成体干细胞及组织工程学精选课件.ppt

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1、关于成体干细胞及关于成体干细胞及组织工程学组织工程学第一页，本课件共有48页什么是成体干细胞？什么是成体干细胞？（somatic stem cell or adult stem cells）l指存在于分化组织中的未分化细胞，具有自我更指存在于分化组织中的未分化细胞，具有自我更新、构建和补充相应组织中各种类型细胞的潜能。新、构建和补充相应组织中各种类型细胞的潜能。l成体干细胞存在于机体的各种组织器官中。成体干细胞存在于机体的各种组织器官中。2第二页，本课件共有48页主要的成体干细胞：主要的成体干细胞：l造血干细胞（造血干细胞（hematopoietic stem cell,HSC）l骨髓间充质干

2、细胞骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cell,MSC）l神经干细胞（神经干细胞（neural stem cell,NSC）l表皮干细胞（表皮干细胞（epidexmis stem cell,ESC）l脐血干细胞（脐血干细胞（cord blood stem cell）l肿瘤干细胞（肿瘤干细胞（cancer stem cell）3第三页，本课件共有48页CSCs and stem cell nichel在肿瘤细胞中存在着小部分的肿瘤干细胞（cancer stem cells,CSCs），是肿瘤形成、复发、转移和耐药的决定性原因和基础。4第四页，本课件共有48页成体干细胞来源：成体

3、干细胞来源：l可能是胚胎细胞残留于机体，并在干细胞微环可能是胚胎细胞残留于机体，并在干细胞微环境的作用下保持静息状态。境的作用下保持静息状态。l存留的组织需要修复，便在特定微环境下被激存留的组织需要修复，便在特定微环境下被激活并分化成所需的细胞。活并分化成所需的细胞。5第五页，本课件共有48页成体干细胞三大特征：成体干细胞三大特征：l自我更新自我更新 l种系定向分化能力：具有多能分化特性，能够分种系定向分化能力：具有多能分化特性，能够分化为特定组织的多种细胞类型，化为特定组织的多种细胞类型，但分化潜能有限但分化潜能有限。l在特定组织定居：大多数成体干细胞处于休眠状态在特定组织定居：大多数成体干

4、细胞处于休眠状态（G0期），病理因素或诱导后表现再生和更新能力，期），病理因素或诱导后表现再生和更新能力，替代受损细胞或死亡细胞。替代受损细胞或死亡细胞。6第六页，本课件共有48页胚胎干细胞与成体干细胞胚胎干细胞与成体干细胞l具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，有具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，有形成完整个体的分化潜能。形成完整个体的分化潜能。l可分化成为全身可分化成为全身200多种细胞类型，进一步形成机体多种细胞类型，进一步形成机体的所有组织、器官。的所有组织、器官。u 胚胎干细胞胚胎干细胞全能干细胞全能干细胞(totipotent stem cell)7第七页，本课件共有4

5、8页l多能干细胞能产生多种类型细胞的能力，但却多能干细胞能产生多种类型细胞的能力，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。一定的限制。l单能干细胞只能向单一方向分化，产生一种类型的细单能干细胞只能向单一方向分化，产生一种类型的细胞。胞。u 成体干细胞成体干细胞多能干细胞多能干细胞(pluripotent stem cell)或单能干细胞或单能干细胞(unipotent stem cell)8第八页，本课件共有48页干细胞横向分化干细胞横向分化（transdifferentiation）l组织干细胞通过活化潜组织干细胞通过活化潜在的其他分化

6、程序，改在的其他分化程序，改变了组织干细胞的特异变了组织干细胞的特异性种系分化进程，可分性种系分化进程，可分化成其它组织细胞的能化成其它组织细胞的能力力。l造血干细胞向非造血组造血干细胞向非造血组织细胞分化、神经干细织细胞分化、神经干细胞向血液系统细胞分化胞向血液系统细胞分化 9第九页，本课件共有48页造血干细胞（造血干细胞（HSC）l胚胎期胚胎期定位于胎肝（定位于胎肝（Fetal liver,FL）l成年哺乳动物成年哺乳动物骨髓骨髓，外周血、脐带血，外周血、脐带血l转录因子转录因子MLL（mixed-lineage-leukemia gene），），RunX1，TEL/ETV6，SCL/Ta

