细胞工程
课程论文
题目：胚胎干细胞在生物医学方面的研究及用学号：20100412310035
姓名：周文斌
年级：2010级
专业：生物工程（1）班
指导教师：
完成日期：2013 年11 月28 日
成绩：
胚胎干细胞在生物医学方面的研究及应用
摘要：干细胞，在医学中被称为“万用细胞”，是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，在生命的生长与发育中其起主干作用的原始细胞。本文即以干细胞为基础，从胚胎干细胞概念出发，介绍胚胎干细胞的生物学特性，对近年来国外胚胎干细胞的研究历程做出梳理与总结，并对其研究成果、应用前景及存在问题作出概述。
关键词：干细胞；胚胎干细胞；生物学特性；研究历程及成果；应用前景；存在问题
一、干细胞
干细胞(stem cells, SC)是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。根据干细胞的发育潜能分为三类：全能干细胞(totipotent stem cell,TSC)、多能干细胞（pluripotent stem cell）和单能干细胞（unipotent stem cell）。干细胞是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。
二、胚胎干细胞（ESC）
胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC）是从着床前胚胎细胞团或原始生殖细胞经体外分化抑制培养分离的一种全能性细胞[1]。它具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。无论在体外还是体环境，ES细胞都能被诱导分化为机体几乎所有的细胞类型。1981年，埃文斯（Evans）和考夫曼（Kaufman）从小鼠胚囊细胞团建立了未分化的小鼠胚胎干细胞[2,3]。1998年，汤姆森（Thomson）在体外受精5 天的人囊胚中成功分离出hES细胞, 体外培养维持不分化状态均传代30 代以上,建立了人的胚胎干细胞系开创了胚胎干细胞的新纪元[4]。
三、生物学特性
1、形态学特征
ES细胞具有与早期胚胎细胞相似的形态结构，细胞核大，有一个或几个核仁，胞核中多为常染色质，胞质胞浆少，结构简单。体外培养时，细胞排列紧密，呈集落状生长。用碱性磷酸酶染色，ES细胞呈棕红色，而周围的成纤维细胞呈淡黄色[5]。
2、全能性或多能性
ES 细胞全能性或多能性的基础是其具有的高度的分化潜能。细胞分化终究归结为在胚胎发育过程中基因组中的特定基因按一定顺序相继活化和表达, 所以,细胞全能性的实质是细胞基因组中决定蛋白质编码的所有基因按一定顺序表达。细胞全能性或多能性与细胞分化状态的相对稳定性密切相关。细胞分化具有相对的稳定性, 但在一定条件下, 细胞分化又是可逆的。低等生物细胞和高等动物的早期胚胎细胞具有全能性, 但用成年绵羊的乳腺细胞和胎儿成纤维细胞为供体进行核移植生出了绵羊羔,这表明:不但未分化的胚胎细胞具有全能性, 已分化的体细胞在特定条件下经过脱分化( Dedifferent iation) 也具有全能性。已分化的细胞具有全能性的前提条件是这种细胞在体外诱导进入休眠状态。细胞全能性是细胞核基因在不断变化的胞质环境的作用下有次序、有系统地表达的结果,在分化的细胞存在有可逆性修饰的遗传物质。但并非所有的体细胞均具有全能性,例如红细胞, 在成熟时失去细胞核, 丧失了可逆性分化的遗传物质。
四、研究历程及成果
1、60年代，几个近亲种系的小鼠睾丸畸胎瘤的研究表明其来源于胚胎生殖细胞（embryonic germ cells, EG细胞），此工作确立了胚胎癌细胞（embryonic carcinoma cells, EC细胞）是一种干细胞[6]。
2、1981年，Evan, Kaufman 和Martin从小鼠胚泡细胞群分离出小鼠ES细胞。他们建立了小鼠ES细胞体外培养条件。由这些细胞产生的细胞系有正常的二倍型，像原生殖细胞一样产生三个胚层的衍生物。将ES细胞注入上鼠，能诱导形成畸胎瘤[2,3]。
3、1992 年, 两组科学家直接从受精后8～12 天的鼠胚中成功分离出mEG细胞【7，8】。
1994年，通过体外授精和病人捐献的人胚泡处于2-原核期。胚泡细胞群在培养中得以保存其周边有滋养层细胞聚集，ES样细胞位于中央。
4、1998年美国有两个小组分别培养出了人的多能( pluripotent )干细胞：James
A. Thomson在Wisconsin大学领导的研究小组从人胚胎组织中培养出了干细胞株[4]。他们使用的方法是：人卵体外受精后，将胚胎培育到囊胚阶段，提取 inner cell mass细胞，建立细胞株。经测试这些细胞株的细胞表面marker 和酶活性，证实他们就是全能干细胞。用这种方法，每个胚胎可取得15－20干细胞用于培养。John D. Gearhart在Johns Hopkins大学领导的另一个研究小组也从人胚胎组织中建立了干细胞株。他们的方法是：从受精后5－9周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞( primordial germ cell )。由此培养的细胞株，证实具有全能干细胞的特征。
5、2000年，由Pera、Trounson 和Bongso 领导的新加坡和澳大利亚科学家从治疗不育症的夫妇捐赠的胚泡细胞群中分离得到人ES细胞，这些细胞体外增殖，保持正常的核型，自发分化形成来源于三个胚层的体细胞系。将其注入免疫缺陷小鼠错开产生畸胎瘤。
6、2002年妇幼保健院生殖与遗传研究所完成了中国首例囊胚胎培养技术。该技术不仅大提高了试管婴儿的妊娠成功率，还有效地降低多胞胎发生率。美国哈佛大学医学院正与妇幼保健院生殖与遗传研究所合作，人工共同研究干细胞的分化，为“克隆”人体器官创造条件。
7、2003，建立了人类皮肤细胞与兔子卵细胞种间融合的方法，为人胚胎干细胞研究提供了新的途径。
8、2008年1月美国加利福尼亚州从事干细胞研究的Stemagen公司采用克隆多利的技术来建立人体晶胚，首次宣布由人体细胞成功克隆人体胚胎，虽然这些比针头还要小的晶胚细胞只存活了5天时间，它们却被视为治疗阿尔茨海默症、帕金森氏症等疾病的一个里程碑.
