第十章高新技术在生物医学 研究中的应用
第十章 高新技术在生物医学 研究中的应用
20世纪末5年间，在人类健康研究中有51 项突破性成果，其中22项是通过实验动物 模型遗传研究获得的 自1980年第一个转基因小鼠诞生以来，转 基因技术在实验动物科学领域得到广泛应 用，被称为实验动物科学的一场革命。 现代生物技术工程手段包括：胚胎工程技 术、转基因技术、细胞核和细胞器转移技 术、基因导入技术、克隆技术等
▪ 20世纪末5年间，在人类健康研究中有51 项突破性成果，其中22项是通过实验动物 模型遗传研究获得的。 ▪ 自1980年第一个转基因小鼠诞生以来，转 基因技术在实验动物科学领域得到广泛应 用，被称为实验动物科学的一场革命。 ▪ 现代生物技术工程手段包括：胚胎工程技 术、转基因技术、细胞核和细胞器转移技 术、基因导入技术、克隆技术等
第一节胚胎工程技术 胚胎工程研究对LA的遗传育种、种质保 存、良种扩群及培育具备相同遗传特性的 动物群（超纯系）具有实际应用价值和理 论意义 基本内容包括人工授精、同期发情、超数 排卵、胚胎培养、胚胎保存、胚胎移植、 胚胎分割、体外受精、显微受精、性别控 制、基因转移、 胚胎嵌合、胚胎干细胞、 细胞核移植、卵母细胞激活与孤雌发育等
第一节 胚胎工程技术 ▪ 胚胎工程研究对LA的遗传育种、种质保 存、良种扩群及培育具备相同遗传特性的 动物群（超纯系）具有实际应用价值和理 论意义。 ▪ 基本内容包括人工授精、同期发情、超数 排卵、胚胎培养、胚胎保存、胚胎移植、 胚胎分割、体外受精、显微受精、性别控 制、基因转移、胚胎嵌合、胚胎干细胞、 细胞核移植、卵母细胞激活与孤雌发育等
一、胚胎干细胞和成体干细胞 1、千细胞具有自我更新能力(self-renewing),能够产 生高度分化的功能细胞。按生存阶段分为胚胎干细胞和成 体干细胞。 2、胚胎干细胞(embryonic stem cells,ES细胞)是一种 存在于胚胎早期的全能细胞，能分化为体内各种类型的组 织细胞，可长期增殖培养并保持高度未分化状态。 1)最大特点是体外ES细胞既像培养的一般细胞可扩增、 遗传选择操作和冻存等，而不失潜能性。在一定条件下， ES细胞可被诱导分化为各种细胞、组织，也可与受体胚 胎嵌合，生产出包括生殖系统在内的各种组织的嵌合体后 代。因此，ES细胞既是研究哺乳动物早期胚胎发生、细 胞组织分化、基因表达调控等发育基础研究的理想模型系 统和有用工具，也是进行动物胚胎工程、转基因动物、家 畜育种、临床医学研究和应用的重要途径
一、胚胎干细胞和成体干细胞 ▪ 1、干细胞具有自我更新能力（self-renewing），能够产 生高度分化的功能细胞。按生存阶段分为胚胎干细胞和成 体干细胞。 ▪ 2、胚胎干细胞（embryonic stem cells,ES细胞）是一种 存在于胚胎早期的全能细胞，能分化为体内各种类型的组 织细胞，可长期增殖培养并保持高度未分化状态。 ▪ 1）最大特点是体外ES细胞既像培养的一般细胞可扩增、 遗传选择操作和冻存等，而不失潜能性。在一定条件下， ES细胞可被诱导分化为各种细胞、组织，也可与受体胚 胎嵌合，生产出包括生殖系统在内的各种组织的嵌合体后 代。因此，ES细胞既是研究哺乳动物早期胚胎发生、细 胞组织分化、基因表达调控等发育基础研究的理想模型系 统和有用工具，也是进行动物胚胎工程、转基因动物、家 畜育种、临床医学研究和应用的重要途径
