胚胎干细胞定向分化（用胚胎干细胞定向诱导分化）

本文还将提供胚胎干细胞定向分化解决此类问题的实际技术背景。

胚胎干细胞的定向诱导分化机制

自1981年英国的evans等从小鼠囊胚的内细胞团（inner cell mass，icm）分离建立胚胎干细胞（embryonic stem cells，es细胞）以来，es细胞的研究就一直是各国研究的热点。近两年，es细胞分化诱导以及调控方面的研究取得了很多重要的进展，已从es细胞诱导出神经细胞、心肌细胞、血管和内皮细胞等。利用es细胞的定向分化可望在基因研究、细胞治疗和组织器官替代治疗等的研究中发挥重要作用。

1 es细胞定向分化的调节机制

自1988年发现了白血病抑制因子能抑制es细胞分化后，人们就开始研究其定向分化，通过将外源基因转入es细胞研究其表达及微环境对细胞分化的影响，认为es细胞的分化受内源性因素和外源性因素的共同调节。分化机制如下。

1.1 内源性影响因素 内源性因素即不同基因在不同时间和空间的开启和关闭及各种转录因子等。从分子水平来看，es细胞分化的本质问题是基因表达调控。

1.1.1 基因的差异表达 在个体发育中，基因按照一定程序，有选择地相继活化的现象称为基因的差异表达。在胚胎发育过程中所以能相继分化出各种新类型细胞，就是由于相关基因相继活化而合成特异蛋白质的结果。cross等〔1〕研究证明细胞定型时是通过强化某些基因的表达并抑制另一些基因的表达来形成某个单一谱系所特有的基因表达型。如缺乏干细胞白血病转录因子的es细胞不能分化为血细胞和内皮细胞共同的前体细胞。

1.1.2 基因的不同表达水平 有些基因如oct-4基因和nanog基因等在体内通过不同的表达水平来调控es细胞的分化。

1.1.2.1 通过oct-4基因的不同表达水平调控es细胞分化 oct-4基因是es细胞的一个特异标志分子。oct-4是一种调节性基因，它的职责是控制其他基因的表达。无论是在体内还是体外，oct-4基因只在全能或多能性细胞如es细胞和eg细胞中表达。oct-4基因的敲除使小鼠胚胎不能形成icm，而完全由滋养外胚层组成，并在植入时死亡。rna干扰实验显示oct-4表达下调引起es细胞分化，形成滋养层或内胚层，说明oct-4基因在维持胚胎细胞的发育全能性和es细胞不分化状态的调节中起着重要的作用。niwa等〔2〕研究发现，oct-4不同的表达水平指导es细胞的3种不同命运，即oct-4表达上调2倍使es细胞分化为原始内胚层细胞，oct-4表达下调使es细胞分化为滋养层细胞，oct-4表达水平不变才能使es细胞维持不分化状态。因此，oct-4被视为多能细胞发动、维持及分化的主要候选调控因子。

1.1.2.2 nanog基因维持es细胞的不分化状态 近年来在确定维持es细胞不分化状态相关基因方面最大进展也许是nanog基因的发现〔3〕。nanog基因仅在es细胞中特异表达，在分化的es细胞和体细胞中不表达；nanog基因缺陷的es细胞失去多能性，开始分化；导入了nanog基因的es细胞株在lif拮抗剂存在时仍能保持30%的不分化es细胞。nanog在桑葚胚等全能胚胎中不表达，仅在囊胚期的icm中表达，之后限制在晚期囊胚的外胚层表达，胚胎植入后nanog的表达迅速降低。体内实验还表明nanog基因缺陷的胚胎仅包括一些不能辨认的胚外组织，而没有外胚层或胚外外胚层。这些结果提示nanog是oct-4基因启动后维持内细胞团全能性所必需的。nanog的作用机制目前尚不清楚。nanog基因只在es细胞中发挥作用，在其他干细胞中则处于休眠状态，如果能够找出某种方法激活该基因，成体干细胞也许就能再次成为es细胞。

1.1.3 奢侈基因 某些基因对细胞自身生存并无直接影响，不是必需的，但却决定着细胞向特殊类型分化的物质基础。如编码肌细胞肌球蛋白的基因，编码结缔组织的胶原蛋白的基因等。michael等〔4〕利用心肌细胞-肌球蛋白重链的启动子转染es细胞，结果获得了99%的心肌细胞。

1.1.4 拯救因子和免疫“豁免”特权 研究人员发现es细胞能够分泌出特殊的“拯救因子”来逆转小鼠的致死性的先天缺陷。尽管很少有干细胞真正长成健康的心脏组织，但研究人员发现干细胞能够分泌出特殊的分子，这些分子能发出信号给临近的心脏细胞从而修复先天缺陷器官的功能。另一个研究成果表明人类es细胞具有独特的免疫“豁免”特权。实验证实在小鼠活体内移植的未分化人类es细胞不会引起移植排斥的特定免疫反应，这项研究对人类es细胞移植治疗具有重要意义。