7、l1，LMO2对胚胎期对胚胎期HSC分化发育有重要调节作用。分化发育有重要调节作用。10第十页，本课件共有48页HSC特性：特性：HSC的更新与分化：的更新与分化：采用不对称的分裂方式：采用不对称的分裂方式：其中一个细胞仍然保持干细胞的一切生物特性，从而保持其中一个细胞仍然保持干细胞的一切生物特性，从而保持HSC数量数量 相对稳定，这就是干细胞自我更新。相对稳定，这就是干细胞自我更新。另一个则进一步增殖分化为各类血细胞、前体细胞和成熟血细胞，另一个则进一步增殖分化为各类血细胞、前体细胞和成熟血细胞，释放到外周血中，执行各自任务，直至衰老死亡，这一过程是不停地释放到外周血中，执行各自任务，直至衰

8、老死亡，这一过程是不停地进行着的进行着的11l多向分化潜能多向分化潜能l自我更新自我更新第十一页，本课件共有48页造血干细胞的分化：造血干细胞的分化：11第十二页，本课件共有48页造血干细胞微环境造血干细胞微环境 l血管周围微环境、血管周围微环境、骨内膜微环境骨内膜微环境：维持干细胞：维持干细胞“干性干性”13第十三页，本课件共有48页造血干细胞的分离与鉴定造血干细胞的分离与鉴定l人人HSC表面标志物：表面标志物：CD34+、Lin-、c-kit+、sca-1+，Thy-1,IL-7Ra,Flt3,CD150。l流式细胞分选技术，免疫磁珠分选。流式细胞分选技术，免疫磁珠分选。lHSC的功能鉴定

9、：致死剂量放射线照射动物，的功能鉴定：致死剂量放射线照射动物，HSC移植可以重建骨髓的造血功能，长期移植可以重建骨髓的造血功能，长期（16周）产生多系成熟血液细胞。周）产生多系成熟血液细胞。14第十四页，本课件共有48页骨髓间充质干细胞骨髓间充质干细胞(MSC)l主要从主要从骨髓骨髓中分离，胎盘、脂肪组织、脐血和中分离，胎盘、脂肪组织、脐血和肝脏也存在肝脏也存在MSC。l人MSC 标志物：CD73+、CD90+、CD105+、CD45-l小鼠MSC标志物：Sca-1+、CD90+、CD45-15第十五页，本课件共有48页16MSC在低血清培养基中具贴壁优势特性，定期换液除去不贴壁细胞，可纯化及

10、扩增MSCl 全骨髓法根据骨髓中各细胞成分比重的不同，分离单核细胞进行贴壁培养l密度梯度离心法MSC的主要分离手段的主要分离手段流式或磁珠分选后的细胞出现增殖缓慢，成本较高、技术难度较大，限制了这些方法的广泛应用l流式细胞仪法、免疫磁珠法第十六页，本课件共有48页17向成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞等多种细胞分化向成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞等多种细胞分化MSC的分化的分化第十七页，本课件共有48页l骨髓中的多向分化干细胞骨髓中的多向分化干细胞（骨、软骨、脂肪、肌细胞、（骨、软骨、脂肪、肌细胞、心肌细胞、成纤维细胞、肝细胞）心肌细胞、成纤维细胞、肝细胞）；l容易获得；容易获得；l体外扩增体外扩增

11、10109 9倍仍不失多向分化潜能；倍仍不失多向分化潜能；l外源基因容易插入；外源基因容易插入；l免疫原性较弱；免疫原性较弱；l常见的组织工程种子细胞常见的组织工程种子细胞18MSC的优点的优点第十八页，本课件共有48页l肝干细胞的可能位置：位于肝干细胞的可能位置：位于Herings管区域内，管区域内，直接参与肝脏的生长和发育，同时也是肝细胞直接参与肝脏的生长和发育，同时也是肝细胞再生的重要细胞来源。再生的重要细胞来源。lHSC、脐带血干细胞和、脐带血干细胞和MSC在一定培养条件在一定培养条件下也可以向肝细胞分化。下也可以向肝细胞分化。肝干细胞肝干细胞(hepatic stem cell)19

12、第十九页，本课件共有48页l角蛋白角蛋白19(cytokeratin 19,CK19)l神经细胞粘附分子神经细胞粘附分子(neural cell adhesion molecule，NCAM)l上皮细胞粘附分子上皮细胞粘附分子(EpCAM)lclaudin-3(CLDN-3)人肝干细胞特征性标志物人肝干细胞特征性标志物20第二十页，本课件共有48页l细胞因子：细胞因子：成纤维细胞生长因子成纤维细胞生长因子2(FGF-2)、人、人activin A、肝细胞生长因子肝细胞生长因子(HGF)、骨形成蛋白、骨形成蛋白2(BMP2)l化学诱导剂：化学诱导剂：DMSO、地塞米松、地塞米松(Dex)、丁酸钠

