1、干细胞与组织工程梁洁梁洁2006.10.14Stem Cell and Tissue Engineering干细胞与组织工程组织、器官损伤或功能障碍是人类疾病和死组织、器官损伤或功能障碍是人类疾病和死亡的最主要原因。亡的最主要原因。现有组织、器官缺损的治疗途径及缺陷：现有组织、器官缺损的治疗途径及缺陷：v自体组织移植；自体组织移植；v异体组织移植；异体组织移植；v人工合成组织代用品；人工合成组织代用品； Tissue Engineering 针对患者组织或器官缺损的情况，利用针对患者组织或器官缺损的情况，利用干细胞工程技术，诱导细胞定向分化，为其干细胞工程技术，诱导细胞定向分化，为其提供空间支
2、持材料，在体内外培育出所需的提供空间支持材料，在体内外培育出所需的人体组织。人体组织。 今后可能进一步培育出人造器官今后可能进一步培育出人造器官。Three Steps on the Research of Tissue Engineering制备干细胞，诱导定向分化；制备干细胞，诱导定向分化；建立由细胞和可降解材料构成的三维空建立由细胞和可降解材料构成的三维空间复合体；间复合体；可降解材料在组织培育成熟后逐渐消失；可降解材料在组织培育成熟后逐渐消失；Progresses of the Research of Tissue Engineering(1)人工皮肤人工皮肤“Apligraf”Apl
3、igraf”已经在美国面市；已经在美国面市；20002000年年8 8月日本筑波大学把鼠肝干细胞体外培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，养后移植到肝功能衰竭的鼠肝中，4040天后干天后干细胞发育成新的肝组织，分泌出鼠肝特异清细胞发育成新的肝组织，分泌出鼠肝特异清蛋白。蛋白。20022002年年2 2月日本京都大学再生医学科学研究所月日本京都大学再生医学科学研究所用鼠胚胎干细胞培育出胰岛细胞。用鼠胚胎干细胞培育出胰岛细胞。Progresses of the Research of Tissue Engineering(2)2002年2月美国马萨诸塞州的先进细胞技术公司
4、从母牛耳朵取皮肤细胞的细胞核，与去核卵电激融合，形成早期胚胎。取出其中的胚胎干细胞，放在肾形可降解“支架”上生长，获得外形和功能都似牛肾的微型器官，可泌尿，存活数月，不被排斥。Progresses of the Research of Tissue Engineering(3)2002年3月美国麻省理工学院罗伯特兰格等利用人胚干细胞培育出可能形成血管的组织，将它们注入免疫抑制的鼠中，未受排斥，14天后形成毛细血管网。2002年6月澳大利亚的莫纳什大学研究人员在世界上首次利用人干细胞培育出完整的功能齐全的胸腺。Progresses of the Research of Tissue Engine
5、ering(4)w 2002年7月美国的弗里德兰德等将实验鼠骨髓的“内皮祖细胞”注入鼠眼，后者会附着在视网膜内的星形细胞上，与原有血管相结合形成新血管。 2002年9月美国波士顿弗西斯研究中心从小猪体内提取牙齿干细胞，用酶催化后，放入可降解牙模中，再植入小鼠腹部。在30周内，这些细胞长成包含珐琅质和牙质的牙冠。2002年10月韩国与美国的科学家把干细胞置于可被吸收的生化塑料小架子上，再放到受中风严重破坏的老鼠脑部。 一个月之内，干细胞形成了新的脑部组织，还刺激原有的脑细胞生长。受损的部位已经大部分恢复。Progresses of the Research of Tissue Engineeri
6、ng(5)胚胎干细胞诱导分化胚胎干细胞诱导分化心肌、横纹肌细胞造血细胞上皮细胞胚胎干细胞分化为特定器官胚胎干细胞分化为特定器官Stem Cell and Gene Therapy基因治疗的两条途径：基因治疗的两条途径：体外途径：体外途径：从病人体内获取细胞，体从病人体内获取细胞，体外培养并进行基因转移后，重新输入外培养并进行基因转移后，重新输入患者体内；患者体内；体内途径：体内途径：直接将基因或改造后的病直接将基因或改造后的病毒（插入目的基因）导入人体患病组毒（插入目的基因）导入人体患病组织中；织中；治疗基因或其它核苷酸；治疗基因或其它核苷酸；可携带治疗基因进入靶细胞的载体；可携带治疗基因进入
