胚胎幹細胞的應用 李珮慈12340690119 壹、技術原理 自從 Evans和 Kaufman於1981年首次建立了小鼠胚胎幹細胞,再加上 動物轉基因和核移植成功與發展的推動下·胚胎幹紐胞的硏究一直是硏究的 熱點。胚胎幹細胞( embryonic stem cell ESCs簡稱ES丶EK或ESC)乃 來源於早期胚胎內細胞團( Inner cell!Mas,ICM)或原始生殖細胞(PGC)是 種高度未分化細胞’其具有體外培養無限增殖丶多能性( Pluripotency)丶 自我更新特性·即胚胎幹細胞可以在一定的誘導條件下·發育分仳為包括生 殖細胞在內的內中外三個胚層所有組織細胞的能力·進而分仁成除胎盤以外 的仼何人體組織。它不僅僅可以為臨床提供器官移植丶修復器官或組織的原 材料,當某種細胞功能衰竭導致疾病時·亦能通過移植來自胚胎幹細胞的某 種細胞而得到治癒·這些特性使人類胚胎幹細胞對於了解疾病機制丶篩選藥 物的有效性及安全性’以及各種疾病和損傷的治療都有極大的貢獻。 ①细胞轉健 從捐腊者取得 可能的應用 未受精卵子 培用於治的新相藏细胞 從實對象取得 神相胞一治摩帕金 要複製的胞 卵子森氏症及阿兹海默症 移除梱胞 核·讓明子 去除基因碼 取出含有DNA 的胞核 把相胞核置 一治廉心 入捐赠卵子 臟疾病 胚形成 胰岛胞 胚胎 治糖尿病 5·6天大的胚胎 含有的100個内 外核细胞 啊 取出内核 幹细胞 具有製造任何份糖细 因瘦法 器官大部分相其他癌症 罐的能力 圖一胚胎幹細胞的應用原理
胚胎幹細胞的應用 李珮慈 12340690119 壹、 技術原理 自從 Evans 和 Kaufman 於 1981 年首次建立了小鼠胚胎幹細胞，再加上 動物轉基因和核移植成功與發展的推動下，胚胎幹細胞的研究一直是研究的 熱點。胚胎幹細胞（embryonic stem cell，ESCs，簡稱 ES、EK 或 ESC）乃 來源於早期胚胎內細胞團(Inner Cell Mass ,ICM) 或原始生殖細胞(PGC)，是 一種高度未分化細胞，其具有體外培養無限增殖、多能性（Pluripotency）、 自我更新特性，即胚胎幹細胞可以在一定的誘導條件下，發育分化為包括生 殖細胞在內的內中外三個胚層所有組織細胞的能力，進而分化成除胎盤以外 的任何人體組織。它不僅僅可以為臨床提供器官移植、修復器官或組織的原 材料，當某種細胞功能衰竭導致疾病時，亦能通過移植來自胚胎幹細胞的某 種細胞而得到治癒，這些特性使人類胚胎幹細胞對於了解疾病機制、篩選藥 物的有效性及安全性，以及各種疾病和損傷的治療都有極大的貢獻。 圖一 胚胎幹細胞的應用原理
貳、技術的應用 丶新藥篩檢與開發 人胚胎幹細胞系的建立可以硏究人體對藥物的反應’還可對學物質的 毒性和效能進行評估’將使新藥開發丶藥物篩選丶藥物硏究更為直接可靠 在硏究藥物的細胞毒性的部分·胚胎幹細胞體外測試(EST與體內測試相比 其無限傳代的特性可以保證源源不斷的細胞感應;而與細胞毒性測試相比 胚胎幹紐胞比成體組織對藥物毒性的敏感性要髙σ再者·囯前藥物開發過程 中所用的細胞大都來源於動物紐胞或癌細胞丶這些細胞不能完全反映人體對 藥物作用的效果·而胚胎幹細胞可以誘導分仁成仼何組織類型的細胞’在藥 物開發過程中可以提供大量用於實驗的細胞以解決此一問題 器官組織移植 新加坡國立大學醫院和中央醫院就通過臍帶血幹細胞移植手術’根治了 一名因家族遺傳而患上嚴重的地中海貧血症的男童·這是世界上第一例移植 非親屬的臍帶血幹細胞而使患者痊癒的手術胚胎幹細胞體外培養經誘導分 仁後形成的組織和器官’可以用於組織器官的移植·使體內損壞的組織器官 