9、2009年2月2日省干细胞工程技术研究中心宣布首次成功克隆人类囊胚，此研究选择了健康卵细胞志愿捐献者12人，经过促排卵共获得135枚卵细胞，其中77枚卵细胞进行了预实验，58枚卵细胞用于实验，最终成功获取囊胚5枚。其中4枚囊胚的供体细胞来源于正常人皮肤纤维细胞，1枚来源于帕金森患者外周血淋巴细胞。因而，揭示了在构建胚胎发育过程中的部分科学和技术问题，这使治疗性克隆研究向前迈进了一大步。
五、应用前景
1、研究体外细胞分化的理想材料
ES细胞在添加抑制因子的培养液中,能够维持不分化的状态。在培养液中加入分化诱导因子,如牛黄酸、丁酰环腺苷酸等化学物质时,就可以诱导ES细胞向不同类型的组织细胞分化,这为揭示细胞分化和细胞凋亡的机理提供了有效的手段。
2、治疗疾病
用神经细胞治疗神经变性疾病（帕金森综合症、脊髓损伤、阿尔兹海默病），肝细胞治疗肝炎、骨骼肌细胞治疗肌营养不良，胰岛细胞治疗糖尿病，心肌细胞修复坏死的心肌等[12]。另外，目前，ES 细胞作为组织工程的种子细胞，已在体外培养膀胱组织、胰腺、皮肤和角膜等方面取得成功[11]。
3、畜牧业和制药
实验研究表明，ES细胞可提高基因转移效率，因此，ES细胞系对于转基因动物与克隆动物生产（如稀有动物）、高效率产品的生产、药物制造等具有重要的利用价值【9，10】。
4、器官移植
对胚胎干细胞进行体外培养,经过诱导分化,形成相应的组织和器官,可以用于组织器官的移植,使体病变的组织器官得以修复并恢复正常功能。而且用自体的细胞进行培养后移植还可以避免异体移植所带来的免疫排斥问题。目前,在动物实验方面,用ES细胞诱导分化出的某些组织细胞已成功地治愈肝衰竭、心衰竭、成骨不良等疑难病症。也许在不久的将来,当我们的身体某一类细胞功能出现异常或退化时,就可以通过诱导ES细胞定向分化来及时修补[13]。
5、克隆动物
胚胎干细胞在理论上具有可以无限地传代增殖,而且不改变其基因型和表现型的特点。如果以胚胎干细胞细胞作为核供体进行核移植,可以在短时间获得大量基因型和表现型完全相同的个体,这在保护珍稀野生动物方面有着重要意义。还可对胚胎干细胞进行遗传操作,通过细胞核移植生产遗传修饰性动物,有可能
创造新的物种。
6、转基因动物
目前常用的生产转基因动物的方法是向受精卵中注射DNA。外源基因的整合、表达和筛选工作是在个体水平上进行的,不仅工作繁琐、周期较长、成功率低,而且后代的遗传性状也常出现分离;而利用胚胎干细胞作为基因载体,得到基因整合的细胞,将载体胚胎干细胞直接进行核移植或者通过与胚胎嵌合获得嵌合动物, 胚胎干细胞在嵌合体中分化发育成全能性的生殖细胞,即可以得到携有目的基因的转基因动物。一个优良的ES细胞系不仅可以用于各种目的基因转化,用各种方法将外源DNA导入细胞,而且外源基因的整合数目、位点、表达程序以及稳定性等都可以在细胞水平上进行加工、筛选,在很大程度上加快了动物遗传工程的进程。
7、胚胎干细胞在哺乳动物个体发育中的应用
由于ES细胞可以分化为胚胎的胚层、中胚层和外胚层中任何一类细胞,于是可以将带有遗传标记的ES细胞注入早期胚胎的囊胚腔,通过组织化学染色,了解ES细胞的分化特点,这就为研究胚胎发育过程中的细胞分化及组织和器官形成的规律,进而研究动物体器官形成的时间、发育过程以及影响的因素等提供了可能。
总之，ES细胞应用前景非常广阔，1999年，《Science》将人ES细胞研究成果评为当年世界十大科技进展之首，2000年《Time》周刊将其列为20世纪十大科技成就之首，并认为ES细胞和人类基因组将同时成为新世纪最具发展和应用前景的领域[14]。
六、胚胎干细胞研究中存在的问题
虽然作为十大科技之首，应用前景非常广阔，但胚胎干细胞(特别是人胚胎干细胞) 的研究与应用却面临着巨大的挑战。主要有以下几方面的原因：
1、ES细胞在体外定向诱导难度大
ES细胞在治疗前必须事先在体外被诱导分化为某种特异的组织细胞，否则直接移植有发生畸胎瘤的危险。
2、免疫排斥