生命的奥秘9重建身体.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,生 命 的 奥 秘,A Journey into,Life,1,2,重建身体,2,一、干细胞特征和类别,1.,特征,2.,类别,二、几种干细胞特性,1.,胚胎干细胞,2.,成体干细胞,3.,诱导多能干细胞,三、干细,胞的,应,用,1.,造血干细胞移植,2.,重见光明,3.,人类的无性繁殖,4.,组织器官修复,内容：,3,干细,胞是,未成熟細胞，它未充分分化，,再生各,种组织,器官和人,体,的,潜,在功能,;,干细胞是,有,自我更新,和,分化潜能,的细胞。,皮,肤,、小,肠,和血液等,组织,需要不,断,地,更,新,-,由,干细,胞完成的。,4,一,.,干细胞的特征和类别,1.,特征,肠隐窝中的干细胞：,Lgr5,细胞（绿色）位于肠隐窝基底，数量多且具有增殖性（图中紫色部分为胶原蛋白,4,干细胞的特征,（,1,）非分化终端。,（,2,）无限地增殖分裂。,（,3,）可连续分裂几代，也可长时间静止状态。,（,4,）干细胞通过两种方式生长,-,对称分裂：,形成两个相同的干细胞；,非对称分裂：,由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，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，作为干细胞保留下来。,5,增殖,分化,5,2.,干细胞的类别,6,分化潜能：,全能,;,多能,;,单能,干细胞,按发育状态：,胚胎,;,成体,干细胞,全能干细胞：,具有形成完整个体的分化潜能，如胚胎干细胞,(ES,细胞,),，,受精卵是最高,层,次的胚胎,干细,胞,。,(,1-3,天）,多能干细胞：,具有分化出多种细胞组织的潜能，,但不可能分化出足以,构,成完整,个体,的所有,细,胞,，如造血干细胞、神经干细胞。（,200,种）,单能干细胞：,只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化，如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞。,分化潜能：,6,发育状态分类,(1)Embryonic stem cells,（胚胎干细胞,),(2)Adult stem cells,（成体干细胞）,7,8,处于发育不同阶段的干细胞,8,1.,胚胎干细胞,9,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；,囊胚的形成,二、几种干细胞特性,？,9,胚胎的不同阶段,胚泡,/,囊胚,blastocyst,Blastocyst inner mass cells,8-cell stage,cleavage,10,11,人卵体外受精后，将胚胎培育到囊胚阶段，提取,inner cell mass,细胞，,全能,干细胞。每个胚胎可取得,15-20,干细胞用于培养。,11,胚胎干细胞体外诱导分化,外源诱导因子诱导,ES,细胞分化,诱导因子：维甲酸,(RA),、骨形成蛋白,BMPs),、成纤维细胞生长因子,(FGFs),等,转基因诱导,ES,细胞分化,用转基因技术使某种促分化基因在,ES,细胞中表达、调节其分化,与其他细胞共培养诱导,ES,细胞分化,创造细胞分化的微环境,12,全反式维甲酸,12,维甲酸,囊胚,内细胞团,神经元,外源诱导因子诱导胚胎干细胞分化,Production of differentiated cells from mouse ES cells in culture,.,巨噬细胞克隆刺激因子，,白介素,3,，,4,成纤维生长因子,双丁酰环磷腺苷,维甲酸,维甲酸，胰岛素，甲状腺素,脂肪细胞,巨噬细胞,星型细胞，寡突胶质细胞胞,13,2.,成体干细胞,概念：,在成体组织内具有自我更新能力并能分化产生一种或一种以上子代组织细胞的未成熟细胞。,在特定的条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或按一定程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。,14,14,15,多能成体干细胞,15,成体干细胞的特点,16,数量少，难以识别、分离纯化,体外培养时不能长时间增殖,具有可塑性,造血干细胞,间充质干细胞,精原干细胞,神经干细胞,表皮干细胞,肠干细胞,肝干细胞,部分已知的成体干细胞,精原干细胞,造血干细胞,16,干细胞与其外周的分化细胞有固定的组织方式，形成增殖结构单元。