干细胞研究.ppt

干细胞研究,一、什么是干细胞？干细胞是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体，即这些细胞可通过细胞分裂维持自身细胞群的大小，同时又可进一步分化成为各种不同的组织细胞，从而构成机体各种复杂的组织器官。“干细胞的研究与应用”（即干细胞生物学和以干细胞临床应用为内容的干细胞生物工程）在公布的1999年世界十大科技进展中名列榜首，并于2000年再度入选世界十大科技进展。“干细胞生物学和干细胞生物工程”已成为继人类基因组大规模测序之后最具活力、最有影响和最有应用前景的生命科学研究领域。,2001年最后一期美国Science杂志列出了2002年值得关注的6大热门科技领域，其中有4项是生物科技，它们分别是干细胞研究、蛋白质组研究、遗传学和对复杂分子生物系统的观察。,二、干细胞的分类干细胞基本上可分为三种类型：全能干细胞：可以分化成为所有的成体细胞和组织，并具有形成完整个体的潜能，如人胚胎干细胞，有与胚胎细胞相似的形态特征及正常的二倍体核型和全能的分化能力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，并可进一步形成人体的所有组织及器官。多能干细胞：具有分化成为多种细胞、组织的潜能，但不具备发育成完整个体的能力，如造血干细胞、神经干细胞、间充质干细胞、皮肤干细胞等。专能干细胞：只能向一种类型或与之密切相关细胞分化，维持某一特定组织细胞的自我更新，如肠上皮干细胞。,（一）、胚胎干细胞胚胎干细胞的生物学特点 胚胎干细胞（Embryonic stem cells,ES细胞）是从早期胚胎的内细胞团或原始生殖细胞分离出来的、能在体外长期培养的、高度未分化的具有发育全能性的细胞，具有与胚胎细胞相似的形态特征及分化潜能，在合适条件下可分化为胎儿或成体内的各种类型的组织细胞。可在体外培养、扩增、克隆、冷冻，并且可进行遗传操作和选择。,2.胚胎干细胞的培养条件 建立ES细胞系的条件十分苛刻，既要维持细胞的未分化状态和潜能性，又要使其无限增殖，因此需要将ES细胞置于饲养细胞上培养，培养液中除必需营养外，还得加入细胞分化抑制因子（如重组白血病抑制因子LIF、IL-6等），同时还需要细胞生长促进因子（如干细胞因子SCF、碱性成纤维细胞生长因子bFGF等）。饲养细胞的作用是提供ES细胞生长的环境和信号，分泌多种细胞因子抑制ES细胞分化和促进其增殖。,3.胚胎干细胞的体外诱导分化体外ES细胞可模拟体内正常胚胎的发育过程，分化为含有多种组织细胞的胚胎体。在这一过程中加入某些细胞诱导分化因子和化学诱导剂，可使ES细胞定向诱导分化为神经、造血、心肌和肌肉、内皮和血管、软骨细胞等。,4.胚胎干细胞的应用前景体外ES细胞的建立在细胞与个体、体外基因操作与体内生物学功能之间架起了一座桥梁，极大地提高了人们对细胞分化、胚胎发育机理的认识，同时在基因功能研究、转基因动物制备、基因工程药物开发、人类疾病的动物模型复制以及移植治疗等领域显示出十分诱人的应用前景。,（二）、成体干细胞成体干细胞的进一步分化是成年动物体内组织和器官修复、再生的基础。一般来说，成体干细胞的分化潜能较弱，只能分化成一种或有限的几种组织功能细胞。但目前也有许多研究表明，一种组织的特异性干细胞可以横向分化成其它组织的细胞，干细胞的横向分化具有相当的普遍性。如人的骨髓干细胞可分化为肝脏细胞、肌肉细胞、神经细胞等，小鼠的肌肉干细胞可分化为各种血细胞。,干细胞横向分化的发现不仅从理论上改写了“组织特异性干细胞只能定向分化”的经典概念，而且为利用成体干细胞治疗疾病提供了可能。如果一种组织的成体干细胞可以按照人为需要横向分化成其它组织细胞，则可利用病人非病变组织的干细胞来替代病变组织的细胞从而治疗疾病，同时还从根本上避免了由于异体移植而导致的免疫排斥。因为造血干细胞是发现最早、研究最多和最先用于治疗疾病的成体干细胞，长久以来人们认为“干细胞”只属于造血系统。近年来，由于干细胞理论的突破和研究技术的长足进展，在几乎所有组织中都发现了“干细胞”。