7、靶细胞的载体；将治疗基因将治疗基因-载体导入靶组织的装置（导载体导入靶组织的装置（导管、注射器管、注射器等）；等）；Three Factors of Gene TherapyPathways of inducing gene into ES显微注射；显微注射；逆转录病毒介导；逆转录病毒介导；电脉冲介导；电脉冲介导；基因重组（定点整合，基因打靶）；基因重组（定点整合，基因打靶）；基因敲除（定点敲除）基因敲除（定点敲除）The Key of Gene Therapy选择安全、无毒、容易穿过细胞膜的基基因载体因载体是将治疗基因导入细胞内的关键。理想载体的条件：易获得高滴度的纯品；易获得高滴度的纯品；
8、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；可以长期、稳定地表达外源基因而不会引起细胞毒可以长期、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；性、感染或免疫应答；能特异地识别靶组织，在其中表达外源基因；能特异地识别靶组织，在其中表达外源基因；The Kinds of Vector for Gene Therapy腺相关病毒腺相关病毒逆转录病毒逆转录病毒疱疹病毒；疱疹病毒；甲病毒；甲病毒；弱免疫源性；高效稳定转染非增殖细胞；较长期表达外源基因；较低的致感染力；Virus Vectors缺点：缺点：安全性不够理想；安全性不够理想；操作难度较大；操作难度
9、较大；Non-virus Vectors裸DNA（Naked DNA）；脂质体载体（Liposome vector）；阳离子多聚物载体（Cationic polymer vector）；Safety, Easy to manipulateHow could the reconstructed vectors pass into cell?重组载体如何进入细胞？Virus：自主特异侵入；：自主特异侵入；Naked DNA：微注射或基因枪；：微注射或基因枪；Cationic polymer vector：与细胞膜融：与细胞膜融合合;缺点：缺点：易被降解；易被降解；特异性不强；特异性不强；The A
10、dvantages of Transgenic Stem Cell Therapy转基因干细胞治疗的优点转基因干细胞可维持、增强或抑制其增殖分转基因干细胞可维持、增强或抑制其增殖分化（产生新组织）的能力；化（产生新组织）的能力；转基因干细胞可使插入基因在其重建的组织转基因干细胞可使插入基因在其重建的组织中持续表达中持续表达The Gene Therapy of Hematopoietic Stem Cell造血干细胞基因治疗需要将外源基因整合到染色体上，因此常用逆转录需要将外源基因整合到染色体上，因此常用逆转录病毒；病毒；造血干细胞转腺苷脱氨酶基因（造血干细胞转腺苷脱氨酶基因（ada），），6
11、年后在外年后在外周血淋巴细胞尚可检测到表达；周血淋巴细胞尚可检测到表达；标记造血干细胞移植治疗急性白血病儿童，标记造血干细胞移植治疗急性白血病儿童，8年后年后尚可在外周血中检测到标记的血细胞；尚可在外周血中检测到标记的血细胞；造血干细胞基因治疗的临床效果大多不理想；造血干细胞基因治疗的临床效果大多不理想；Neural Stem Cell (NSC)神经干细胞（1）1992年，年，Reynolds等首先从胎鼠和成鼠的等首先从胎鼠和成鼠的纹状体分离得到神经干细胞，形成球形细胞纹状体分离得到神经干细胞，形成球形细胞团；可分化为神经系统的三种主要细胞：神团；可分化为神经系统的三种主要细胞：神经元细胞、
