1、1,第七章 神经干细胞,Neural Stem Cell,2,掌握要点：,1.概念：神经干细胞 2.神经干细胞的特性 3.成人组织中神经干细胞的位置 4.神经干细胞增殖分化的影响因素,3,第一节 干细胞 (Stem Cell),一、干细胞的定义: 是一类具有自我更新与增殖分化能力的细胞，能产生表现型与基因型同自身完全一致的子细胞。特点： 1.具有不受限制的存活和自我更新的能力 2.在适当条件下进行分化和增殖 3.最终至少可以产生一种高度分化的后代细胞,4,二、干细胞的分类(分化潜能)： （1）全能干细胞：具有全能性，能够分化成 全身200多种细胞类型，进一步形成机 体的任何组织和器官，如胚胎干
2、细胞。 （2）多能干细胞：具有分化成多种细胞和组 织的潜能，但却失去了发育成完整个体 的能力，如胎儿干细胞。 （3）专能干细胞：只能分化成某一类型的细 胞，如神经干细胞。,5,6,7,干细胞的分类（分化方向）： 胚胎干细胞 (Embryonic stem cell, ES) 造血干细胞 (Hematopoietic stem cell, HSC) 间充质干细胞(Mesenchymal stem cell, MSC) 表皮干细胞 (Epidermal stem cell, ESC) 胰岛干细胞 (Pancreatic stem cell, PSC) 神经干细胞 (Neural stem cell
3、, NSC),8,（一）胚胎干细胞 (Embryonic Stem Cell),是指来自胚胎桑葚胚的卵裂球或胚泡的内细胞团(inner cell mass, ICM)的细胞，可以分化为外胚层、中胚层和内胚层的各种谱系的约200余种细胞，甚至可以发育分化为一个完整的个体。,9,胚胎干细胞的培养和鉴定,ES的培养： 小鼠ES：LIF (leukocyte inhibitory factor) 人ES：bFGF 饲养层细胞：胎鼠成纤维细胞分泌bFGF or FGF-2促进ES细胞的增殖分泌LIF 抑制ES的分化,10,干细胞培养过程,11,murine ES cells in green marke
4、r,Human Embryonic Stem cell colony on mouse embryonic fibroblast feeder layer,12,胚胎干细胞,13,Human embryonic stem cells A: Cell colonies that are not yet differentiated. B: Nerve cell,14,ES的鉴定： 转录因子：Oct-4, Nanog, and SOX2 抑制导致分化的基因表达，保持多能分化潜能 细胞表面抗原： 碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase, AKP) 阶段特异性胚胎抗原(stage-spe
5、cific embryonic antigens, SSEA): SSEA3 and SSEA4 肿瘤排斥抗原(tumor rejection antigen, Tra): Tra-1-60 and Tra-1-81.,15,16,研究意义： 人胚胎发育机制及影响因素的研究，基因的调控（基因治疗）； 用于药物机理及毒性实验的研究，减少人体和动物的实验及临床研究； 将胚胎干细胞定向分化的细胞用于制造人体细胞、组织和器官。,17,研究面临的问题： 用于干细胞研究的胚胎来源困难； 如何保持胚胎干细胞的全能性，并控制向特别类型细胞转化； 如何分离、纯化干细胞； 分化后的细胞是否有致瘤性； 干细胞在体外
6、发育成完整的器官尚难做到； 分化细胞移植仍有可能发生排斥反应； 伦理问题。,18,是存在于已分化组织中的非分化细胞。来自某一组织的成体干细胞能够发育成具有其它组织特征的细胞型。,（二）成体干细胞 Adult Stem Cell,19,成体干细胞的发育可塑性,20,- Hematopoietic Stem Cells - Bone Marrow Stromal Cells - Neuronal Stem Cells - Epithelial Stem Cells - Muscle Stem Cells - Liver Stem Cells - Pancreatic Stem Cells - Co
7、rneal Limbal Stem Cells - Umbilical Cord Blood Stem Cells,Classification of Adult Stem Cells,21,（1）造血干细胞 (Hematopoietic Stem Cells)可以诱导产生所有类型的血细胞：红细胞，B 淋巴细胞，T淋巴细胞，自然杀伤细胞，嗜中性粒细胞，嗜碱性粒细胞，嗜酸性粒细胞，单核细胞，巨噬细胞和血小板。,22,23,（2）骨髓间充质干细胞 (Bone marrow stromal cells, mesenchymal stem cells)可以诱导产生较多类型细胞: 成骨细胞，软骨细胞，脂