13、、丁酸钠(NaB)、制瘤素制瘤素(OSM)肝干细胞定向分化肝干细胞定向分化肝干细胞诱导分化因子肝干细胞诱导分化因子21第二十一页，本课件共有48页实例：实例：2000年年8月，日本筑波大学把鼠肝干细胞体外培养月，日本筑波大学把鼠肝干细胞体外培养后，移植到肝功能衰竭的鼠肝中，后，移植到肝功能衰竭的鼠肝中，40天后干细胞发天后干细胞发育成新的肝组织，分泌出鼠肝特异清蛋白。育成新的肝组织，分泌出鼠肝特异清蛋白。肝干细胞定向分化肝干细胞定向分化22第二十二页，本课件共有48页l1992年年Reynolds和和Weiss首先从成年小鼠的纹状体首先从成年小鼠的纹状体和海马中分离出和海马中分离出NSC。l1

14、998年，年，Okano报道，成人脑室下区存在神经干细胞。报道，成人脑室下区存在神经干细胞。l1999年，年，Johnasson证实，成年哺乳动物脑室管壁证实，成年哺乳动物脑室管壁的室管膜细胞是神经干细胞。的室管膜细胞是神经干细胞。l1999年，年，Doetsch报道，成年哺乳动物脑内室下区的报道，成年哺乳动物脑内室下区的星形胶质细胞是神经干细胞。星形胶质细胞是神经干细胞。神经干细胞神经干细胞(NSC)NSC的可能位置的可能位置23第二十三页，本课件共有48页l巢蛋白巢蛋白(nestin)：一个比较公认的神经干细胞一个比较公认的神经干细胞标志物。标志物。仅在胚胎早期神经上皮表达，出生后停止表达

15、。仅在胚胎早期神经上皮表达，出生后停止表达。一旦神经前体细胞分化即停止表达一旦神经前体细胞分化即停止表达lA2B5蛋白蛋白lVimentinl胶质细胞标志物胶质细胞标志物(GFAP)等等l细胞表面抗原：细胞表面抗原：CD133+/CD34-/CD45-；NSC的表面标志物的表面标志物24第二十四页，本课件共有48页l帕金森病帕金森病(Parkinson disease，PD)l阿尔兹海默病阿尔兹海默病(Alzheimer disease，AD)l亨廷顿病亨廷顿病(Huntington disease，HD)25神经干细胞的临床应用神经干细胞的临床应用第二十五页，本课件共有48页l首都医科大学附

16、属神经外二科主任黄红云等自首都医科大学附属神经外二科主任黄红云等自20012001年起在世界上率先开展流产胎（婴）儿嗅年起在世界上率先开展流产胎（婴）儿嗅鞘细胞鞘细胞(一种一种NSC)NSC)移植治疗脊髓损伤。移植治疗脊髓损伤。l已经治疗近已经治疗近400400例，部分完全性脊髓损伤患者例，部分完全性脊髓损伤患者恢复部分功能。恢复部分功能。26第二十六页，本课件共有48页表皮干细胞表皮干细胞(Skin stem cell,SSC)-SSC的来源或部位：表皮干细胞：基底细胞 毛囊干细胞：毛囊膨胀部位的真皮乳头细胞团 27第二十七页，本课件共有48页表皮干细胞表皮干细胞-SSC特异生物标记：K4、

17、K14角蛋白-SSC干性的体内维持：整联蛋白、钙黏连蛋白 将SSC与基底膜细胞强烈黏附，维持SSC在 干细胞巢中附着，并维持其增殖与干性-SSC的分化：Wnt信号激活SSC增殖分化 28第二十八页，本课件共有48页l表皮干细胞终生都在更新；表皮干细胞终生都在更新；l体外培养表皮干细胞技术已经非常成熟；体外培养表皮干细胞技术已经非常成熟；l治疗的效果易于观察，万一发生不良反应可方治疗的效果易于观察，万一发生不良反应可方便地移去；便地移去；表皮干细胞特点与优势表皮干细胞特点与优势29第二十九页，本课件共有48页l1996，我国徐荣祥在烧伤创面上找到皮肤组织，我国徐荣祥在烧伤创面上找到皮肤组织 原位

18、再生的原始细胞原位再生的原始细胞“角蛋白十九型皮肤干细胞角蛋白十九型皮肤干细胞”。并成功诱导其分化生成皮肤细胞，使受伤的皮肤得以并成功诱导其分化生成皮肤细胞，使受伤的皮肤得以 迅速康复，实现人体器官原位再生，获得美国专利。迅速康复，实现人体器官原位再生，获得美国专利。l 已经成功应用于遗传性水疱病、大疱性表皮已经成功应用于遗传性水疱病、大疱性表皮 松懈症的基因治疗松懈症的基因治疗30第三十页，本课件共有48页组织工程（组织工程（Tissue Engineering）l定义：定义：应用应用生命科学生命科学与与工程学工程学的原理与技术，在正确认的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理状态下的组

