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第七讲干细胞、骨发生及小结


干细胞概论

思考题: ?干细胞概念

?干细胞分类
?干细胞的生物

学特征

人体细胞从功能分两大类:功能细胞和干细胞.当细胞 凋亡和外界因素导致的细胞坏死损失大量的功能细胞时, 将由能产生新的功能细胞的“干细胞”来增殖分化补充。

随着年龄的增长,体内干细胞的数量和质量也在逐渐 下降,无法新生出健康的细胞替换组织中衰老病变的细胞 ,最终反应出人的衰老和疾病。所以恢复体内活跃干细胞 的数量,是抑制衰老、预防治疗各种疾病的关键。

一、干细胞概念

干细胞(Stem Cell):存在于胚胎或成体内 具有增殖、自我更新以及多项分化潜能的原始 细胞。是一种未充分分化、不成熟的细胞,具 有再生组织器官和人体的潜在功能。

二、干细胞的分类

根据来源分:胚胎干细胞+成体干细胞
胚胎干细胞

(1) 内细胞群细胞?ES细胞 (embryonic stem cells) (2) 胚胎生殖腺(5-9W)---EG细胞
(embryonic germinate cells)

(3) 恶性胚胎肿瘤/畸胎瘤细胞 EC细胞
(embryonal carcinoma)

成体干细胞(Adult-derived Stem Cell , ASC)
指存在于已经分化组织中的未分化细胞,大多处于休眠 状态,在病理状态或在外因诱导下可以表现出不同程度的 再生和更新能力。

胚胎干细胞


成体干细胞
来源于骨髓、外周血、角膜、视网 膜、脑、骨骼肌、齿髓、肝、皮肤、 胃肠道粘膜层和胰腺等 分化较局限,部分成体干细胞(造 血干细胞、骨髓间充质干细胞、神 经干细胞)有一定跨系、跨胚层的 “可塑性” 病理条件下才显出一定的自我更新 潜能

来自胚泡的内细胞群



发育全能性,可诱导分化为 机体所有组织细胞



无限的自我更新能力
增殖能力强,便于应用 细胞可不断增殖,“永生 化”,移植后有形成肿瘤的 可能性 不能自体移植 有伦理问题
7



增殖能力较弱,故不能完全取代胚 胎干细胞
成瘤的可能性很小 自体移植可避免免疫排斥 分离和使用不存在伦理问题



⑥ ⑦

?

iPS细胞:即诱导型多潜能干细胞(induced pluripotent
stem cells),是体细胞经重编程后获取的ES细胞或ES细胞 样的细胞。此类细胞在克隆形态、生长特性、表面标志物、 基因表达模式、表观遗传学特征、拟胚体(embryoidbodies, EBs)形成、畸胎瘤(teratoma)形成和嵌合体(chimeras)形成 (针对小鼠)等方面与ES 细胞非常相似。

?

IPS细胞具有多能性和自我更新的能力。iPS细胞不受细胞来 源、免疫排斥、伦理、宗教和法律等方面限制,并且制备简

单易行,故iPS细胞一经问世,即在生命科学领域引起了一
次轰动,被誉为生命科学领域新的里程碑。

2012年诺贝尔生理学或医学奖
“发现成熟细胞可以被重新编程为多功能的干细胞(即诱导 多功能干细胞)”

日本:山中伸弥(Shinya Yamanaka)

英国:约翰-戈登(John B. Gurdon)

分类依据2---分化潜能
全能干细胞(totipotent SC):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 (卵裂球/内细胞群细胞)。 多潜能干细胞(pluripotent SC):具有产生多种类型细 胞的能力,但却失去了发育成完整个体的能力,发育潜能受 到一定的限制(骨髓间充质干细胞)。

专能干细胞(unipotent SC):只能向一种类型或
密切相关的两种类型的细胞分化(如皮肤基底层细胞、 角膜干细胞等)。

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分类依据3---干细胞组织发生

?胎胎干细胞 ?造血干细胞 ?骨髓间质干细胞 ?肌肉干细胞 ?成骨干细胞 ?内胚层干细胞

?视网膜干细胞 ?胰腺干细胞

三、干细胞生物学特征
①终生保持未分化或低分化特征,本身不是终末分化细胞;
②在机体中的数目、位置相对恒定; ③具有自我更新能力; ④能无限制的分裂增殖; ⑤具有多向分化潜能;

⑥分裂的慢周期性,绝大多数处于G0期;干细胞可连续分 裂几代,也可在较长时间内处于静止状态;
⑦可行不对称分裂保持为干细胞或分化为特定细胞。

干细胞的生物学特性
(一)干细胞的自我更新特征(self-renewing)
?

