动物的再生、干细胞与再生医学

动物的再生初探Animal sRegeneration 生科0701小组成员 张生哲 组长 段柳剑鄢纯朱徐鼎张涛 内容提要 1 再生的概念2 自然界动物的再生现象3 人的再生4 干细胞与再生医学的概念及应用5 再生的研究进展6 再生研究的展望 再生 Regeneration 生物界普遍存在再生现象 广义的再生包括分子水平 细胞水平 组织与器官水平及整体水平的再生 一般再生是指生物体缺失部分的重建过程 一般来说 植物比动物再生能力强 低等动物比高等动物再生能力强 自然界动物的再生现象 蚯蚓蚯蚓被斩为两段后可变成两条蚯蚓 螃蟹 螃蟹的足能重新长出来 这属于修复性再生 章鱼 章鱼的再生能力很强 每当章鱼遇到敌害时 有时它的触腕被对方牢牢地抓住了 这时候它就会自动抛掉触腕 自己往后退一步 让断触腕的蠕动来迷惑敌害 趁机赶快溜走 每当触腕断后 伤口处的血管就会极力地收缩 使伤口迅速愈合 所以伤口是不会流血的 第二天就能长好 不久又长出新的触腕 一到冬天 章鱼就潜入海底 为了生存 它开始吃自己的脚爪 直到把八只脚爪都吃完为止 然后就闭眼不动了 等到第二年春天 它又长出八条新的脚爪 海参 海参在遇到危险时 会抛出内脏给那些 敌人 自己趁机逃命 而过一段时间海参体内就又能长出完整的内脏来 海星 海星的绝招是它分身有术 若把海星撕成几块抛入海中 每一碎块会很快重新长出失去的部分 从而长成几个完整的新海星来 蝾螈 通过诱导可使蝾螈前肢的断面上再生新 手 鹿 在动物世界中 鹿是唯一能再生完整的身体零部件的哺乳动物 鹿角每年都会脱落 随后又生出新的 当鹿角长到最大尺寸后 骨头开始变硬 像天鹅绒一样柔软的鹿茸开始脱落 一旦鹿茸掉光 就剩下赤裸的骨头 就可成为角斗中的强大武器 在交配期结束时 鹿角脱落以保存能量 等到春天来临 在其头顶上就能长出一对新的隆起的组织骨结节 干细胞作为鹿身体的重要细胞在鹿角的再生中发挥了重要作用 火蜥蜴 火蜥蜴是唯一能在其整个生命过程中任意无限次地再生它的断肢的脊椎动物 火蜥蜴的再生 断损处的伤口会快速愈合 紧接着 截断处会产生大量细胞 涌向 伤口 接下来 这些细胞会回复到胚胎状态进行重新分化 火蜥蜴断肢的再生 在 截肢 数小时之内 火蜥蜴的表皮细胞会来回穿梭于断面 以封住伤口 最终形成伤口表皮 也就是我们俗称的 结痂 过程 接下来表皮细胞会共同形成一个冠状突起 从这里会发出引导其他细胞行为的信号 随后纤维原细胞和肌细胞就开始向断肢处迁移 迁移到伤口处的细胞回复到低分化的原始胚胎细胞状态 并开始分化成生长新肢所需要的芽体 这被称为胚基 随着胚基的不断生长 它逐渐有了新肢的轮廓 其中就包括小的指尖 今后会形成脚趾 胚原细胞通过增生扩散和不断分化逐渐形成了骨骼 肌肉 纤维原细胞等等新的组织 随着内部解剖学意义上和外部轮廓结构上的不断成熟 新肢体终于长成 从而弥补了缺失的那部分前肢和趾 其实 进行截肢手术的人 在初期的反应和蜥蜴是一样的的但是后来是人体的组织在伤口位置形成了疤痕 而蜥蜴的身体反应却是开始再生 由一个初期的新肢胚胎长出一个新的肢体 我们人类呢 其实 人类的一些器官和组织也具备某种程度的再生能力 但是 我们大多数的组织或器官 几乎没有任何再生的能力 人的身体中再生能力最强的器官是肝脏 但是也没有办法在绝大部分硬化坏死或完全摘除后 无中生有地再生出新的肝脏来 人的皮肤受伤后虽然也会愈合 但如果伤得太严重 就难免会长成难看的疤 Howto再生 人体大多数组织是可以完成 独立再生 的 这说明人类能完成局部再生是一个很现实的目标 一些研究人认为 人体内有足够的干细胞 