得以修復’再經過免疫排斥基因替除後’還能避免異體移植帶來的免疫排斥 問題,目前此一技術已被應用於治癒肝腎衰竭丶糖尿病丶心肌梗塞丶成骨不 良等疾病 裹1源于胚胎干细胞的细可能用于治疗的疾病 细胞类 疾 神经细胞 中风、帕金森氏症、阿尔美海默氏症、脊损伤、多系统硬化症 心肌细恩 心脏病、充血性心脏病 陕岛细胞 糖尿病 软骨细胞 骨关节炎 血细胞 免疫性缺陷、癌症、先天性血液病、白血病 肝细胞 肝炎、肝硬变 皮肤细胞 烧伤、创伤 骨细胞 骨质硫松() 祝细胞 视网膜退化症 骨修肌细胞 肌哲养不良
貳、 技術的應用 一、新藥篩檢與開發 人胚胎幹細胞系的建立可以研究人體對藥物的反應，還可對化學物質的 毒性和效能進行評估，將使新藥開發、藥物篩選、藥物研究更為直接可靠。 在研究藥物的細胞毒性的部分，胚胎幹細胞體外測試(EST)與體內測試相比， 其無限傳代的特性可以保證源源不斷的細胞感應；而與細胞毒性測試相比， 胚胎幹細胞比成體組織對藥物毒性的敏感性要高。再者，目前藥物開發過程 中所用的細胞大都來源於動物細胞或癌細胞，這些細胞不能完全反映人體對 藥物作用的效果，而胚胎幹細胞可以誘導分化成任何組織類型的細胞，在藥 物開發過程中可以提供大量用於實驗的細胞以解決此一問題。 二、器官組織移植 新加坡國立大學醫院和中央醫院就通過臍帶血幹細胞移植手術，根治了 一名因家族遺傳而患上嚴重的地中海貧血症的男童，這是世界上第一例移植 非親屬的臍帶血幹細胞而使患者痊癒的手術。胚胎幹細胞體外培養經誘導分 化後形成的組織和器官，可以用於組織器官的移植，使體內損壞的組織器官 得以修復，再經過免疫排斥基因替除後，還能避免異體移植帶來的免疫排斥 問題，目前此一技術已被應用於治癒肝腎衰竭、糖尿病、心肌梗塞、成骨不 良等疾病
生產克隆與轉基因動物 過去傳統的轉基因動物生產方法’倧目的基因注射到受精卵中以獲 得轉基因動物·然這種方法只能在個體水平上進行’且工作困難丶效率 低丶週期長。因此’隨著生物技術的提升’使胚胎幹細胞可以在細胞水 平上篩選出最佳的紐胞系’改以過定向改變胚胎幹細胞’再將轉基因的 胚胎幹細胞注人到受精卵中或將轉基因的胚胎幹細胞與胚胎共培養·使 胚胎幹細胞與正常胚胎形成嵌合體的方式以生產轉基因動物’此一方式 可打破物種的界線丶突破親緣的限制丶提升生殖效率。而克隆技術具有 獨特的優勢’克隆技術不需要雌雄交配·只需要從被克隆的動物身上取 一個普通的體細胞’通過高技術的核移植技術移植到代孕母親子宮內 就可以培養出完全相同複製品。 培养 内细胞团⊙回@“8细胞 体囊胚 供体囊胚 转基因 转染 ES细胞⊙ 富集转染 Q的 微注射 入囊胚 转基因鼠 圖二轉基因鼠的技術原理 參丶技術限制與問題 人類胚胎幹紐胞在再生醫學領域受到了非常多的關注’在2013年 月英國科學家利用3D打印技術打印岀胚胎幹細胞的消息引起一陣騷 動;同年12月美國哈佛大學幹細胞硏究所發育生物學家 Douglas Me!ton 及其同事近日在《細胞》雜誌上報告了一種新技術,可成功將人體胚胎
三、生產克隆與轉基因動物 過去傳統的轉基因動物生產方法，係目的基因注射到受精卵中以獲 得轉基因動物，然這種方法只能在個體水平上進行，且工作困難、效率 低、週期長。因此，隨著生物技術的提升，使胚胎幹細胞可以在細胞水 平上篩選出最佳的細胞系，改以過定向改變胚胎幹細胞，再將轉基因的 胚胎幹細胞注入到受精卵中或將轉基因的胚胎幹細胞與胚胎共培養，使 胚胎幹細胞與正常胚胎形成嵌合體的方式以生產轉基因動物，此一方式 可打破物種的界線、突破親緣的限制、提升生殖效率。