2)建立ES细胞系的原始ES细胞主要来源： 发育为桑椹胚的胚胎细胞、胚泡内层细胞团和 早期胚胎的原生殖细胞。桑椹胚细胞和胚泡内 层细胞可通过体外受精和培养的方法获得，原 生殖细胞主要从早期流产胎儿的性腺脊分离而 得。 3)建立ES细胞的方法：通过机械分散和酶消 化法得到单ES细胞悬液，先在改良Eargle.s培 养液中培养2~3天，再转到经放射线照射或丝 裂霉素处理的成纤维细胞饲养层上进行传代培 养。为维持ES细胞在未分化状态增殖，需在 培养液中加入细胞分化抑制因子
▪ 2）建立ES细胞系的原始ES细胞主要来源： 发育为桑椹胚的胚胎细胞、胚泡内层细胞团和 早期胚胎的原生殖细胞。桑椹胚细胞和胚泡内 层细胞可通过体外受精和培养的方法获得，原 生殖细胞主要从早期流产胎儿的性腺脊分离而 得。 ▪ 3）建立ES细胞的方法：通过机械分散和酶消 化法得到单ES细胞悬液，先在改良Eargle,s培 养液中培养2~3天，再转到经放射线照射或丝 裂霉素处理的成纤维细胞饲养层上进行传代培 养。为维持ES细胞在未分化状态增殖，需在 培养液中加入细胞分化抑制因子
4)从体外培养体系中除去饲养层和分化抑制因子，ES 细胞可模拟体内正常胚胎的发育过程，分化为含有多 种组织细胞的胚胎体。若加入某些细胞诱导分化因子 和化学诱导剂，可使ES细胞向特定细胞方向分化。 小鼠的ES细胞可在体外定向诱导分化为神经细胞、造 血细胞、心肌和肌肉细胞、内皮细胞和血管、软骨细 胞等 人的ES细胞系的建立是人类生物学研究的重大技术突 破，研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问 题之一。 5)优势在于ES细胞能降低免疫反应。ES细胞表面抗 原少，不会诱发严重的免疫反应，机体不会对外来 “入侵者”产生排斥
▪ 4)从体外培养体系中除去饲养层和分化抑制因子，ES 细胞可模拟体内正常胚胎的发育过程，分化为含有多 种组织细胞的胚胎体。若加入某些细胞诱导分化因子 和化学诱导剂，可使ES细胞向特定细胞方向分化。 ▪ 小鼠的ES细胞可在体外定向诱导分化为神经细胞、造 血细胞、心肌和肌肉细胞、内皮细胞和血管、软骨细 胞等。 ▪ 人的ES细胞系的建立是人类生物学研究的重大技术突 破，研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问 题之一。 ▪ 5）优势在于ES细胞能降低免疫反应。ES细胞表面抗 原少，不会诱发严重的免疫反应，机体不会对外来 “入侵者”产生排斥
6)ES细胞应用新进展： 美国BD医学中心于2001年发现胚胎干细胞能修复心肌细 胞，为充血性心力衰竭(congestive heart failure,CHF) 患者的治疗带来新希望 。 日本京都大学科学家采用电刺激方法把老鼠的胚胎干细胞 和淋巴细胞融合成为一个细胞，发现它能分化为软骨、肌 肉和神经等特定组织的体细胞，并具有增殖能力。这一技 术有可能促进再生医疗技术的发展。 日本信州大学田川阳一等人使用老鼠的胚胎干细胞培育肝 细胞获得成功，为肝病患者带来希望。 西北农林科技大学专家于1996年从小鼠胚胎干细胞分化 得到心脏跳动样细胞团，1997年由流产胎儿分离克隆出 人类胚胎干细胞，现传至9代，2001年9月由窦忠英教授 等人第六次从人类胚胎干细胞中分化诱导得到心脏跳动样 细胞团
▪ 6）ES细胞应用新进展： ▪ 美国BID医学中心于2001年发现胚胎干细胞能修复心肌细 胞，为充血性心力衰竭（congestive heart failure,CHF） 患者的治疗带来新希望。 ▪ 日本京都大学科学家采用电刺激方法把老鼠的胚胎干细胞 和淋巴细胞融合成为一个细胞，发现它能分化为软骨、肌 肉和神经等特定组织的体细胞，并具有增殖能力。这一技 术有可能促进再生医疗技术的发展。 ▪ 日本信州大学田川阳一等人使用老鼠的胚胎干细胞培育肝 细胞获得成功，为肝病患者带来希望。 ▪ 西北农林科技大学专家于1996年从小鼠胚胎干细胞分化 得到心脏跳动样细胞团，1997年由流产胎儿分离克隆出 人类胚胎干细胞，现传至9代，2001年9月由窦忠英教授 等人第六次从人类胚胎干细胞中分化诱导得到心脏跳动样 细胞团