19、织结构、功能关系识哺乳动物的正常及病理状态下的组织结构、功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。兴学科。31第三十一页，本课件共有48页l种子细胞种子细胞l支架材料和细胞外基质支架材料和细胞外基质l细胞与材料的体外复合培养细胞与材料的体外复合培养(细胞生长环境方式、应力，材料改性等细胞生长环境方式、应力，材料改性等)l体内植入体内植入(材料生物相容度、降解与细胞功能的同步化、营养支持、血材料生物相容度、降解与细胞功能的同步化、营

20、养支持、血管生成等管生成等)l检测和管理检测和管理l临床验证临床验证 l产业化产业化组织工程研究内容组织工程研究内容32第三十二页，本课件共有48页种子细胞：种子细胞：l胚胎干细胞：存在伦理胚胎干细胞：存在伦理问题，来源不易。问题，来源不易。l成体干细胞：易获得，成体干细胞：易获得，自身的成体干细胞没有自身的成体干细胞没有免疫原性。免疫原性。33第三十三页，本课件共有48页l体外途径：从病人体内获取细胞，体外培养体外途径：从病人体内获取细胞，体外培养并导入目的基因后，重新输入患者体内。并导入目的基因后，重新输入患者体内。l体内途径：直接将基因或携带目的基因的经体内途径：直接将基因或携带目的基因

21、的经改造的病毒导入人体患病组织中。改造的病毒导入人体患病组织中。34干细胞定向分化的基因策略干细胞定向分化的基因策略第三十四页，本课件共有48页l选择安全、无毒、容易穿过细胞膜的选择安全、无毒、容易穿过细胞膜的基因载基因载体体，将治疗基因导入细胞内。，将治疗基因导入细胞内。l理想载体的条件：理想载体的条件：l易获得高滴度的纯品；易获得高滴度的纯品；l能稳定、高效地转染体内非增殖状态的细胞；能稳定、高效地转染体内非增殖状态的细胞；l可以长期、稳定地表达外源基因而不会引起细胞毒性、感染或免疫应答；可以长期、稳定地表达外源基因而不会引起细胞毒性、感染或免疫应答；l能特异地识别靶组织，在其中表达外源基

22、因；能特异地识别靶组织，在其中表达外源基因；35干细胞基因治疗关键问题干细胞基因治疗关键问题第三十五页，本课件共有48页西班牙马德里自治大学博尔纳德教授和丹麦欧登塞大学医院布西班牙马德里自治大学博尔纳德教授和丹麦欧登塞大学医院布瑞恩斯瑞恩斯(Cancer Res,2005):(Cancer Res,2005):l体外培育人体间充质干细胞体外培育人体间充质干细胞6-86-8周是安全的；周是安全的；l超过超过4-54-5个月，这种干细胞会发生自发转化；个月，这种干细胞会发生自发转化；l体外培养体外培养8 8个月、分裂了个月、分裂了90-14090-140代的人体间充质干细胞代的人体间充质干细胞移植

23、至动物体内后，移植至动物体内后，发现发现“最老的最老的”细胞发生了癌变细胞发生了癌变。36转基因干细胞安全性问题转基因干细胞安全性问题第三十六页，本课件共有48页l原因原因端粒酶端粒酶l端粒酶有阻止端粒随细胞分裂而逐渐缩短的作端粒酶有阻止端粒随细胞分裂而逐渐缩短的作用，从而稳定染色体的末端，在保持细胞用，从而稳定染色体的末端，在保持细胞“永永生生”性中起重要作用。性中起重要作用。干细胞的端粒酶基因活干细胞的端粒酶基因活化，最终将其变成癌细胞。化，最终将其变成癌细胞。37第三十七页，本课件共有48页lECM蛋白多糖、糖蛋白、胶原纤维蛋白多糖、糖蛋白、胶原纤维 lECM是细胞附着的基本框架和代谢场

24、所，其形态和功能直接影是细胞附着的基本框架和代谢场所，其形态和功能直接影响所构成的组织形态和功能响所构成的组织形态和功能。l理想的理想的ECM应具有以下特点应具有以下特点 生物相容性好生物相容性好有可吸收性有可吸收性 有可塑性有可塑性 表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长 降解速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。降解速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。38细胞外基质的研究细胞外基质的研究第三十八页，本课件共有48页l天然天然ECM：采用胶原制作人工皮肤和血管模型：采用胶原制作人工皮肤和血管模型 l人工的人工的ECM：聚乳酸、聚