1.1.5 细胞质在细胞分化中的作用 细胞质对es细胞的分化方向起决定性作用。调节基因差异表达的物质存在于细胞质中。每个子细胞所继承细胞质的差异决定了各子细胞沿特定的方向分化。

1.2 外源性因素 外源性因素指细胞间的分化诱导、分化抑制作用及细胞外物质的介导作用等。细胞内基因表达的调控作用是es细胞发生分化的决定因素。但细胞所在的环境条件对es细胞的分化也有重要影响。

1.2.1 细胞间的分化诱导 细胞间的分化诱导是指一部分细胞对邻近细胞产生影响，并决定邻近细胞分化方向及形态发生的过程。诱导分化的机制还不清楚，可能与信号传导有关。如：hes细胞与鼠骨髓基质细胞系s17细胞或卵黄囊内皮细胞系c166细胞共培养，在添加胎牛血清的条件下，hes细胞可分化为cd34+的造血祖细胞。

1.2.2 细胞间的分化抑制 细胞间的分化抑制是指在胚胎发育中，已分化的组织细胞产生抑素，抑制邻近细胞进行同样分化以避免相同的器官重复发生或过度发育。如：把发育中的蛙胚置于含成体蛙脑碎片的培养液中一起培养，胚胎则不能发育成正常脑。

1.2.3 细胞外物质的介导作用 细胞外物质的介导作用分近距离与远距离两种，起近距离介导作用的主要是细胞外基质与黏附分子，起远距离介导作用的主要是激素与细胞因子等。目前研究最多的是生长因子，生长因子可诱导hes细胞在体外分化，但没有一种生长因子能诱导hes细胞定向分化为一种特定细胞。生长因子仅仅是增加某一种类型细胞的相对数量。schuldiner等〔5〕研究了8种生长因子对hes细胞的诱导分化作用，发现：苯丙酸诺龙和转化生长因子β1主要诱导中胚层细胞形成；维甲酸、血管内皮生长因子、骨形态生成蛋白4和碱性成纤维生长因子主要诱导外胚层和中胚层细胞的形成；神经生长因子主要诱导三胚层所有细胞的形成。

2 es细胞诱导分化的一般方法

es细胞的诱导分化是目前研究的热点，人们通过不同的途径来实现这个目的。目前主要包括：外源性生长因子诱导es细胞分化、转基因诱导es细胞分化、通过将es细胞与其他细胞共培养的方式诱导es细胞分化等。

2.1 外源细胞生长因子诱导es细胞分化 在体外诱导es细胞分化方面，对细胞因子诱导法研究的最为广泛和深入，获得的研究成果到目前为止也最多。体外培养下，es细胞对细胞因子具有依赖性。培养过程中添加或撤除某一种或某些细胞因子可指导es细胞的增殖或分化。目前在发育学方面研究比较深入的诱导因子主要有：维甲酸（retinoic acid，ra）、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins，bmps）、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factors，fgfs）等。利用细胞因子诱导es细胞朝一定方向分化时，一般采用分阶段的办法，即先得到类胚体（embryoid bodies，ebs），再在ebs的基础上进一步诱导使其分化为目的细胞。在各阶段添加的细胞因子不同，具体表现为细胞因子种类、浓度或组合的不

胚胎干细胞有哪些特点？

胚胎干细胞又称全能干细胞，是从哺乳动物。包括人的早期胚胎分离培养出来的。它的一大特点是具有发育的全能性，可以参加整个生物体的发育，构成人体的各种组织器官。受精卵便是一个最初始的全能干细胞。

胚胎干细胞在进一步的分化中，可形成各种组织干细胞，又称多能干细胞。它具有分化出多种细胞组织的潜能，但不能发育成完整的个体，如血液组织干细胞、神经组织干细胞和皮肤组织干细胞等，多能干细胞进一步分化，可形成专能干细胞；专能干细胞只能分化成某一类型的细胞，如神经组织干细胞可以分化成各类神经细胞，血液组织干细胞可以分化成红细胞、白细胞等各类血细胞。

干细胞主要来源于胚胎，而且可以分化出很多种类，根据它们的种类可以加以利用，为人类服务。

由于干细胞是未成熟细胞，尚未开始分化，但具有再生各种组织器官的潜能，因此，人们寄希望于利用干细胞在体外繁育出代替病变的组织或器官。

在现有技术下，研究人员已经能在体外鉴定、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞和各种组织干细胞。可以说，如果采用培养人体自身干细胞的方法，就可以治疗人的各种疾病，比如在器官移植上，提取病人自己的细胞，尤其是能从胚胎中找到干细胞在人体外进行培养，就可以生成各种器官，以供患者移植使用，而且这样的器官可以不会受到排斥，就像蝾螈的断肢再生一样。