3、成体干细胞：被移植入受体中表现出很强的可塑性 通常供体干细胞在受体中分化为与其组织来源一致的细 胞，但也有例外。 1999年Goodell等人分离出小鼠的肌肉干细胞，体外培 养5天后，与少量骨髓间质细胞一起移植入接受致死量 辐射的小鼠中，结果发现肌肉干细胞会分化为各种血细 胞系，这种现象被称为干细胞的横向分化。调控机制目 前不清楚 大多数观点认为干细胞的分化与微环境密切相关。 成体干细胞打破了用于临床治疗的干细胞只能来源于胚 胎或受精卵的限制，为干细胞治疗疾病提供了新途径
▪ 3、成体干细胞：被移植入受体中表现出很强的可塑性。 通常供体干细胞在受体中分化为与其组织来源一致的细 胞，但也有例外。 ▪ 1999年Goodell等人分离出小鼠的肌肉干细胞，体外培 养5天后，与少量骨髓间质细胞一起移植入接受致死量 辐射的小鼠中，结果发现肌肉干细胞会分化为各种血细 胞系，这种现象被称为干细胞的横向分化。调控机制目 前不清楚。 ▪ 大多数观点认为干细胞的分化与微环境密切相关。 ▪ 成体干细胞打破了用于临床治疗的干细胞只能来源于胚 胎或受精卵的限制，为干细胞治疗疾病提供了新途径
二、 超数排卵(super ovulation):经外源激素 处理的雌性动物可改变性周期，可超常数的排 卵，甚至可以超常数十几倍。如1只家兔88枚 胚胎，1只KM小鼠83枚胚胎。 实际意义：在生产和科研中可获得大量卵或胚 胎，可提高动物繁殖数量，提高产量，增加经 济效益，满足胚胎工程研究、遗传工程研究和 建立胚胎库的需要 用于超数排卵、同期发情的激素：促卵泡激素 FSH和促黄体激素LH、孕马血清促性腺激素 PMSG和人绒毛膜促性腺激素HCG
▪ 二、超数排卵(super ovulation)：经外源激素 处理的雌性动物可改变性周期，可超常数的排 卵，甚至可以超常数十几倍。如1只家兔88枚 胚胎，1只KM小鼠83枚胚胎。 ▪ 实际意义：在生产和科研中可获得大量卵或胚 胎，可提高动物繁殖数量，提高产量，增加经 济效益，满足胚胎工程研究、遗传工程研究和 建立胚胎库的需要。 ▪ 用于超数排卵、同期发情的激素：促卵泡激素 FSH和促黄体激素LH、孕马血清促性腺激素 PMSG和人绒毛膜促性腺激素HCG
三、胚胎培养(embryo culture):在体外仿造类似 于体内条件的环境，使胚胎在体外得到与在体内 样的正常发育。 适宜的培养体系是动物胚胎生物技术、体外受精、 胚胎分割、胚胎克隆、胚胎嵌合、外源DNA注射 的基础条件和有效工具。 共培养体系是指把胚胎放在输卵管上皮细胞或其它 类型的辅助细胞（哺乳动物的子宫内膜细胞、颗粒 细胞、卵丘细胞，非洲绿猴肾细胞及肝细胞等)上 共同培养，以促进胚胎发育 。 输卵管上皮细胞共培养系统可明显促进早期胚胎体 外发育，并提高胚胎发育质量
▪ 三、胚胎培养(embryo culture)：在体外仿造类似 于体内条件的环境，使胚胎在体外得到与在体内一 样的正常发育。 ▪ 适宜的培养体系是动物胚胎生物技术、体外受精、 胚胎分割、胚胎克隆、胚胎嵌合、外源DNA注射 的基础条件和有效工具。 ▪ 共培养体系是指把胚胎放在输卵管上皮细胞或其它 类型的辅助细胞（哺乳动物的子宫内膜细胞、颗粒 细胞、卵丘细胞，非洲绿猴肾细胞及肝细胞等）上 共同培养，以促进胚胎发育。 ▪ 输卵管上皮细胞共培养系统可明显促进早期胚胎体 外发育，并提高胚胎发育质量