,分泌因子、外周的细胞、胞间基质构成,干细胞巢,表皮的,毛囊的,小肠的,神经的,造血的,生长期,静止期,生长初期,角质,粒状,刺状,基底,杯状,吸收,内分泌,隐窝,潘氏,17,3.,逆转生命的时钟,-,体细胞的重编程,2012,年诺贝尔生理医学奖,核移植,体细胞重编程的经典方法有,4,种,:,核移植、转录因子诱导、细胞融合、胞质孵育。,18,获取乳腺组织细胞,降低血清浓度，获得,G0,期细胞,19,宠物克隆,北德克萨斯女士的猫,Little Nicky,2004,由,Genetic Savings&Clone,公司，花费,US$50,000,。,一条狗,Missy 2008,年被克隆。,加尼福尼亚人的狗,Booger,，由,SNL(Korea),克隆成,5,条，花费,50K,马以,2006,克隆，花费,US$150K,Humans?Dinosaurs?Mammoths?,20,诱导多功能干细胞,2012,年诺贝尔生理医学奖,细胞融合,小鼠囊胚内细胞团细胞、胚胎干细胞、胚胎癌细胞,具有很强的自我更新能力,由此引发了人们通过细胞融合实现重编程的研究。但细胞融合产生异核体或杂种细胞,不能用于再生治疗。,21,诱导多能干细胞,（,induced pluripotent stem cells,iPScells,）,卵子,体细胞,胚胎干细胞,体细胞,细胞核移植,细胞融合,转录因子诱导,囊胚,胚胎干细胞,异核体,同种整倍体杂合子,异源非整倍体杂合子,细胞分裂,细胞分裂,DNA,复制,DNA,复制,d.,胞质孵育 多能干细胞的提取物诱导体细胞的分化,22,23,诱导式多能性干细胞实验流程,嵌合鼠的不同组织中的,iPS,细胞发育成,相邻的组织,23,诱导多能干细胞,(iPS),出现的重大意义,基因调控和发育,帮助理解疾病机理,理论：,实践：,绕开了胚胎干细胞的伦理限制,取材便利,24,三,.,干细,胞的,应,用,1.,骨髓移植,2.,器官修,补,更新,25,25,组织修复：,受到破坏的脑组织：阿茨海默病和帕金森病,脊髓损伤,血液病：白血病，再障,皮肤：烧伤,I,型糖尿病,黄斑变性,治疗疾病,DonnallThomas,报道,100,例晚期白血病病人经,HLA,相合,同胞的骨髓移植后，,13,例奇迹般长期生存。,应用骨髓移植治疗白血病，再生障碍性贫血等方面取得巨大成功。,Thomas,获得了,1990,年度的诺贝尔医学奖。,28,骨髓移植,1.,造血干细胞移植,28,29,造血干细胞的分化,29,30,造血干细胞的采集：,粒细胞,-,巨噬细胞集落刺激因子，,刺激骨髓造血干细胞不等分裂，,并将干细胞动员到外周血中，,利用带抗,CD34,抗体的磁珠吸附血液中,的造血干细胞，待用，,其它血液成份回输捐献者体内,又称为外周血干细胞移植。,造血干细胞（,hematopoietic stem cells,）能自我更新、能分化成不同的血液细胞。主要来自骨髓。,30,外周血造血干细胞移植步骤,31,1.,主要组织相同抗原配型,HLA-I,HLA-II,等位基因匹配,血源性恶性瘤清除 受体大剂量放化疗,+,补充血小板防止内出血）,采集外周血造血干细胞,造血干细胞输入到受体体内,细胞定居骨髓。,（白细胞,3000,/mm,3,出院）,31,造血干细胞移植的关键制约因素,存在于人体有核细胞表面，,用于免疫系统识别“自己”和“非已”标志。,如果,HLA,不一致将诱发免疫排斥反应。,32,人类白细胞抗原,Human leukocyte antigen,HLA,配型,捐献者中与患者的,HLA,相合率：,同卵,(,同基因,),双生兄弟姐妹为,100%,，,非同卵,(,异基因,),双生或亲生兄弟姐妹是,1/4,。,非血缘的单个,HLA,型别中，相合几率是,1/400-1/10000,。,32,中国造血干细胞捐献者资料库,（简称,中华骨髓库）,需造血干细胞移植的患者数百万人，,移植需要,HLA,型 匹配。,否则产生,移植物抗宿主反应,，危及生命。,资料库容量越大，匹配机会就越多。,33,？