第11章 干细胞与组织工程 11.1 胚胎干细胞 11.2 成体干细胞 11.3 组织工程 11.4 细胞治疗

2004年，韩国科学家黄禹锡首次克隆出人类早期胚胎； 2005年，利用患者自身的体细胞，成功提取了3个胚胎干细胞。

2005年，英科学家成功克隆人类胚胎，在欧洲尚属首例； 研究人员提取人类体细胞，注入到抽空细胞核的卵细胞中，再经过人工培育，使卵细胞以类似于受精卵的方式分化发育，逐渐生长为胚胎。

11.1 胚胎干细胞 干细胞 胚胎干细胞的生物学特性 胚胎干细胞系的建立 ES细胞的应用前景及面临的难题

1、干细胞的概念与分类 包括人类在内的正常胚胎发育过程是按严格的时空程序进行一系列细胞与细胞之间、核质之间相互作用的结果。 细胞分化是部分基因选择性地被激活或差异性表达，从而控制专一性蛋白质的合成和排布的结果。 动物体细胞正常晴况下不能象受精卵那样转变为一个个体，但一个个体的所有细胞，无论是体细胞还是性细胞，所含的DNA或基因是一样的，这叫做细胞的全能性。

1、干细胞的概念与分类 当原受精卵分化成为一个个体后，体细胞的大部分基因特别是有关负责分化的基因已经关闭且不能在一般条件下恢复(反分化)，但通过体外处理，体细胞已经能够恢复分化。 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。 有机体在发展适应过程中为了祢补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞，称之为干细胞（stem cell）。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。

①干细胞的概念 干细胞：指每个具有生命的有机体，在从其最初形式发展成为完整体的过程中，始终保留着部分未分化的原始细胞，是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。

②干细胞的特点 1）具有自我维持与自我更新的能力，本身不是处于分化途径的终端。 2）具有多方向分化的潜能，即可以发育成为各种胚胎组织的细胞，或可以分化为本系统各谱系的细胞。 3）既有生理性的更新能力，也具有对损伤与疾病导致的反应与修复能力。 4）干细胞通过两种方式生长 ，一种是对称分裂--形成两个相同的干细胞，另一种是非对称分裂--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。

③干细胞的分类 按其来源，干细胞可分为三类： 胚胎干细胞，embryonic stem cells, ES，来自附植前早期胚胎内细胞（inner cell mass, ICM）或附植后胚胎原始生殖细胞（promordial germ cells, PGCs）. 胚胎生殖细胞， embryonic germ cells, EG，来自早期胎儿生殖嵴原始生殖细胞。 成体干细胞，adult stem cells, AS，是指一群分布在成体组织中尚未分化的、具有自我更新、并负有构建和补充某种组织的各种类型细胞潜能的干细胞。

③干细胞的分类 按分化潜能的大小 ，干细胞基本上可分为三种类型： 全能性干细胞，如胚胎干细胞（简称ES细胞 多能性干细胞，骨髓多能造血干细胞 多能性干细胞，骨髓多能造血干细胞　　 单能干细胞（也称专能、定向、偏能干细胞），如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞

全能性干细胞 全能性干细胞，它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞（简称ES细胞），是从早期胚胎的内细胞团分离出来的一种高度未分化的细胞系，具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，进一步形成有机体的所有组织、器官。

多能性干细胞 多能性干细胞，这种干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，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。骨髓多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少十二种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。

单能干细胞 单能干细胞（也称专能、偏能干细胞），这类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。

2、胚胎干细胞 当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（Inner Cell Mass, ICM）的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。 胚胎干细胞（ES细胞）是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。 德美医学小组2003年成功的向试验鼠体内移植了由ES细胞培养出的神经胶质细胞。此后，密苏里的研究人员通过鼠胚细胞移植技术，使瘫痪的猫恢复了部分肢体活动能力。 人类ES 细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议，出于社会伦理学方面的原因，有些国家甚至明令禁止进行人类ES细胞研究。

2、胚胎干细胞 ①胚胎干细胞的研究历史 ES细胞的研究可追溯到上世纪五十年代，由于畸胎瘤干细胞（EC细胞）的发现开始了ES细胞的生物学研究历程。 1958年，畸胎瘤 teratocarcinoma cell, EC 1981年, ES 1995年，第一株灵长类动物的胚胎干细胞系 1998年，人的ES细胞 2000年，人胚胎干细胞系

②ES细胞分化的调控 人类胚胎干细胞体外的非分化增殖，使得细胞保持着分化为滋养层组织和三种胚层组织的能力，这种培养需要许多生长因子和间质细胞的共培养。 利用不同的生长因子和其它营养条件，可以诱导干细胞向各个方向分化，从而形成不同类型的细胞。

内源性调控： ②ES细胞分化的调控 1）干细胞内部的一些结构蛋白和多肽因子可以调控干细胞的不对称分裂。 2）转录因子对干细胞分化有调节作用。 3）端粒体的长度会影响染色体的功能，而与干细胞的增殖和分化有关 。

转录因子 转录因子是一种具有特殊结构、行使调控基因表达功能的蛋白质分子，也称为反式作用因子。 转录因子分为二类: 第一类为普遍转录因子,它们与RNA聚合酶Ⅱ共同组成转录起始复合物，转录才能在正确的位置开始。 第二类转录因子为组织细胞特异性转录因子，这此TF是在特异的组织细胞或是受到一些类固醇激素，生长因子或其它刺激后，开始表达某些特异蛋白质分子时，才需要的一类转录因子。

外源性调控 1）分泌因子：转化生长因子TGF和Wnt家族。TGF会作用其它细胞分泌细胞因子，而促进细胞分化；Wnt通过阻止一种细胞粘附分子β－Catenin 的分解从而激活转录因子Tcf/Lef 的表达，促进干细胞分化。 2）膜蛋白介导的细胞间相互作用：如细胞膜表面的Notch通过结合其配体Delta或Jagged ，从而在干细胞和周围细胞间传递信息。 3）细胞外基质对干细胞的调控：整合素家族是介导干细胞与细胞外基质粘附的最主要受体，它通过直接激活多种生长因子受体，从而为干细胞的增殖提供适当的微环境。