完全可以依靠自己使组织再生 他们认为 所需要的只是能激发再生功能的合适的分子 也有科学家认为 再生是由基因控制的 如果我们能找到控制肢体再生信息的基因并设法开启它 那么再生就不会遥远 Howto再生 细胞水平 要想使整个断肢再生 目前就是需要改变向伤口处的细胞发出的信号 目的是让它们原先进行的 愈伤行为 停止 同时诱导并调控干细胞增殖分化 从而激活我们体内的 断肢再造 功能 基因水平 找到人体内控制再生信息的基因密码和引发再生的基因信号 从而开启人体的肢体再生功能 再生医学 2004年1月 世界上第一本 烧伤再生医学 专著 由世界最著名的医学 生物学 生命科学领域的瑞士 出版社正式出版 这标志着再生医学已作为一个独立于中医 西医的新兴医学学科诞生了 再生医学的概念 再生医学是通过研究机体的正常组织特征与功能 创伤修复与再生机制及干细胞分化机理 寻找有效的生物治疗方法 促进机体自我修复与再生 或构建新的组织与器官 以改善或恢复损伤组织和器官的功能的科学 再生医学的基础是干细胞研究 再生医学的内容 通过克隆获得胚胎中的全能干细胞 利用干细胞修复身体各种器官的损伤及为衰老的细胞组织补充新生细胞和组织 通过控制这些干细胞的分化而得到人们想要的组织和器官 实现人的肢体再生利用干细胞来治疗白血病 帕金森氏症 糖尿病 心脑血管病等疑难病症 再生医学与异体器官移植 天然组织和器官移植可以说是根治性的治疗疾病的方法 但是器官移植存在着术后排斥反应 术后感染 终生服药 费用高昂以及作为一般医疗机构普遍存在的供体来源困难等问题 再生医学的基本原理是利用机体本来存在的自然愈合能力实现人体的原位细胞复制 再生为原位的器官组织 恢复器官的功能 所以不存在上述问题 干细胞 stemcells SC 一类具有自我复制能力 self renewing 的多潜能细胞 在一定条件下 它可以分化成多种功能细胞 具有再生各种组织器官和人体的潜在功能 尚未分化发育的 能生成各种器官组织的全能细胞 根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞 embryonicstemcell ES细胞 和成体干细胞 somaticstemcell 根据干细胞的发育潜能分为三类 全能干细胞 totipotentstemcell TSC 多能干细胞 pluripotentstemcell 和单能干细胞 unipotentstemcell 干细胞 干细胞研究的地位 最近一二十年里 干细胞是国际生命科学领域最前沿 最受关注的 明星细胞 1999年 Science 杂志将人类胚胎干细胞研究成果评为当年世界十大科技进展之首2000年 Times 周刊将其列为20世纪末世界十大科技成就之首2000年 日本把以干细胞工程为核心技术的再生医疗列为千年世纪工程之一 当年投资108亿日元 干细胞移植治疗疾病原理 疾病发生的基础是细胞或组织变性死亡 功能减弱或丧失 干细胞具有能够分裂增殖和向多种细胞分化的生物学特性及能力 所以 通过干细胞移植来替代 修复患者损失的细胞 恢复细胞组织功能 达到治疗疾病的目标 干细胞治疗疾病的优点 1 一次性介入 永久性治疗 一劳永逸2 不需要完全了解疾病发病的确切机理3 还可能应用自身干细胞移植 避免产生免疫排斥反应 目前已经开展的干细胞治疗 1 神经系统疾病 脊髓 脑损伤 小儿脑瘫 共济失调 运动神经元病 脑血管意外2 运动系统疾病 股骨头坏死 骨折恢复期 骨不连3 血液 内分泌系统疾病 下肢血管性疾病 糖尿病及其并发症 下肢血管病4 呼吸系统疾病 肺动脉高压5 