,造血干细胞 造血细胞包括造血干细胞、祖细胞、前体细胞和成熟细胞。造血干细胞具有高度自我更新和自我维持能力，并可向各系血细胞分化。造血是由多能的造血干细胞不断进行增殖与分化，补充造血祖细胞，并依次分化成熟为前体细胞及血细胞的动态平衡过程。正常成人每天约需转换1012血细胞。造血干细胞除了可分化为各系血细胞外，也可分化为神经细胞。,2.神经干细胞 许多退化性神经疾病都是由于神经细胞的损伤或坏死造成的。如帕金森氏病（Parkinsons)是由于产生多巴胺的神经细胞死亡引起的；老年性痴呆（Alzheimers)是由于生成胆碱能的神经元死亡引起的；亨廷顿舞蹈症、脑震荡、脊髓损伤等都是由于各种类型的神经细胞死亡引起的。但神经细胞不具再生功能，如果这些坏死的神经组织不能找到合适的具相关功能的组织来替代，这些疾病都不能得到有效的治疗。,近年来的研究让人们从神经干细胞中看到了希望。如从小鼠胚胎干细胞中成功分离了用于治疗的可产生多巴胺的神经细胞；从人胚胎干细胞中成功分离人的神经细胞；通过外科手术将流产胎儿脑组织的干细胞植入帕金森综合症患者的大脑相关部位，可使帕金森病患者的部分脑功能得到恢复。,3.间充质干细胞 间充质干细胞（Mesenchymal stem cells,MSC)存在于人类、鸟类等生物的骨髓中，具有向骨、软骨、脂肪、肌肉及肌腱等组织分化的潜能。利用间充质干细胞进行组织工程学具有许多优势：a.取材方便且对机体无害，MSC取自自体骨髓简单的骨髓穿刺即可获得；b.MSC取自自体，由它诱导而来的组织进行移植时不存在组织配型和免疫排斥的问题；c.由MSC分化的组织类型广泛，可让其分化为各种类型的间充质组织，如骨、软骨、肌肉肌腱、心肌、真皮组织。,4.表皮干细胞5.肝干细胞,三、干细胞治疗的特点如果有充足的干细胞，而且定向诱导和横向分化能如愿以偿，干细胞治疗疾病则将具有很多传统治疗方法无法比拟的优点：一次性介入，永久性治疗不需要完全了解疾病发病的确切机理应用自身干细胞移植，避免产生免疫排斥反应可以治疗多种疾病，尤其是那些对于传统治疗方法无能为力的组织坏死性疾病如缺血引起的心肌坏死，退行性病变如帕金森综合症，自体免疫性疾病如胰岛素依赖型糖尿病等。Ramiya 等从尚未发病的糖尿病小鼠的胰岛导管中分离出胰岛干细胞，并在体外诱导这些细胞分化成为产生胰岛素的 细胞。移植实验表明，接受移植的糖尿病鼠血糖浓度控制良好，而对照的小鼠死于糖尿病。这为干细胞治疗糖尿病奠定了实验基础。,四、干细胞研究与应用面临的技术难题 干细胞研究的快速进展使人们看到了对付疾病的新希望。利用干细胞治疗疾病，首先要解决四个问题：干细胞的来源和数目如何把干细胞转化成病人所需的功能细胞如何克服免疫排斥如何诱导干细胞形成一个具有一定解剖结构的脏器,五、干细胞与伦理学问题 人类干细胞研究的快速进展使人们看到了对付疾病的新希望。这些进展也使社会强烈关注涉及人类胚胎干细胞的道德相关性。深入的伦理学讨论将继续下去也应该继续进行下去。在美国以及欧洲对干细胞研究特别是干细胞治疗涉及的伦理问题的讨论方兴未艾，备受社会关注。1.人体胚胎干细胞的研究来源于克隆人的早期胚胎、人工流产下的极早期胚胎和实行试管婴儿术后剩余的胚胎。这些都涉及胚胎是不是生命，应不应该得到尊重的伦理问题。因此人体胚胎干细胞研究，在西方国家掀起对上述问题的争论。坚持胚胎就是生命的传统人士，特别是一些基督教徒和神职人员以及反对堕胎的人员，认为这是亵渎神灵、侮辱生命的尊严，并且认为克隆人的胚胎迟早会导致克隆人的出现，故而表示强烈的抵制和反对。反对干细胞研究的声音主要来自宗教界和反对堕胎人士。反对者认为这些细胞本质上是不道德的，这些细胞的获得会毁坏人类胚胎，因此支持对这些细胞的研究也是不道德的。2.一些西方国家过去已立法禁止用胚胎进行研究（如法国、德国等）或部分限制使用胚胎进行研究（如英国只允许用14天前的胚胎进行研究）。因此人体胚胎干细胞的研究受到伦理和法律的限制而起步维艰。,但许多科学家深知人体胚胎干细胞研究的重要价值，面对伦理及法律挑战也毫不示弱。克隆羊之父、英国科学家威尔莫特认为，克隆人体胚胎研究十分重要，可以为治疗糖尿病、心肌梗死、肝硬化、帕金森氏症等疾病开辟新路。