,33,34,34,自体造血干细胞移植,小剂量服用化疗药物,注射粒细胞,/,巨噬细胞集落刺激因子动员造血干细胞到血液中并收集,体外抗癌处理干细胞，清除癌变造血干细胞,病人大剂量放化疗,回输自体造血干细胞,35,（,1,）角膜再生,2.,重见光明,右图为,21,岁病人,活体取右眼角膜上皮，,体外培养后移植到干细胞缺损的左眼,左上：,3x4 mm,缘结膜上皮剥取,右上：一周后伤口缩小到,2x1 mm,左下：十天后伤口小缝,右下：两周后完全长好,36,取对侧角膜边缘未损害的边缘干细胞（,limbal stem cell),，,1-2mm,2,组织体外培养，添加,3T3-J2,为饲养细胞和纤维蛋白,体外诱导为角膜后移植到病人眼中,取,人绒毛膜基层,长好的角膜缘上皮细胞,3T3,饲养细胞,角膜缘活体组织,自体或异体角膜上皮体外培养系统,2015,年 意大利干细胞治疗产品,Holoclar,治疗角膜缘干细胞缺损获批欧盟,37,112,例自体边缘干细胞移植治疗眼部灼伤,(ocular burns),。,76.6%,获得成功，,46,例复明。,38,总结,角膜缺损可由角膜缘干细胞再生,角膜缘干细胞在体外环境中可以再生为角膜,再生角膜可以移植,可以实现自体或异体角膜再生移植,39,Pax6,在小鼠眼部发育和晶状体发育中重要作用,绿色的为,Pax6,表达细胞，蓝色为,DAPI,细胞核荧光染料,A,矢状的切表示,pax6,在晶状体的表达，,B pax6,杂合子的右手列可见晶状体纤维是形成，,C,无,pax6,表达的眼睛,（,2,）晶状体再生,40,兔子晶状体细胞的体外培养,A,。,PAX6,，,SOX2,蛋白表达阳性的兔子晶状体细胞,B,类晶状体体外形成,c.,类晶状体,晶状体上皮细胞,(lens epithelial cell,LEC,),41,兔眼微创手术证实晶状体再生,A.,1.2mm2,晶状体微创,b.,裂隙灯检查晶状体再生,c.7,周后晶状体愈合，可见眼底,42,28d,兔眼的晶状体再生,晶状体干细胞在囊袋中分布和生长,前面,后面,LEC,：晶状体表皮干细胞,术后,7,周兔晶状体,Pax6,蛋白染色，示干细胞,43,微创手术治愈先天性白内障,congenital cataract,微创手术移除部分晶状体组织，保持晶状体囊袋的完整,每年人工晶体植入,2000,万人,12,名患儿,中山大学眼科中心，,2016,囊袋开口,囊袋开口,缝合,再生的晶状体,44,C.,眼前节分析系统显示六月后囊袋中的晶状体组织重生，眼底有光,D.,六月后双凸透镜形成，眼底清晰。,指出图中的不同点？,45,总结：,兔眼的晶状体发育,体外培养晶状体干细胞可以形成晶状体,取走兔眼晶状体，再生晶状体,4.,取走人眼晶状体，再生晶状体,46,3.,人类的无性繁殖,胚状体中的绿色细胞表明存在,SOX17,基因,在囊胚中，,一些细胞形成了内细胞团,(,胎儿,),，,另一些则形成外壁,(,胎盘,),。,内细胞团,-,多能干细胞,一小部分会变成原始生殖细胞,(primordial germ cells,，,PGCs),，,具有分化成为生殖细胞,(,精子和卵子,),的潜力。,47,成熟精子和卵子细胞的关键基因,SOX17,导入人胚胎干细胞,激活人类原始生殖细胞,BLIMP1,抑制体细胞基因表达,SOX17,基因,CD38,人类原始生殖细胞表面标记,无性生殖？,48,4.,组织器官修复,组织工程：,开发能够修复、维持或改善损伤组织的人工生物替代物。,49,待移植病人,已移植病人,器官移植统计数据,人造组织：利用人体自身细胞，使原先缺损的组织和器官沿着设计好的支架、模型顺其自然地成长起来。,三要素：,细胞：增殖、分化、自组装成组织和器官,生长因子：调节细胞的增殖和分化,胞外基质：支撑和指导细胞增殖、分化,49,人干细胞相关细胞产品的安全性评估,起始原料（,starting material,），,细胞的复制差异性（,reproducible differentiation,）,细胞生产过程进行评估，,细胞产品的均一性和体内特性评估,（生物分布性（,biodistribution,）、,致瘤性（,tumorigenicity,）、,毒性（,toxicity,）,免疫原性（,immunogenicity,）等指标）,50,干细胞产品移植要求：,充分增殖并产生足够量的细胞供给组织重建,能够分化为既定细胞类型,移植后能够在受体上存活并整合到周围组织中去,能够发挥功能,避免对受体造成伤害，也避免免疫排斥问题,51,自体软骨组织修复,治疗：股骨头软骨部分缺损,Genzyme,公司,Genzyme,公司的,Carticel,产品,1.,取健康软骨骨膜,2.,体外扩增千万级软骨细胞,3.,种植细胞在覆盖健康骨膜的缺损面,损伤,活体取健康软骨,52,清理损害软骨,缺口缝合健康骨膜,剥离健康骨膜备用,骨科手术,53,54,第一种方式：,治疗性复制,(therapeutic cloning),，也就是利用,体细胞核转移,(SCNT),的技术，病患本身的体细胞,DNA,微注射至去核卵子里，从得到的囊胚里分离出胚胎干细胞。