消化系统疾病 肝硬化 未来干细胞之临床应用 以帕金森氏病 Parkinson sDisease 阿尔罕默氏病 痴呆病 Alzheimer sDisease 等为代表的神经退行性疾病各种血液干细胞疾病如白血病糖尿病 Diabetes 脊髓伤害 SpinalCordinjury 中风 Stroke 心脏病 HeartDisease 肝病 LiverDisease 皮肤移殖 SkinTransplantation 肌肉营养不良症 MuscularDystrophy 干细胞与再生医学 再生医学的基本原理是利用机体本来存在的自然愈合能力修复和重建器官功能的不足 组织和器官再生大致可分为体内再生和体外再生两大类 体内再生是指损伤的诱导和促进组织在体内进行自我修复 体外再生是指在体外形成组织和器官 然后植人体内相应的部位 干细胞治疗有风险 再生医学的核心是干细胞细胞的诱导分化与调控然而利用干细胞治疗疾病也存在一定风险因为 干细胞与癌细胞只有一步之遥 干细胞癌细胞 干细胞自我更新 几乎无限增殖具迁移至某些特定组织和排除有毒化学因子的能力增殖严格受控 正常分化 癌细胞无限增殖具转移和抗化学毒物损伤的能力增殖失控 失去正常分化能力 造血干细胞移植 骨髓中含有骨髓基质干细胞 BoneMarrowStromalCells BMSCs 具备了神经细胞种子的基本特点 BMSCs可以在适当条件下向神经干细胞 神经元和神经胶质细胞方向分化 骨髓基质细胞源神经干细胞临床应用的优势 由于骨髓干细胞容易获取并可运用于自体移植 而且可以在体外大量扩增并可在一定条件下诱导成神经细胞 因此为神经干细胞的应用提供了无限制来源 既克服了从脑组织获取神经干细胞的危险性和局限性 也避免了胎儿组织移植中存在的伦理和免疫排斥问题 因此 骨髓基质干细胞是理想的细胞替代治疗或基因治疗的种子细胞之一 骨髓基质细胞源神经干细胞移植是一种极具潜力治疗神经系统疾病的策略之一 干细胞与再生医学的研究进展 近年来再生医学领域的研究主要集中于组织干细胞和组织工程学的研究 特别是骨髓来源干细胞的分化潜能为许多疾病提供了细胞移植与再生修复的新的治疗手段 2008年10月 在由中国科技部中国生物技术发展中心和欧盟生物技术中心共同主办 中山一院承办的 中国欧盟2008再生医学论坛 上 中山大学两项干细胞移植课题已列入863重大项目 如获得突破 将来可修复广大受损的人体器官 组织 当今世界在干细胞的研究上仍停留在干细胞的培养阶段 尚未突破体外培养 造血细胞除外 更没有实现体外或原位复制组织器官在基因技术探讨领域 尚未获得人体应用的突破 在细胞研究领域 也仍未获得临床突破 奇迹老鼠 2005年美国威斯塔研究所的专家宣布他们培育的实验鼠能够重新长出包括心脏在内的 几乎所有肢体器官 再生研究进展 他们的研究结果显示 奇迹老鼠 的再生能力由大约12种基因控制 而几乎可以肯定的是 人类身上也有类似的基因 再生研究进展 这一发现让人看到了实现四肢再生的希望 希伯卡兹说 在不久的未来 人类很可能将拥有重新长出受损或被切除器官的能力 据悉 目前很多科学家坚持认为 人体确实存在断肢再生能力 一旦他们找到正确的 再生基因 密码 在未来5年之内人类将与蝾螈一样 在断臂残腿后重新拥有健全的四肢 而且再生时间最长不超过几个月 2006年 日本科学家Yamanaka在Cell上发表文章声称 利用病毒载体将四个转录因子Oct4 Sox2 c myc klf4导入到小鼠的某种体细胞中 再加以筛选培养之后 可以得到一种他们称之为iPS的细胞 inducedpluripotentcell 这种细胞具有胚胎干细胞的几乎所有特性 