指在细胞分裂增殖过程中,子代细胞仍维持干细胞的 原始特征,即保持增殖能力,多分化潜能,表达标志

性特异干细胞蛋白的能力。
?

机制:过不对成分裂(asymertry division)和对成 分裂(symertry division)两种形式实现。但主要是 不对成分裂形成一个干细胞和一个短暂增殖细胞。

MEDICAL CELL BIOLOGY

干细胞的对称分裂和不对称分裂

干细胞

分化细胞

干细胞

分 化 细 胞

对称分裂 (symmetry division)

不对称分裂 (asymmetry division)
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(二)干细胞的增殖特征 1、干细胞增殖的缓慢性 一般情况下干细胞 处于休眠或缓慢增殖状态,当其受到刺激而进行

分化时,首先要经过一个短暂增殖期。
2、干细胞增殖的自稳定性 又称自我维持(self maintenance),自我更 新并维持数目的恒定。

(三)全能性或多能性(高度的发育和分化潜能) 体内外可分化出外、中、内三个胚层的分化 细胞,可诱导分化为成体细胞内各种类型的组织 细胞。

干细胞的鉴定
?细胞的形态与结构 ?标记滞留(在体干细胞) ?细胞表面的特殊标志— ?分化能力检测(功能鉴定) 体外分化试验 体内分化试验—畸胎瘤 嵌合体形成试验 核移植试验

?细胞培养成巢状或克隆球样生长---离体实验

脂肪干细胞

神经干细胞

干细胞的鉴定
2 标记滞留现象
在体干细胞Brdu标记,石蜡切片观察

3、表达特异性标志分子:
? ? ? ?

胚胎阶段特异性表面抗原(SSEA-1)、 转录因子(intrinsic transcription factor, Oct4) 碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,AP) 高端粒酶活性

干细胞的鉴定
4、干细胞的高度分化潜能(检测criteria)

&体内分化----裸鼠皮下接种形成畸胎瘤
&体外分化-----自然分化/特定诱导分化 &嵌合体实验-----最有说服力的实验证据

4.干细胞分化及调控
内源性调控 外源性调控----壁龛

(Niche)
分泌因子 受体介导的细胞间相互作用 整合素和胞间基质 (extracellular matrix,ECM)

?

干细胞的可塑性

干细胞的可塑性主要是指成体干细胞的可
塑性。人们把成体干细胞具有分化为其他类型 组织细胞的能力的这种现象称为干细胞的可塑 性(plasticity),横向分化(transdifferentiation) 或转决定(transdetermination)。

干细胞的应用前景
? ?

为发育生物学研究提供良好的体外模型系统 在医学上的应用理论上讲,干细胞可以用于临床细胞移植治 疗各种疾病和构建人工组织或器官
神经细胞 心肌细胞
帕金森病 心肌梗死 糖尿 病 骨关节炎

B型胰岛细胞 软骨细胞
白细胞 皮肤细胞 肝细胞 骨细胞 视细胞 骨骼肌细胞
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治疗

白血病 烧伤和创伤 肝炎 骨质疏松症 视网膜退化

肌营养不良

干细胞的应用前景
?

生产克隆动物的高效材料胚胎干细胞是动物克隆 的优良核供体。

? ?

高效新型药物的发现、筛选及动物和人类疾病的模型
生产转基因动物的高效载体

Therapeutic implications of Cancer Stem Cells

? Most therapies fail to consider the difference in drug sensitivities of cancer stem cells compared to their non-tumorigenic progeny. ? Most therapies target rapidly proliferating non-tumorigenic cells and spare the relatively quiescent cancer stem cells.

干细胞治疗的优点

干细胞治疗的特点 1.一次性介入,永久性治疗;
2.不需要完全了解疾病发生的确切机理;

3.可应用于自身干细胞移植,避免产生
免疫排斥反应。

5 问题与展望
(1)控制干细胞分化的内部机制是什么? (2)什么是重要的细胞和分子的信号,激活人 的多能的干细胞开始分化为特化细胞? (3)干细胞如何到达不同的靶目标

(4)干细胞移植的安全性问题

骨的发生
(一)骨组织发生的基本过程
1. 骨组织的形成

2. 骨组织的吸收
(二)骨发生的方式(膜内成骨+软骨内成骨)

一、膜内成骨
1、部位
?

少数扁骨、不规则骨以此方式成骨。

2、过程 间充质→胚性结缔组织膜→骨祖细胞→成骨细胞 →造骨→初级骨小梁(骨化中心)→ 骨松质
?

