ES细胞 - DGSO百科
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ES细胞也称胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES):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·具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。

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。

细胞分化

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。
从多种动物分离的ES细胞

小鼠ES细胞

小鼠ES细胞的分离方法基本成熟,且已广泛应用于生命科学研究的各个领域。1981年Evans首次分离得到小鼠ES细胞,他以手术切除受精后2.5 d小鼠卵巢并结合激素注射干扰子宫环境,从而使胚胎延迟着床,再回收胚胎,将其体外培养于STO细胞饲养层上,结果得到了小鼠ES细胞系。Martin G R以免疫外科法剥离小鼠囊胚滋养层细胞,得到内细胞团(ICM)并将其置于STO细胞饲养层上,培养基为小鼠PSA-1 ES细胞条件培养基,结果也得到小鼠ES细胞。此后,Axelord等用微滴法得到小鼠ES细胞系;Kaufman等用单倍体延迟着床小鼠囊胚建立同源二倍体ES细胞系;Wobus等首次用原代小鼠成纤维细胞作饲养层建立了小鼠ES细胞系;Smith等首次使用大鼠肝细胞条件培养基作为分化抑制物建立了小鼠ES细胞系。Brook F A等进一步完善了小鼠ES细胞的分离方法,以致从许多品系小鼠包括近交系和突变系,都可获得ES细胞。
分离小鼠ES细胞并非只能从囊胚,也并非必须依赖饲养层细胞。Dhhaise等将52枚8-细胞小鼠胚胎消化成单个分裂球并培养于小鼠原代成纤维细胞饲养层上,所用培养基为DMEM/F12,并添加100 mL/L的胎牛血清、100 mL/L的新生犊牛血清和0.1 mmol/L的2-巯基乙醇,5天后,出现多个干细胞集落,消化传代后建立了一个ES细胞系MSB1。将MSB1注入SCID(severe combined immunodeficient mice)小鼠,能产生包含三胚层分化物的畸胎瘤,注入52枚囊胚产生了2个活的个体(1雄,1雌),但雄性个体无生殖能力。Tojo等用同样方法从杂交小鼠(C57BL/6×DBA/2)8-细胞胚也得到了ES细胞。小鼠ES细胞具有无限增殖的自我更新能力。Suda Y等将小鼠ES细胞传250代以上没有出现转化的迹象,它们仍具有正常的二倍体核型;在生殖系嵌合体中能产生正常的配子;作为核供体能重组克隆胚胎。上述结果表明小鼠ES细胞是永生性的。

大鼠ES细胞

Iannaccone P M等从大鼠PVG近交系分离克隆大鼠ES细胞系-RESC-01,该细胞系对SSEA-1和AKP呈阳性,在大鼠胎儿成纤维细胞饲养层上能很好的增殖,在体内环境能分化形成多种细胞类型。RESC-01细胞系在体外悬浮培养时形成的胚体出现有节律的收缩运动,将其注入囊胚并移植假孕母鼠能生成嵌合体。Kawase等也利用大鼠胎儿成纤维细胞做饲养层,从DA大鼠品系分离建立了RES-DA1ES细胞系,它与小鼠ES细胞形态相似,表达AKP和4C9抗原。Brenin等也用不同的方法分离得到了ES细胞。Sun等以大鼠ES细胞为核供体,得到了核移植后代。Vassilieva等发现大鼠ES细胞表达SSEA-1、OCT-4和IL-6等细胞标记

猪ES细胞

Piedrahita J A等采用STO、猪成纤维细胞和猪子宫上皮细胞作为饲养层,以DMEM为基础培养液,从猪囊胚ICM分离ES细胞,发现猪囊胚ICM在STO或PMEF饲养层上可以附着增殖,而在猪胎儿成纤维细胞饲养层上虽可附着但增殖甚微,传不过4代即发生死亡。Evans等将6天~7天猪囊胚直接培养于STO饲养层上,挑出ICM细胞经增殖传代培养建立了猪ES细胞系。Strojek R M等认为分离猪ES细胞的最适胚胎为第10天囊胚。研究表明,6日龄~7日龄胚胎在培养过程中极易发生死亡,ICM克隆获得率极低,而第10天的胚胎容易培养,ICM克隆获得率较高,但细胞易于分化。Vasil’ev I M等研究了胚胎发育阶段、培养基种类、饲养层细胞等影响猪ES细胞分离的因素,结果表明不同发育阶段的附植前囊胚是影响猪ES细胞分离的限制性因素。Wheeler M B等报道猪ES细胞能形成正常的嵌合体和包含三胚层分化物的囊状胚体,在维甲酸和DMSO的作用下,猪ES细胞能分化形成上皮细胞肌肉细胞、脂肪细胞、成纤维细胞等,Miyoshi等从体外授精囊胚分离得到猪ES细胞,并以类ES细胞为核供体,获得了核移植囊胚。国内关于猪ES细胞分离克隆的研究相对较少,李松等分离得到猪ES细胞并传至第2代,在此基础上,徐军等将猪ES细胞传至3代,冯秀亮等将猪ES细胞传至5代,冯书堂等也分离得到猪ES细胞,同时对所分离的细胞进行了初步检测和鉴定,证明其具有多能性。