8、肪细胞和其它类型的结缔组织细胞，例如腱细胞。,24,造血干细胞和间充质干细胞分化图,25,(3)表皮组织干细胞 (Epithelial Stem Cells)存在于消化道的内层和粘膜小凹中，可以诱导产生较多类型细胞：吸收细胞，杯状细胞和肠内分泌细胞。,26,(4)皮肤干细胞、毛囊干细胞 (Skin Stem Cells, hair follicles stem cell)存在于表皮组织的基底层和毛囊泡的基底部。可以诱导产生角化细胞，可以移行到皮肤的表层形成保护层。毛囊干细胞可形成毛囊和上皮组织。,27,影响成体干细胞应用的某些因素：,A. 当前并没有在所有人体组织中发现成体干 细胞； B. 成
9、体干细胞含量极少，很难分离与纯化； C. 对某些病人来说，可能疾病的进程等不到 足量干细胞的培养； D. 病人自身基因组有遗传缺陷。,28,诱导性多能干细胞 (Induced pluripotent stem cell, iPS),由成人体细胞经过简单的基因改造产生的，它具有胚胎干细胞的特点，可以分化为任意一种体细胞。 建立iPS只需四个基因： 2007年日本Yamanaka: Oct3/4, Sox2, c-Myc and Klf4美国James Thomson: OCT4, SOX2, NANOG, and LIN28,29,Summary: Embryonic vs. Adult Ste
10、m Cells,Embryonic Stem Cells Derived from the inner cell mass of the developing blastocyst High plasticity and developmental potential May be rejected due to allogeneic nature Potential for undesired tumorformation (teratomas) High ethical controversy Uncertain legal status,Adult Stem Cells Derived
11、from a specific tissue, such as the epidermis Developmental potential uncertain High potential for autologous grafts Less likely to form tumorsLess moral controversy Less legal controversy,30,三、干细胞的应用价值,一、生物学与医学基础研究：人类干细胞是机体早期发育的极好模型。过去，人类发育生物学研究经常受到很多实际问题和伦理学的限制，因此只有使用动物模型。有了胚胎干细胞就可以直接在人类组织上研究早期发育出
12、现的复杂事件和细胞分化的原初过程。关键是找到特定的因子，它们控制着与发育和分化过程相关的基因的打开和关闭。这一研究也必然为了解非正常细胞分化（如：肿瘤等）的原因提供线索。,31,二、医疗实践1.细胞移植： 心脏：心肌梗塞，心衰竭 神经系统：退化疾病，脊髓损伤 血液：白血病 眼睛：人工角膜 胰腺：糖尿病 2.药物设计,Christopher Reeve,32,Heart muscle repair with adult stem cells,33,34,第二节 神经干细胞 (Neural stem cell),一、神经干细胞定义：存在于神经组织中，具有分化为神经元、星形胶质细胞以及少突胶质细胞的
13、能力，能自我更新并足以提供脑组织细胞的一类细胞。,35,proliferating cells with the potential to differentiate into the three major neural lineages,36,二、神经干细胞的特性,1. 来源于神经系统并能产生神经组织细胞。 2. 具有自我更新能力。 3. 可以通过不对称分裂产生神经干细胞以及其它类型的前体细胞。,37,Stem cell division and differentiation. A - stem cell; B - progenitor cell; C - differentiated