骨表面:骨密质
?

周围结缔组织膜→骨膜

破骨细胞 骨细胞

成骨细胞 骨原细胞

二、软骨内成骨
?
?

大多数骨
以长骨发生为例

1.软骨雏形形成
间充质细胞→骨祖细胞

→成软骨细胞→透明软骨
(雏形)

2.软骨周骨化→骨领形成
?

? ?

部位:长骨中段 骨干周围 软骨膜骨祖细胞→成骨→骨领 软骨膜→骨外膜

3.软骨内骨化
⑴初级骨化中心形成

部位:软骨雏形中央、内部 过程 软骨退化基质钙化→ 细胞死亡→ 隧道形成→ 血管 长入---血液中的单核细胞穿出血管,胞体融合演变----破骨细胞→溶解骨领---溶解软骨细胞 初级骨 骨祖细胞→成骨细胞--在残存软骨基质表面 化中心 →造骨,形成原始骨小梁

初级骨 化中心

⑵骨髓腔形成 小梁间隙→初级骨髓腔 破骨细胞吸收骨小梁→ 次级骨髓腔 ⑶次级骨化中心出现及骨骺 形成 时间:出生后数月、数年 部位:长骨两端 过程: ⑷骨干骨密质形成及改建

三、骨的生长
1.骨的加长: ? 两端骺软骨(骺板)增殖 ? 初级骨化中心向两端不断骨化, 依次分四区: – 软骨储备区 – 软骨增生区 – 软骨钙化区 – 成骨区 2.骨的增粗:骨领表面造骨

(关节软骨)

使紧密结合

四、骨的改建
?

骨单位的形成和改建

哈佛氏系统---骨单位

受 精

(fertilization)

(一)定义:成熟获能后的精子与成熟卵子结合成受精卵的过 程.

(二)部位:输卵管壶腹部 (三) 过程 (四)条件 (五)意义

卵裂的特点:
⑴快 ←G1,G2期无,S , M期短
(G1期非常短甚至无,DNA复制非常迅速, 20-30分钟内可以完成)

⑵ 无生长分裂
仅细胞数目增加,体积越来越小,核/质比成倍增加对激活某 些基因起关键作用

(3) 运动中分裂 (4)卵裂为不均等分裂 ? 卵裂细胞速度不等---数目不是成倍增加 ? 卵裂细胞大小不等---细胞分化的基础

植入(implantation)(着床)
?定义:胚泡逐渐埋入子宫内膜功能层的过程 ?时间:受精后第5~6天→11~12天 ?部位:子宫体/底后壁功能层 ? 过程: 植入后变化: 条件:

? 胚内改变
内细胞群—— 内胚层 外胚层 羊膜腔 卵黄囊

小结:胚2W时主要改变

7 4 6 9 5 8 1 2 3

? 胚外改变
1. 滋养层——
细胞/合体滋养层 2. 羊膜腔/卵黄囊
3. 胚外中胚层/胚

外体腔/体蒂

3W主要改变(胚内改变) 原条→原沟→胚内中胚层
外胚层 原结→原凹→脊索

口咽膜、泄殖腔膜形成 3W主要改变(胚外改变)
滋养层发育→绒毛膜形成(初、次、三级绒毛干), 胚内、胎盘循环建立 尿囊形成

外胚层分化小结
脊索诱导
? 外胚层

CNS(管壁) 中央管/脑室(腔)

神经板—神经沟—神经管
神经嵴
PNS

表面外胚层

表皮及皮肤附属器、感官上皮

中胚层的分化小结 轴旁中胚层:体节→ 背侧的真皮、骨骼肌和中轴骨 间介中胚层:分化成→泌尿生殖系统主要器官 侧中胚层:
体壁中胚层 胚内体腔

分化 体壁的骨胳/肌肉/CT
三腔壁层 心包腔/胸腔/腹腔

分化

分化
脏壁中胚层

消化/呼吸道管壁肌 组织/结缔组织/ 三腔脏层

内胚层分化
1内胚层

原始消化管 ( 前肠、中肠、后肠 ) 内胚层分化→ 膀胱生殖上皮和呼吸消化上皮
及中耳/甲状腺/甲状旁腺/胸腺上皮

卷折

?不对称性联胎
寄生胎:相联的两个胎儿大 小发育不对称,其中一个 胎儿发育正常,称主胎, 另一个小或发育不全,附 着于主胎的某些部位.

?

胎内胎 :寄生胎位于胎儿的体内,故称体内寄生 胎,又称包入性双胎。

“遗传度”:在环境因素与遗传因素相互作用引起 的先天畸形中,衡量遗传因素所起作用的指标.