并认为“伦理问题是存在的，胚胎有发育成一个人的可能，但它还不是一个人，还没有分裂出神经系统，而神经系统是作为一个人的基本标志。因此，我认为可以利用胚胎细胞进行治疗性研究。”英国自由民主党科学发言人表示“一个14天的胚胎谈不上让我们尊重，而解决千万个癌症患者、帕金森氏症患者和需要器官移植的病痛、挽救他们宝贵的生命，才是对人类生命的最高尊重。”,1998年11月14日美国总统克林顿写信给美国国家生命伦理顾问委员会，要求他们对有关人类干细胞研究所涉及的问题权衡医学和论理学的问题进行全面评估。1999年9月7日美国国家生命伦理顾问委员会向克林顿总统提交了“人类干细胞研究的论理学问题”的报告。报告认为产生和使用人类胚胎干细胞和人类胚胎生殖细胞应该以两种方式进行限制：第一，这样的研究应该仅限于使用目前干细胞来源中的两种：胎儿尸体材料和不育治疗之后剩余的胚胎。第二，主持这类研究应该附带适当的和公开的国家监督与评估制度。2000年4月，美国73名世界著名科学家（其中包括61位诺贝尔奖获得者）联合要求美国国会解除对胚胎干细胞研究的禁令，并对干细胞的研究给予全面支持。2000年9月，英国100名科学家和诺贝尔奖获得者也联合在星期日泰晤士报上发表文章，呼吁英国政府尽快在生命科学研究方面给予科学家更大的自由。,在上述双方伦理争论中，一些国家政府已关注到人体胚胎干细胞研究对器官移植和治疗疾病的潜在价值，并纷纷作出具有法律意义的决定。2000年8月4日，美国政府宣布将资助使用人类胚胎干细胞进行的医学研究。克林顿总统宣布：美国政府今天开始准许进行关于人体胚胎干细胞研究，并认为干细胞研究会带来令人难以置信的潜在益处。美国国会也于当年8月23日通过了允许人体胚胎干细胞研究的有关议案。2000年8月NIH公布实施人多能干细胞研究指南，支持人多能干细胞研究，明确规定用于研究的人多能干细胞可来自胎儿组织或来自体外受精产生的过剩且尚未发育形成中胚层的胚胎。2000年12月19日，英国下议院也以超过三分之二的多数票通过了允许克隆人类早期胚胎，并从中提取干细胞进行医疗研究。,由于伦理的约束，各国政府对人体胚胎干细胞研究的决定还是比较谨慎的。如英国只允许治疗性克隆，而生育性克隆是非法的，并且也不允许科学家将人和动物的细胞结合起来进行克隆实验，治疗性克隆也要经过严格审查和接受监督。克林顿政府禁止联邦政府经费用于有关克隆人研究，其中包括人胚胎研究和利用成体细胞核移植技术克隆人体胚胎的研究，但支持成体细胞核移植技术用于开发人体干细胞技术，研究目的仅限于预防和治疗严重威胁生命的疾病和医学状况。2000年8月NIH公布实施人多能干细胞研究指南，支持人多能干细胞研究，并邀请科学家申请联邦政府的资金从事这项研究，同时发布了一系列论理学指导准则，凡申请NIH资金的科学家必须遵守这些论理学准则。如NIH不支持利用将人成体细胞核移植到人或动物卵细胞产生多能干细胞研究，不支持将人体干细胞与其他动物胚胎杂合的研究，不支持利用人体干细胞克隆人胚胎的研究。,2001年1月26日美国总统布什表示，联邦政府经费不应支持来自人工流产胎儿的干细胞研究。布什的观点显然与其反堕胎立场有关，但美国政府是否会制定新法限制人体干细胞研究，尚不明朗。2001年2月22日，美国80位诺贝尔奖获得者（包括德高望重的DNA双螺旋结构发现者之一的Watson博士）联名致信布什总统，呼吁联邦政府支持干细胞研究。科学家们认为，NIH的干细胞研究指南已制定严格的标准，可以确保联邦政府对有关研究的充分监控；多能干细胞具有显著的治疗功用，现有证据显示成体干细胞的分化能力是有限的，不能与胚胎干细胞相提并论。对成体干细胞不能治疗的疾病，禁止人多能干细胞的研究将不必要地延长千百万病人的痛苦，甚至造成死亡；20多年的动物试验已揭示了多能干细胞美好的治疗前景；过去30多年来，广泛应用的麻疹、风疹、甲肝、狂犬病和脊灰疫苗，都是用来自人胎儿组织的细胞产生，已使成千上万的美国人受益，这为干细胞研究奠定了先例。针对诺贝尔奖获得者们的呼吁，反对干细胞研究的人士认为诺贝尔奖并不是根据获奖者的道德水平颁发的。,