14、cell; 1 - symmetric stem cell division; 2 - asymmetric stem cell division; 3 - progenitor division; 4 - terminal differentiation,38,体外培养的神经干细胞球,体外分离培养并诱导分化的神经干细胞,39,电镜下正在进行有丝分裂的神经干细胞,体外分离培养并诱导分化的少突胶质细胞,图片引自北京武警总医院神经干细胞移植治疗中心,40,三、神经干细胞的发现,哺乳动物干细胞向神经组织分化的过程,41,四、成人组织中神经干细胞的位置,前脑的室下带 (subventricular z
15、one, SVZ) 海马的齿状回 (dentate gyrus of hippocampus) 脊髓 (Spinal cord) 纹状体 (Striate body),42,subventricular zone, SVZ,dentate gyrus of hippocampus,43,the subventricular zone of the lateral ventricle,44,the subgranular zone of the hippocampal dentate gyrus,45,第三节 神经干细胞增殖分化的影响因素,一、表皮生长因子 (Epidermal growth f
16、actor, EGF) 调节神经干细胞增殖和分化 EGF依赖性神经干细胞 ：主要分布在脑 对称分裂 不对称分裂：多分化为星形胶质细胞 促进室下带神经干细胞增殖迁移,46,二、碱性纤维母细胞生长因子 (Basic fibroblast growth factor, bFGF),bFGF也被称为FGF-2。 离体条件下，bFGF是神经干细胞的一 个强效有丝分裂原 FGF依赖性神经干细胞 ：主要分布在脊髓 bFGF与EGF共同诱导人类神经干细胞增殖。,47,三、维甲酸 (Retinoic acid, RA),维甲酸在胚胎发育期及成年期进行不同 组织分化时是必不可少的因素。可参与 上皮细胞、皮肤组织、
17、骨骼、免疫系统 和神经系统的分化形成。 RA是发挥基因调节子功能的活性代谢产 物。 RA可以促进许多细胞系的分化。 RA是一个有名的致畸胎原。,48,49,四、BDNF (Brain-derived neurotrophic factor),在培养的神经元中加入BDNF，将明显促 进神经元突起生长，促进神经元存活 使神经元前体细胞从形态学上和抗原特性上表现出已分化的神经元特性。,50,第四节 神经干细胞的研究进展,一、神经干细胞的体外研究 神经干细胞的体外分离方法： 从前脑室下区、纹状体、海马和胚胎脑组织中取出确定含有神经干细胞的脑组织用酶消化加入致有丝分裂原（EGF, bFGF）细胞增殖 撤
18、出某些有丝分裂原细胞分化根据表达的不同抗原标记来确定分化的最终产物。,51,神经干细胞标记物: nestin (巢蛋白) Neuron express: neuron specific enolase(神经元特异性烯醇化酶), neurofilament protein(神经丝蛋白), tubulin (TUJ1微管蛋白); Astrocyte express: GFAP (胶质纤维酸性蛋白); Oligodendrocytes express: MPB (髓磷脂碱性蛋白);,52,神经前体细胞的逆分化现象：,如：少突胶质细胞前体细胞 逆分化 多能干细胞 分化 神经干细胞神经元,53,永生性神
19、经干细胞系:,将外源性癌基因(SV40的T抗原及病毒myc)导入NSC永生性的神经干细胞系(HiB5细胞系) 特点:自我复制并在体外大量增殖；植入脑内后仍具有多向分化潜能；可以转染并稳定的表达外源性基因。 不足: 遗传上有继续突变的趋势。,54,二、神经干细胞的在体研究细胞谱系构图 (lineage mapping):通过追踪干细胞分裂，分化后所产生的一系列细胞而形成，进而了解细胞的发育过程及相互间的关系。,55,干细胞的分化发育与环境之间的作用:,细胞的发育是干细胞与环境共同作用的结果； 移植入的干细胞分化方向是由所处的局部环境因素所决定，而非植入的干细胞的内在特性决定； 神经干细胞的分化潜能不仅仅局限于神经系统范围内。,56,影响神经干细胞功能的因素：,学习因子: 丰富环境(enriched environment) 年龄：年龄增长抑制神经干细胞的增殖 糖皮质激素：抑制神经干细胞的增殖 谷氨酸受体拮抗剂促进神经干细胞增殖 各种生长因子,57,第五节 神经干细胞研究的意义及应用,一、为研究神经系统的发育提供了一个新的途径。 二、神经系统疾病的基因导入治疗。 三、调控神经干细胞向特定神经元分化， 替代治疗因神经元退变及损伤所引起 的疾患。,58,Thank You,