,第二种方案：将体细胞 经,iPS,变成胚胎干细胞。,订做干细胞,纤维母细胞,卵子,体细胞核移植,囊胚,核移植,-,胚胎干细胞,分 化,54,利用胎儿成纤维细胞核与去核卵子形成囊胚和胚胎干细胞,2013,胎儿纤维母细胞,未处理的低质量囊胚,（内细胞团不明显，部分细胞外溢）,C.,直接进行核移植的多核卵子。可见原卵子和供体细胞的纺锤体。,D.Caffeine,处理后的体细胞纺锤体。,E.Caffeine,处理后囊胚。,F.,收集培养后的胚胎干细胞。,55,定制治疗用,iPS,实验流程,56,干细胞治疗安全么？,镰刀贫血小鼠,收集皮肤细胞,重编程为干细胞样的,iPS,细胞,遗传学确证,iPS,细胞,正 确 的 突 变,遗传正确的,iPS,细胞,分化为造血干细胞,56,57,人工动脉管：聚合物管状骨架,+,血管内皮细胞,人工角膜：,用医用高分子材料制成的类似人体角膜的产品。,人工角膜一般包括光学镜柱和周边支架两部分。要求具有良好的组织相容性。,TransCyte,皮肤替代物：,它由取自皮肤真皮或表皮层的细胞在一个生物可降解的聚合物上生长而成。,TransCyte,能作为创口的临时覆盖物，可用于,2,度或,3,度烧伤的病人。,其它人体组织器官类商业产品,57,3D,打印技术,即,3D,打印，是快速成型技术的一种，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。,58,3D,打印组织器官,58,3D,立体打印技术,1986,年，,Charles Hull,开发了第一台商业,3D,印刷机。,1993,年，麻省理工学院获,3D,印刷技术专利。,1995,年，美国,ZCorp,公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发,3D,打印机。,2005,年，市场上首个高清晰彩色,3D,打印机,Spectrum Z510,由,ZCorp,公司研制成功。,2010,年,11,月，世界上第一辆由,3D,打印机打印而成的汽车,Urbee,问世。,2011,年,6,月,6,日，发布了全球第一款,3D,打印的比基尼。,2011,年,7,月，英国研究人员开发出世界上第一台,3D,巧克力打印机。,2011,年,8,月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架,3D,打印的飞机。,2012,年,11,月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用,3D,打印机打印出人造肝脏组织。,2013,年,10,月，全球首次成功拍卖一款名为“,ONO,之神”的,3D,打印艺术品。,2013,年,11,月，美国德克萨斯州奥斯汀的,3D,打印公司“固体概念”设计制造出,3D,打印金属手枪。,59,59,3D,打印存在着许多不同的技术。,它们的不同之处在于可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。,3D,打印,常用材料,有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料,。,60,3D,打印的耳朵,人造组织治疗的免疫排斥问题？,60,61,一、干细胞特征和类别,1.,特征,2.,类别,二、几种干细胞特性,1.,胚胎干细胞,2.,成体干细胞,3.,诱导多能干细胞,三、干细,胞的,应,用,1.,造血干细胞移植,2.,重见光明,3.,人类的无性繁殖,4.,组织器官修复,小结：,61,思考题：,如何收集外周血造血干细胞？会对捐献者造成永久伤害么？自体造血干细胞移植主要主要风险有哪些？,Genzyme,公司的,Carticel,产品，是如何让受损的软骨恢复？,体细胞重编程的经典方法有哪四种？干细胞不对称分裂意义？,为什么胚胎干细胞在体外分化需要不同的细胞因子诱导？举例说明何种细胞因子诱导特异细胞的分化？,诱导多能干细胞的导入的转录因子的主要作用？,如何证明诱导多能干细胞,?,需要如何才能产生自己的后代？,目前自体角膜移植再生如何进行？主要决定因素在哪里？,先天性白内障微创手术为什么可以治愈儿童失明？,人干细胞发育为生殖细胞是有什么基因调控的？,组织工程制造生物材料时，需要使用胞外基质和细胞因子。请问什么是胞外基质，它有何作用？通过组织工程制造的生物材料可以极大降低接受者的免疫排斥？为什么呢？,设计一个自体皮肤细胞移植方案，治疗白癜风,/,胎记,/,重度烧伤。,62,