而克隆技術具有 獨特的優勢，克隆技術不需要雌雄交配，只需要從被克隆的動物身上取 一個普通的體細胞，通過高技術的核移植技術移植到代孕母親子宮內， 就可以培養出完全相同複製品。 圖二 轉基因鼠的技術原理 參、 技術限制與問題 人類胚胎幹細胞在再生醫學領域受到了非常多的關注，在 2013 年 二月英國科學家利用 3D 打印技術打印出胚胎幹細胞的消息引起一陣騷 動；同年 12 月美國哈佛大學幹細胞研究所發育生物學家 Douglas Melton 及其同事近日在《細胞》雜誌上報告了一種新技術，可成功將人體胚胎
幹細胞或誘導多能幹紐胞(ⅰPSC)轉變為功能性胰腺β細胞’且小鼠實 驗結果已表明·這些細胞能夠治癒一型糖尿病;而今年的九月英國一間 眼科醫院與美國輝瑞( Pfizer)制藥公司也垬冋硏發岀一項創新療法ν為罹 患可能導致失明的老年性黃斑部病變患者移植從胚胎幹細胞萃取的細 胞·且首位接受治療的患者手術成功·從這些案例中不難發現胚胎幹細 胞對醫學領域有著舉足輕重的重要性。 然而·關於胚胎幹細胞的多項技術卻存在許多限制與問題 1.如何維持體外擴增時不分化? 雖然在防止體外培養時幹細胞分仳方面已取得了很大成績’但目前 尚未找到在體外培養能長期維持胚胎幹細胞未分化狀態的方法·因 此分離丶純化丶鑒定及體外培養擴増細胞困難重重 2.如何定向誘導幹細胞分化? 細胞分化是多種細胞因子相互作用引趄紐胞一系列復雜的生理生 仁反應的過程·且胚胎幹紐胞容易自主分仳丶對培養條件要求較高 且對多種細胞因子丶培養環境的影響敏感 3.如何克服移植排斥反應? 目前認為解決排斥問題最直接丶最有效的方法就是通過細胞核移植 技術·但核移植後的卵細胞能否激活沈默基因·啟動DNA的合成 會不會改變染色體的結構等等問題·還有待進一步硏究’且胚胎幹 細胞在多次傳代過程中的DNA複製中可能會累積突變·因而可能 導致生命力下降或易於發生癌變。 4.轉基因動物的存活率低 目前克隆的成功率較低’且克隆成功的動物多數表現岀嚴重的生理 或免疫機能缺陷等問題’最終導致死亡·因此’克隆技術仍須進 步的研究深入 5.人道與倫理問題
幹細胞或誘導多能幹細胞（iPSC）轉變為功能性胰腺β細胞，且小鼠實 驗結果已表明，這些細胞能夠治癒一型糖尿病；而今年的九月英國一間 眼科醫院與美國輝瑞(Pfizer)制藥公司也共同研發出一項創新療法，為罹 患可能導致失明的老年性黃斑部病變患者移植從胚胎幹細胞萃取的細 胞，且首位接受治療的患者手術成功，從這些案例中不難發現胚胎幹細 胞對醫學領域有著舉足輕重的重要性。 然而，關於胚胎幹細胞的多項技術卻存在許多限制與問題： 1. 如何維持體外擴增時不分化？ 雖然在防止體外培養時幹細胞分化方面已取得了很大成績，但目前 尚未找到在體外培養能長期維持胚胎幹細胞未分化狀態的方法，因 此分離、純化、鑒定及體外培養擴增細胞困難重重。 2. 如何定向誘導幹細胞分化？ 細胞分化是多種細胞因子相互作用引起細胞一系列復雜的生理生 化反應的過程，且胚胎幹細胞容易自主分化、對培養條件要求較高， 且對多種細胞因子、培養環境的影響敏感。 3. 如何克服移植排斥反應？ 目前認為解決排斥問題最直接、最有效的方法就是通過細胞核移植 技術，但核移植後的卵細胞能否激活沈默基因，啟動 DNA 的合成， 會不會改變染色體的結構等等問題，還有待進一步研究，且胚胎幹 細胞在多次傳代過程中的 DNA 複製中可能會累積突變，因而可能 導致生命力下降或易於發生癌變。 4. 轉基因動物的存活率低 目前克隆的成功率較低，且克隆成功的動物多數表現出嚴重的生理 或免疫機能缺陷等問題，最終導致死亡，因此，克隆技術仍須進一 步的研究深入。 5. 人道與倫理問題