12、星形胶质细胞和少突胶质细胞；经元细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞；1995年年Gage从成鼠的海马组织获得神经干从成鼠的海马组织获得神经干细胞；细胞；1996年，年，Weiss从成年哺乳动物脊髓中分离从成年哺乳动物脊髓中分离得到神经干细胞；得到神经干细胞；Neural Stem Cell神经干细胞（2）1998年，年，Okano报道，成人脑室下区存在神报道，成人脑室下区存在神经干细胞；经干细胞；1999年，年，Johnasson证实，成年哺乳动物脑证实，成年哺乳动物脑室管壁的室管膜细胞是神经干细胞；室管壁的室管膜细胞是神经干细胞；1999年，年，Doetsch报道，成年哺乳动物脑内报道，成年哺
13、乳动物脑内室下区的星形胶质细胞是神经干细胞；室下区的星形胶质细胞是神经干细胞；Identification of Neural Stem Cell细胞表面抗原：细胞表面抗原：CD133+/CD34-/CD45-；表达特异性标记蛋白：神经巢蛋白（表达特异性标记蛋白：神经巢蛋白（nestin）和和A2B5蛋白；蛋白；Neural Stem Cell Therapy for Clinical Application 神经干细胞治疗临床应用神经干细胞治疗临床应用帕金森病（帕金森病（Parkinson disease，PD）；）；阿尔兹海默病（阿尔兹海默病（Alzheimer disease，AD）；）
14、；亨廷顿病（亨廷顿病（Huntington disease，HD）；）；神经干细胞植入后可直接整合入神经系统，神经干细胞植入后可直接整合入神经系统，逐渐替代有缺陷或死亡的神经细胞；逐渐替代有缺陷或死亡的神经细胞；转基因神经干细胞可根据需要广泛分布于整转基因神经干细胞可根据需要广泛分布于整个神经系统；个神经系统；神经干细胞对肿瘤组织有特异的趋向性；神经干细胞对肿瘤组织有特异的趋向性；导入神经生长因子的神经干细胞能有效地改导入神经生长因子的神经干细胞能有效地改善因缺血而受损的大鼠纹状体突触神经元的善因缺血而受损的大鼠纹状体突触神经元的功能；功能；Gene Therapy of Neural Ste
15、m Cell神经干细胞基因治疗脊椎干细胞移治心脏病脊椎干细胞移治心脏病2001年年8月，德国杜塞尓多夫大学医院施特月，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助中取出干细胞，经处理后将其注入借助“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，患者心肌梗塞的规模便缩小了近周，患者心肌梗塞的规模便缩小了近1/3，心脏功能也得到明显改善。心脏功能也得到明显改善。这是世界首例自体干细胞移植治疗心肌梗这是世界首例自体干细胞移植治疗心肌梗塞成功的病例。塞成功的病例。流产胎儿神经干细胞治疗流
16、产胎儿神经干细胞治疗首都医科大学附属神经外二科主任首都医科大学附属神经外二科主任黄红云等黄红云等自自20012001年起在世界上率先开展流产胎（婴）年起在世界上率先开展流产胎（婴）儿儿嗅鞘细胞嗅鞘细胞（一种干细胞）移植治疗脊髓损（一种干细胞）移植治疗脊髓损伤；伤；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；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、成肌（骨、软骨、脂肪、成肌细胞、成心肌细胞、成纤维细胞、肝细胞）细胞、成心肌细胞、成纤维细胞、肝细胞）；容易获得；容易获得；体外扩增体外扩增10109 9倍仍不失
17、多向分化潜能；倍仍不失多向分化潜能；外源基因容易插入；外源基因容易插入；免疫原性较弱；免疫原性较弱；间充质干细胞基因治疗间充质干细胞基因治疗表皮干细胞终生都在更新；表皮干细胞终生都在更新；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；治疗的效果易于观察，万一发生不良反应治疗的效果易于观察，万一发生不良反应可方便地移去；可方便地移去；已经成功应用于遗传性水疱病、大疱性表已经成功应用于遗传性水疱病、大疱性表皮松懈症皮松懈症（表皮容易脱落）（表皮容易脱落）的基因治疗；的基因治疗；Gene Therapy of Epidermal Stem Cell表皮干细胞基因治疗表皮干细
