大量隆培养和分析，证明其内的卵圆形细胞在体外能大量增殖，细胞移植后可分化，表明肝卵圆形细胞是肝干增殖，细胞移植后可分化，表明肝卵圆形细胞是肝干细胞，具有分化为肝细胞和胆管上皮细胞的双潜能性。细胞，具有分化为肝细胞和胆管上皮细胞的双潜能性。肝干细胞的鉴定肝干细胞的鉴定 肝干细胞本身缺乏特异性标志，分离和鉴定带来了困难。肝干细胞本身缺乏特异性标志，分离和鉴定带来了困难。双潜能的肝干细胞同时表达肝细胞和胆上皮细胞的标志物，双潜能的肝干细胞同时表达肝细胞和胆上皮细胞的标志物，细胞角蛋白细胞角蛋白CK7CK7和和CK19CK19为胆上皮细胞的特异性标志；为胆上皮细胞的特异性标志；白蛋白白蛋白(ALB)(ALB)、甲胎蛋白甲胎蛋白(AFP)和肝代谢酶细胞色素和肝代谢酶细胞色素P450P450可可 作特异性标志物；作特异性标志物；细胞角蛋白细胞角蛋白CK8CK8和和CK18CK18在肝实质细胞和胆上皮细胞都有表达。在肝实质细胞和胆上皮细胞都有表达。肝干细胞一般除了其特有的形态学外