25、羟基乙酸、两者的共聚物：聚乳酸、聚羟基乙酸、两者的共聚物(PGA-PLA)、聚、聚-羟基丁酯羟基丁酯(PHB)；聚乳酸；聚乳酸-已内酯的共聚物已内酯的共聚物(PLC)、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐 l天然高分子与合成高分子的复合物天然高分子与合成高分子的复合物，如胶原，如胶原-PCA的的复合物等复合物等 l有机材料与无机材料的复合物，如羟基磷灰石有机材料与无机材料的复合物，如羟基磷灰石-甲壳素的复甲壳素的复合物，羟基磷灰石合物，羟基磷灰石-PLA的复合物等的复合物等 39细胞外基质的研究细胞外基质的研究 组织工程所应用的材料组织工程所应用的材料第三十九页，本课件共有4

26、8页l制备干细胞，诱导定向分化；制备干细胞，诱导定向分化；l建立由细胞和可降解材料构成的三维空间复合建立由细胞和可降解材料构成的三维空间复合体；体；l采用稳定的培养系统，是工程组织维持长期的采用稳定的培养系统，是工程组织维持长期的分化状态。分化状态。40组织工程组织工程(体外体外)实施的三大步骤实施的三大步骤第四十页，本课件共有48页l组织相容性；组织相容性；l材料降解与细胞功能发挥的同步化；材料降解与细胞功能发挥的同步化；l代谢活动，营养来源，血管化过程及方式；代谢活动，营养来源，血管化过程及方式；l与生长发育的关系，细胞的作用及转归，植入体的与生长发育的关系，细胞的作用及转归，植入体的最终

27、结局；最终结局；l体内生物力学，免疫学；体内生物力学，免疫学；l对药物治疗的反应。对药物治疗的反应。41体内植入研究体内植入研究第四十一页，本课件共有48页42骨组织构建骨组织构建构建组织工程骨的方式有几种构建组织工程骨的方式有几种支架材料与成骨细胞；支架材料与成骨细胞；支架材料与生长因子；支架材料与生长因子；支架材料与成骨细胞加生长因子。支架材料与成骨细胞加生长因子。第四十二页，本课件共有48页l一名7岁男孩沈某因车祸造成颅骨66厘米缺损；l采用组织工程技术构建的颅骨移植修复，经4个月随访，这块占颅骨总面积达1/6的组织工程化颅骨在人体内稳定存在，生长良好。43第四十三页，本课件共有48页l

28、人工皮肤人工皮肤“ApligrafApligraf”已经在美国面已经在美国面市；市；Organogenesis公司研制的与人类皮肤相同的Apligraf，是第一个获得美国食品及药物管理局(FDA)批准的人造组织。l它最初用于治疗腿部溃疡，也可用于治疗足部溃疡和烧伤。44人工皮肤人工皮肤第四十四页，本课件共有48页l一种能够使膝关节软骨一种能够使膝关节软骨再生的产品已经面市。再生的产品已经面市。l已为一个男孩培养了一已为一个男孩培养了一个胸廓，并在裸鼠身上个胸廓，并在裸鼠身上制造出了人耳。制造出了人耳。45人工软骨人工软骨人耳鼠人耳鼠第四十五页，本课件共有48页l2001.8.，德国杜塞尓多夫大

29、学医院施特劳尓教授等宣布：，德国杜塞尓多夫大学医院施特劳尓教授等宣布：从心肌梗塞患者的脊椎中取出干细胞，经处理后将其注入借从心肌梗塞患者的脊椎中取出干细胞，经处理后将其注入借助助“球体膨胀法球体膨胀法”撑开的梗塞动脉中。术后撑开的梗塞动脉中。术后10周，患者心周，患者心肌梗塞的规模缩小了近肌梗塞的规模缩小了近1/3，心脏功能也得到明显改善。，心脏功能也得到明显改善。l这是世界首例自体干细胞移植治疗心肌梗塞成功的病例。这是世界首例自体干细胞移植治疗心肌梗塞成功的病例。46人工心脏人工心脏第四十六页，本课件共有48页l地球重力限制了细胞的三维生长；地球重力限制了细胞的三维生长；l离体培养难以确保器官形成所需的多种条件；离体培养难以确保器官形成所需的多种条件；l细胞间相互促进或抑制的机理尚未研究清楚；细胞间相互促进或抑制的机理尚未研究清楚；47组织工程的三大难点组织工程的三大难点第四十七页，本课件共有48页感感谢谢大大家家观观看看第四十八页，本课件共有48页