遗传度越高,说明遗传因素在该畸形发生中的作用 越大。

致畸敏感期 (susceptible period): 定义:受致畸因子作用而易发生畸形的胚 胎发育阶段。 致畸敏感期一般为胚期(3-8周)

? 细胞分化的决定(cell determination)

是指细胞在出现特有的形态结构、生理
功能和生化特征之前发生的决定细胞分化方 向的内部隐蔽的变化过程。

细胞分化与决定的关系
?决定先于分化(决定发生在形态结构变化之前) ?在分化前,细胞内部某些基因已开始活化并合成

特殊蛋白质(酶、受体)
?决定的时空性 不同种属及不同组织决定时间不同, 并可以遗传。

3、 细胞分化的主要特点:
?在细胞分化的早期,不同细胞间的差异难以检测;
?

分化过程涉及形态结构、基因活性状态、组织特 异性蛋白的产生和功能的变化。

?分化是相对稳定而持久的过程,一般不会中途改 变;进入终端分化的细胞往往不再分裂;
?

细胞分化的条件可抑转 在诱导分化因素的作用 下,可使高度分化的细胞通过重新分裂,回复到 胚胎细胞状态(去分化dedifferentiation) ? 细胞分化由细胞内、外信号控制。

细胞分化的调控因素
(1)细胞核对细胞分化---主导作用
(2)细胞质对细胞分化—影响核基因表达间接发 挥调控作用 (3)细胞间的相互作用与细胞分化 胚胎诱导 细胞抑制 细胞识别与粘合 激 素

胚胎诱导embryonic induction
1、概念
?

胚胎诱导(induction): 在胚胎发育中, 一部分细胞在一定时期对其邻近的另一部分 细胞产生影响,决定后者分化方向的作用。

反应组织的特点:
?反应只是在一定时间内发生,一旦超出临界时间, 反应能力会逐渐减退以致完全消失。
?

不同的诱导刺激,反应不同 同样的外胚层受到神经诱导物质作用的会产

生神经组织,而中胚层诱导物质可以使它们产生
肌肉等结构。

?反应细胞产生哪种结构决定于诱导物质,但所产生 结构的种属特点却决定于反应细胞本身的遗传性。

?

反应细胞一旦受刺激,开始向某一方向分化, 即使此后诱导刺激不复存在,分化照样进行。 反应细胞中一旦引起了某些基因的表达,就会 按固有的程序进行下去)。

(分化是持续的、不可逆的,说明诱导刺激在

5、诱导作用的方式(类型)
(1)指令性诱导
定义:诱导组织发出的诱导信息启动了反应组织中的基因 或基因组,合成特定蛋白,并逐渐分化为与诱导组织相关 的组织结构。(如晶状体形成)

(在诱导发生以前,反应组织的分化方向是不确定的)

特点:诱导组织A存在,反应组织B才能分化; 诱导组织A不存在,反应组织B不会分化; 诱导组织A存在,与B不同的C组织也能沿着 B组织的分化方向分化; 诱导组织不A存在,与A不同的C组织(作为 诱导组织)诱导B组织分化,组织B将不能 以原方式发育。

(2)允诺性诱导
定义:诱导组织与反应组织构成了相互作用的体系,在 诱导作用发生前,反应组织已完成了分化决定,不具有 多项分化的能力.

诱导物不能改变反应细胞类型,而仅仅是让它有能力表达。

胚体可形成肢芽的范围比预定发生肢芽的部 位要广 。

这种能发育形成某种结构的组织场地,称为该 结构的胚胎场(embryonic field)或胚野。
实验还揭示,胚胎场内的细胞有识别自身所在 的位置,并调整自身增殖与分化的能力。

? 胚胎场中形成某种特定结构的组织分化潜能比 胚胎场现象特征

该预定结构本声的范围更广泛.
? ? ? ?

潜能的表达,随着与预定结构距离的拉长而减弱 部分原基可以产生完整结构 增加原基,产生的仍是一个完整的肢体 胚胎场形成某特定结构的潜能随着结构的分化 程序的发展而降低

辅助生殖技术方法:
1.宫腔内丈夫精液人工授精(IUI) 2.体外受精胚胎移植(IVF)(第一代试管婴儿) 3.单精子卵胞浆内注射(ICSI)(第二代试管婴儿) 4.冷冻胚胎 5.赠卵及赠胚试管婴儿 6.胚胎移植前遗传学诊断(PGD)(第三代试管婴儿) 7.卵胞浆置换术(第四代试管婴儿)


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