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胚胎干细胞:它们来自哪里,它们能做什么?

胚胎干细胞激发了科学家和非科学家的想象力。但它们是什么,它们来自哪里,为什么全世界的研究人员都在努力了解它们?

关于胚胎干细胞我们知道什么?

人类胚胎干细胞 (ESC) 是多能细胞,意思是可以制造体内任何其他细胞的细胞。它们是由非常早期的人类胚胎中发现的细胞制成的,称为囊胚。

胚胎干细胞来源于非常早期的胚胎,称为囊胚。
人类囊胚的直径大约是人类头发的四倍。

许多科学领域都使用小鼠胚胎干细胞来研究胚泡如何长成成人,以及研究哪些信号指导干细胞分化为特化细胞。

通过用转基因胚胎干细胞培育“嵌合体”小鼠,人们对胚胎发育和疾病有了很多了解。这些小鼠使研究人员能够测试特定基因如何影响细胞功能和疾病。

胚胎干细胞的起源

胚胎干细胞是从刚出生几天的胚胎中发现的细胞生长而来的。在人类、小鼠和其他哺乳动物中,胚胎在这个阶段是一个由大约100个细胞组成的球。它被称为囊胚 ,分为两部分:

外层细胞或滋养外胚层将形成胎盘,支持胚胎在子宫内生长。

称为内细胞团的内部细胞团是一个由10-20个细胞组成的球。这些细胞未分化或未特化。它们会大量繁殖和分化,从而产生形成整个动物所需的多种类型的细胞。内细胞团中的一些细胞是多能的:它们可以制造体内的每一种细胞。

小鼠胚胎干细胞基础知识

如果从小鼠囊胚中取出内细胞团并给予适当的营养,多能细胞就可以在实验室中生长。

一个3.5天大的小鼠囊胚。内细胞团呈绿色,滋养外胚层呈红色

通常发生在胚胎中的细胞成熟和特化过程停止了。相反,细胞会繁殖以产生更多类似于内细胞团细胞的未​​分化细胞。这些实验室培养的细胞被称为胚胎干 (ES) 细胞

胚胎干细胞图
胚胎干细胞可以复制自身并制造其他类型的更特化的细胞

将小鼠胚胎干细胞用于科学和医学

可以将小鼠 ES 细胞放回小鼠囊胚中,然后可以将该囊胚放回雌性小鼠的子宫中发育成胎儿。注射的ES细胞参与胎儿的发育,由此产生的幼崽出生时混合了细胞,(a) 来自宿主胚泡和 (b) 来自注射的ES细胞的细胞。这种具有来自两个不同来源的细胞的新小鼠被称为嵌合体。 

嵌合小鼠和他的后代

嵌合小鼠和他的后代
后代有一个黑发基因,来自用于制造他们父亲的胚胎干细胞。

嵌合体可以将基因从胚胎干细胞传递给它们的后代。研究人员可以在实验室中精确地改变ES细胞的基因,将细胞放回囊胚中,并培育出含有修饰基因的新小鼠。科学家使用由ES细胞制成的转基因小鼠来研究与许多人类疾病有关的基因。例如,他们制造了带有在人类癌症中发现的突变的小鼠。可以对这些小鼠进行研究,以了解更多关于癌症如何生长和测试潜在药物的信息。

2007年,诺贝尔医学奖授予三位率先使用ES细胞培育转基因小鼠的科学家,这一技术在科学和医学领域的巨大价值得到了认可。

人类胚胎干细胞

科学家们还通过采用与分离小鼠ES细胞的技术类似的技术,从人类胚胎的内细胞团中制造了干细胞。您可以在资料单《胚胎干细胞研究:伦理困境》中了解更多有关本研究中使用的人类胚胎及其来源的信息 。不允许将人类细胞注射回胚泡,但这些细胞可以在实验室中分化成许多不同的特化细胞类型。通过在实验室中使用人类 ES 细胞产生神经细胞或心脏细胞等特殊细胞,科学家们可以在不从患者身上获取组织的情况下获得成人细胞。然后他们可以详细研究这些专门的成体细胞,以了解某些疾病出了什么问题,或者研究这些细胞对潜在新药的反应。

关于胚胎干细胞研究人员在研究什么?

研究人员正在学习如何通过将ESC暴露于不同的信号分子和生长条件来创建体内发现的许多不同的特殊细胞类型。

小鼠胚胎干细胞正被用于了解身体如何发育,从早期胚胎阶段到复杂器官的形成。

研究人员正在通过尝试在实验室中培养原始器官来了解细胞如何组装成复杂的组织,例如大脑各层。

许多研究正在研究胚胎干细胞如何能够用于治疗多种不同的疾病,从多发性硬化症到失明和糖尿病。

胚胎干细胞目前研究的挑战是什么

ESCs 在小鼠和人类中的功能存在差异。出于道德和伦理原因,研究人员不能像在小鼠ESC实验中那样使用人类 ESC。这需要研究人员弄清楚人类胚胎干细胞如何以更复杂和间接的方式工作。

另一个具有挑战性的领域是精确控制胚胎干细胞如何分化为多种特殊细胞类型。

寻找方法来获得大量由干细胞制成的均匀且提供可靠结果的特化细胞是一个主要目标,但不是一个容易实现的目标。

参考资料:本资料单由Kate Blair创建 并由Jenny Nichols 和 Austin Smith 审核 。

说明:本文仅用于传播科普知识,分享行业观点,不构成任何临床诊断建议,如有版权等疑问,请随时联系我。

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