能够较好的自我更新 也能够分化成几乎所有的体细胞 紧接着 这个方法被证明在人的体细胞中同样适用 Yamanaka的这一重要发现给干细胞研究领域带来了新的希望 再生研究进展 最近一期的Science网络版报道了哈佛大学的KevinEggan实验室成功的将一位82岁高龄的肌萎缩性 脊髓 侧索硬化 amyotrophiclateralsclerosis ALS 也是一种神经退行性疾病 就是病人体内的一些运动神经元细胞异常的死亡导致其行动能力受损 的女患者的体细胞利用Yamanaka的方法重新回复到了干细胞的状态 然后再将这些人工得到的干细胞进行定向分化 使之成为了具有功能的运动神经元 再生研究进展 这张照片显示的是由肌萎缩侧索硬化症患者的皮肤细胞改造成的多能干细胞分化出的运动神经元 再生研究进展 这是人类首次完成从病人体内取出体细胞 去分化成干细胞 重新诱导分化成另一种具有功能的体细胞 再生研究进展 当然 Yamanaka的这个方法目前还有一些问题岌待解决 首先用病毒载体来导入转录因子被认为是具有潜在的危险性的 其次 在他最初提出的四个因子中有两个因子是原癌基因 在他后来的文章中也提到 如果移植这样得到的iPS细胞到体内 那么受体得癌症的可能性会大大提高 随着干细胞研究的深入 iPS技术以及各项定向诱导分化技术的发展 在不远的将来 用自己的好细胞来替换掉自己的坏细胞将不再仅仅只是科学家们的梦想 再生研究进展 断指再生 北京时间2008年5月20日消息 据英国 每日邮报 报道 最近一段时间 有关一位美国老人李 斯皮瓦克 LesSpievack 用猪膀胱制成的药粉令断指再生 在猪膀胱粉的帮助下 每天喷两次 前后共4个月 他重新长出右手中指指尖 几年前 斯皮瓦克右手中指被切断一截 他在使用了在一种称为 魔法粉 pixiedust 用猪膀胱制成的药粉 的神秘物质之后 中指竟然恢复到原来的长度 感觉也很灵敏 断指再生 来自这些猪膀胱的细胞会被在风干之前提取出来 然后制成粉末 撒在斯皮瓦克手指上的白色物质 用来使手指生长 据说 这种药粉可以阻止疤痕组织形成 这样一来 受损器官即可逐渐再生 布什对研究寄予厚望 本月 白宫同意拨款5亿多美元用于研究 魔法粉 能否帮助成千上万在伊拉克战争中受伤的士兵长出新的肢体 手指和脚趾随着高科技实验室及专门用于研制和生产 魔法粉 的设施陆续投入使用 美国总统布什希望相关研究能取得突破 以消除伊拉克战争对美国政治造成的后遗症 断指再生给了我们新的希望 也许 不久以后我们就可以成功诱导并控制干细胞的生长分化 使其再生出人类的各种器官和组织也许 在不远的将来 残疾和残疾人将成为历史也许 心脏病 肝癌 糖尿病 帕金森氏病等各种疑难杂病都将成为过去也许 我们期待着 人工器官的时代已经过去 未来属于再生医学 今后人体器官可以在实验室按需要生产 血细胞 脑细胞 骨骼 心肌细胞 肝脏的更换都不成问题 人们可任意订做自己的人体零部件来更换衰老或病变的组织或器官以达到防治疾病 延缓衰老的目的 如果我们及时地的将某些坏死的细胞 及时的在原位再生补充 人类生命就不会提前衰老和提前死亡 人类生命的各个阶段就会健康延长在不久的将来 再生医学就一定能创造出更多的伟大奇迹 肢体再生和器官移植已不再遥远 小结 动物 火蜥蜴 的再生机理及研究人的再生 细胞 组织 器官水平及肢体再生 探究肢体再生的最新研究干细胞与再生医学及其研究进展再生研究展望 干细胞与再生医学是21世纪生命科学的前沿和热点 现在我们只看到了冰山一角 它是一座未开发的宝藏 有许多未知的领域正等待着我们去开发 去探索 Thankyou