18、胞基因治疗w 1996，我国我国徐荣祥在烧伤创面上找到皮肤器官原徐荣祥在烧伤创面上找到皮肤器官原位再生的原始细胞位再生的原始细胞“角蛋白十九型皮肤干细胞角蛋白十九型皮肤干细胞”，他们对被烧伤的皮肤进行适当处理后，成功地直他们对被烧伤的皮肤进行适当处理后，成功地直接诱导接诱导上皮组织基底层的干细胞上皮组织基底层的干细胞分化生成皮肤细分化生成皮肤细胞，使受伤的皮肤得以迅速康复。胞，使受伤的皮肤得以迅速康复。成功实现人体成功实现人体其它器官原位利用普通组织再生，从而建立起人其它器官原位利用普通组织再生，从而建立起人体组织器官再生医学，并获得美国专利。体组织器官再生医学，并获得美国专利。w 该技术显示
19、我国干细胞研究已率先进入组织和器该技术显示我国干细胞研究已率先进入组织和器官的原位干细胞修复和复制阶段，在国际上处于官的原位干细胞修复和复制阶段，在国际上处于领先地位。领先地位。我国的表皮干细胞移植我国的表皮干细胞移植内皮祖细胞被含有内皮祖细胞被含有血管内皮生长因子基血管内皮生长因子基因因的重组腺病毒感染后，可在体内外显的重组腺病毒感染后，可在体内外显著促进新生血管的形成，有利于组织的著促进新生血管的形成，有利于组织的再生与痊愈。再生与痊愈。内皮祖细胞基因治疗内皮祖细胞基因治疗干细胞器官工程的难点干细胞器官工程的难点w 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；w 离体培养难
20、以确保器官形成所需的多种离体培养难以确保器官形成所需的多种条件；条件；w 细胞间相互促进或抑制的机理尚未研究细胞间相互促进或抑制的机理尚未研究清楚；清楚；成人干细胞体外增殖太久可能癌变成人干细胞体外增殖太久可能癌变 西班牙马德里自治大学博尔纳德教授和丹麦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称（欧登塞大学医院布瑞恩斯称（20052005年年5 5月月癌症研究癌症研究）体外培育人体充质干细胞六）体外培育人体充质干细胞六至八周是安全的，但超过四到五个月，这种至八周是安全的，但超过四到五个月，这种干细胞会发生自发转化。体外培养八个月、干细胞会发生自发转化。体外培养八个月、分裂了
21、分裂了9090至至140140代的人体充质干细胞移植至代的人体充质干细胞移植至动物体内后，发现动物体内后，发现“最老的最老的”细胞发生了癌细胞发生了癌变。变。其原因是这些开始生成端粒酶。端粒酶有阻其原因是这些开始生成端粒酶。端粒酶有阻止端粒随细胞分裂而逐渐缩短的作用，从而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，在保持细胞稳定染色体的末端，在保持细胞“永生永生”性性中起重要作用。永久打开充质干细胞的端粒中起重要作用。永久打开充质干细胞的端粒酶基因，最终将使其变成癌细胞。酶基因，最终将使其变成癌细胞。 成人干细胞体外增殖太久可能癌变成人干细胞体外增殖太久可能癌变之原因之原因 展展 望望 随着干细胞工程研究的不断深入，随着干细胞工程研究的不断深入，生命的奇迹必然在生命的奇迹必然在21世纪出现世纪出现!36Review & DiscussionWhats stem cell ? The characters of stem cell； Determination of stem cell;Three steps on the research of stem cell;Merits of stem cell therapy;Whats embryo stem cell? The characters of ESC; Whats tissue engineering ?