干细胞有哪几种？主要区别是什么

干细胞有胚胎干细胞（Embryonic Stem Cell）和成体干细胞（Adult Stem Cell）。

1、胚胎干细胞包括ES细胞（Embryonic Stem Cell）、EG 细胞（Embryonic Germ Cell）

2、成体干细胞包括神经干细胞（Neural Stem

Ce11，NSC）、血液干细胞（Hematopoietic Stem Cell，HSC）、骨髓间充质干细胞（Mesen chymal Stem

Cell，MSC）、表皮干细胞（EPidexmis Stem Cell）等。

胚胎干细胞：ES细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。在未来几年，ES细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域引发革命性进步。

成体干细胞：成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，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。

扩展资料

按分化潜能，干细胞可分为，全能干细胞，亚全能干细胞，多能干细胞，单能干细胞。

1、全能干细胞：具有形成完整个体的分化潜能，如受精卵。

2、亚全能干细胞：为人类体内存在为数不多的三胚层分化潜能干细胞。

3、多能干细胞：具有分化出多种细胞组织的潜能。如胚胎干细胞（ES）。

4、单能干细胞：只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化。如神经干细胞、造血干细胞。

成体干细胞可以由下列几个方面得到：

⑴胚胎细胞——由胚胎干细胞定向分化，或移植分化而成。

⑵胚胎组织——由分离胚胎组织、细胞分离、或培养而成。

⑶成体组织——由脐血、新生儿胎盘、骨髓、外周血、骨髓间质、脂肪细胞等得到。

干细胞的用途非常广泛，涉及到医学的多个领域。科学家已经能够在体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞，并以这样的干细胞为“种子”，培育出一些人的组织器官。

干细胞及其衍生组织器官的广泛临床应用，将产生一种全新的医疗技术，也就是再造人体正常的甚至年轻的组织器官，从而使人能够用上自己的或他人的干细胞或由干细胞所衍生出的新的组织器官，来替换自身病变的或衰老的组织器官。

参考资料来源：百度百科-干细胞

胚胎干细胞和成体干细胞各自的优势和不足？

胚胎干细胞是全能干细胞，它可以分裂分化成所有种类和功能的细胞。

成体干细胞是多能干细胞或单能干细胞，即它分化的方向是有限的，如骨髓干细胞只能分化成血细胞而不能分化成为肌肉细胞等等。

胚胎干细胞优势：分化方向多，全能性好，可用于研究发育、分化等。不足：不容易得到某一种细胞（如只想得到血细胞是很困难的）

成体干细胞优势：可以特异性的得到某一种细胞而不需要特别的条件。不足：不是全能性的细胞，很难控制其发育成其他种类的细胞。

胚胎干细胞形态特点

胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESCs，简称ES、EK或ESC细胞。）胚胎干细胞是早期胚胎（原肠胚期之前）或原始性腺中分离出来的一类细胞，它具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。无论在体外还是体内环境，ES细胞都能被诱导分化为机体几乎所有的细胞类型。胚胎干细胞研究在美国一直是一个颇具争议的领域，支持者认为这项研究有助于根治很多疑难杂症，因为胚胎干细胞可以分化成多种功能的APSC多能细胞，被认为是一种挽救生命的慈善行为，是科学进步的表现。而反对者则认为，进行胚胎干细胞研究就必须破坏胚胎，而胚胎是人尚未成形时在子宫的生命形式。由胚胎来源的原始（未分化）细胞，它们具有分化成为众多特异细胞类型的潜能。

生物学特性

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。细胞克隆和周围存在明显界限，形成的克隆细胞彼此界限不清，细胞表面有折光较强的脂状小滴。细胞克隆形态多样，多数呈岛状或巢状。小鼠ES细胞的直径7 μm～18 μm，猪、牛、羊ES细胞的颜色较深，直径12 μm～18 μm。

分化

ES细胞的全能性指ES细胞在解除分化抑制的条件下能参与包括生殖腺在内的各种组织的发育潜力，即ES细胞具有发育成完整动物体的能力，可以为细胞的遗传操作和细胞分化研究提供丰富的试验材料。ES细胞发育全能性的标志是ES细胞表面表达时相专一性胚胎抗原（Stage specific embryonicant，SSEA），而且可以检查到Oct4基因的表达，这两种蛋白是发育全能性的标志。ES细胞中AKP及端粒酶活性较高，可用于ES细胞分化与否的鉴定。ES细胞的多能性是指ES细胞具有发育成多种组织的能力，参与部分组织的形成。将ES细胞培养在不含分化抑制物的培养基上，可以形成类胚体。将ES细胞在特定培养基进行培养，可以定向分化成特定组织，如ES细胞在含有白血病抑制因子（LIF）和维生素A酸（RA）的培养基上，可以分化形成全壁内胚层，将ES细胞与胚胎细胞共培养或将ES细胞注入囊胚腔中，ES细胞就会参与多种组织的发育。

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