牛ES细胞

Saito等在加有LIF的培养基中对牛ICM进行培养,分离得到牛ES细胞并进行传代。Sims等使用与一般ES细胞分离完全不同的低密度培养法,使用BRL(buffalo rat liver)条件培养基并添加亚硒酸钠、胰岛素、运铁蛋白和50 mL/L胎牛血清,培养6 d~10 d,得到15个ES细胞系,将其作为核供体进行核移植得到659枚重构胚,卵裂率70%,囊胚率24%,将其中34枚胚胎移植27头假孕母体,13头妊娠,最后生出4头犊牛。而Stice S L等报道,以牛ES细胞为核供体建立的重组胚在移植受体后虽然会出现妊娠现象,但妊娠时间不超过60天,主要是因为胎盘畸形发育,包括缺乏子叶以及子宫阜出血反应。若将重组胚与正常8-细胞胚嵌合,则该嵌合胚可发育至85天,胎儿同样缺乏子叶,DNA分析证实50%的嵌合体胎儿组织来源于ES细胞。Ito等分析比较了牛体内和体外培养桑椹胚分裂球和囊胚ICM分离ES细胞的效果,结果仅在囊胚组获得了类ES细胞。Cibelli等由49枚7日龄牛胚胎ICM分离到27个ES细胞系,用注射法将β-半乳糖苷酶基因导入ES细胞,选择转染的ES细胞注入8-细胞~16-细胞牛胚,其中18枚胚胎移植7头受体,妊娠5周后,得到12个胎儿。对胎儿进行检测,6个胎儿分别在生殖腺或原始生殖细胞(PGCs)中检测到标记基因,表明ES细胞参与生殖系嵌合。Cibelli等建立应用牛胎儿成纤维细胞核移植生产转基因牛类ES细胞的方法,得到6头嵌合体。Mitalipova等自致密桑椹胚分离牛ES细胞,最高一株ES细胞传至150代,且表达SSEA-1、SSEA-3、SSEA-4和c-kit受体。

羊ES细胞

Handyside等以绵羊皮肤成纤维细胞和胎儿成纤维细胞作饲养层,从7日龄~8日龄绵羊囊胚分离类ES细胞,结果得到内胚层样细胞而无ES细胞出现。Tsuchiya用免疫外科法分离8 d~9 d绵羊囊胚ICM,培养于STO细胞饲养层上,得到2个类ES细胞系,传至4代。Tillmann等用胎牛肝成纤维细胞作饲养层分离得到传至20代的绵羊类ES细胞和40代的山羊类ES细胞。Modinski等将绵羊ES细胞与囊胚嵌合得到2只嵌合体绵羊。Campbell等用第1代~第3代的类ES细胞作核供体进行核移植,得到了4只绵羊。

兔ES细胞

Graves K H等从兔子附植前囊胚分离得到ES细胞,并进行了初步鉴定,证明它们具有在饲养层上保持未分化状态的增殖能力,体外传代培养1年以上,仍具有正常的核型,且能形成包含三胚层分化物的胚体。之后,Niemann等以PMEF为饲养层,建立了9个兔ES细胞系。Schoonjans L等将兔ES细胞注入囊胚获得了包括生殖系在内的嵌合体兔子。陈颖等以PMEF为饲养层培养兔分割囊胚,结果得到传至7代的兔ES细胞,将第2代的兔ES细胞与囊胚进行嵌合,得到1只皮毛嵌合体仔兔,但未证实ES细胞是否参与了生殖系嵌合。

生产克隆动物

ES细胞从理论上讲可以无限传代和增殖而不失去其正常的二倍体基因型表现型,以其作为核供体进行核移植后,在短期内可获得大量基因型和表现型完全相同的个体,ES细胞与胚胎进行嵌合克隆动物,可解决哺乳动物远缘杂交的困难问题,生产珍贵的动物新种。亦可使用该项技术进行异种动物克隆,对于保护珍稀野生动物有着重要意义。

转基因动物

用ES细胞生产转基因动物,可打破物种的界限,突破亲缘关系的限制,加快动物群体遗传变异程度,可以进行定向变异和育种。利用同源重组技术对ES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;利用ES细胞技术,可在细胞水平上对胚胎进行早期选择,这样可以提高选样的准确性,缩短育种时间。

器官组织移植

作为一种被称之为“种子细胞”的ES细胞,为临床的组织器官移植提供大量材料。人ES细胞经过免疫排斥基因剔除后,再定向诱导终末器官以避免不同个体间的移植排斥。这样就可能解决一直困扰着免疫学界及医学界的同种异型个体间的移植排斥难题。

细胞治疗

细胞治疗是指用遗传工程改造过的人体细胞直接移植或输入病人体内,达到治愈和控制疾病的目的。ES细胞经遗传操作后仍能稳定地在体外增殖传代。以ES细胞为载体,经体外定向改造,使基因的整合数目、位点、表达程度和插入基因的稳定性及筛选工作等都在细胞水平上进行,容易获得稳定、满意的转基因ES细胞系,为克服当前基因治疗中导入基因的整合和表达难以控制,以及用作基因操作的细胞在体外不易稳定地被转染和增殖传代开辟了新的途径。