干细胞生物学基础

原版前言
自《干细胞生物学基础》第一版出版以来，发生了太多科研进展。Martin Evans爵士因发现胚胎干细胞获得2007年诺贝尔生理学或医学奖；Shinya Yamanaka因发现重编程分化细胞成诱导性多能干（iPS）细胞而获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。第三版涵盖了这两位开创性先驱所编写的章节，以及其他几十位科学家所编写的章节，他们的开创性工作使我们对干细胞生物学的理解更加清晰。本书涵盖了干细胞研究的最新进展，包括讲述多能干细胞、成体干细胞和胎儿干细胞的最新章节。同时，本书涵盖了过去几年该领域所取得的快速进展，我们保留了原始的事实和主题，这些事实和主题虽然不是最新的，但关系到对这一令人兴奋的生物学领域的理解。
与之前的版本一样，第三版以易于理解的形式呈现给那些有兴趣了解干细胞最新进展的学生和普通读者。本书的结构基本保持不变，仍以对多能干细胞和成体干细胞的一般理解为先决条件，包括了研究表征干细胞和祖细胞群体所需的工具和方法，以及世界顶尖科学家对每种特定组织目前所知的内容的介绍。各部分内容包括基础生物学/机制、组织和器官的发育（外胚层、中胚层和内胚层）、方法（如关于如何制备iPS细胞和胚胎干细胞的详细描述）、干细胞在某些人类疾病中的应用、管控与伦理以及患者Mary Tyler Moore的观点。Anthony Atala作为第三版的新编者加入我们。我们相信本书对学生和专家都有综合参考的价值。

Robert Lanza医学博士
美国马萨诸塞州波士顿 

R. 兰萨博士，阿斯特拉斯（Astellas）全球再生医学负责人，阿斯特拉斯再生医学研究所首席科学官，维克森林大学（Wake Forest University ）医学院兼职教授。他发表了数百篇论文（含发明专利），撰写了30多部科学作品。其中《组织工程原理》（Principles of Tissue Engineering）被公认为该领域的重要参考书。《同一个世界：人类物种在21世纪的健康与生存》( The Health & Survival of the Human Species in the 21st Century，前总统吉米·卡特作序)，《干细胞手册》（Handbook of Stem Cells）和《干细胞生物学基础》（Essentials of Stem Cell Biology），被公认是干细胞研究方面的重要论著。

《干细胞生物学基础》（原著第三版）由诺贝尔生理学和医学奖获得者Martin Evans作序，美国著名干细胞生物学家Robert Lanza等主编，200多位全世界各研究机构的专家学者共同编写，是一本手册式的生物学著作。涵盖成体干细胞和胚胎干细胞，内容涉及基本的干细胞生物学特性、调控机制、外胚层、中胚层、内胚层、干细胞在治疗人类疾病中的应用、作用机制与伦理、未来的临床应用前景等。
  本书可供从事干细胞生物学和再生医学领域的研究者、细胞生物学领域的高校师生阅读参考。

第一部分　干细胞总论
第1章　干细胞的研究意义与进展　/ 002
1.1　干细胞技术的起源　/ 002
1.2　提倡并支持干细胞研究的组织机构　/ 002
1.3　干细胞在医学领域的应用　/ 003
1.4　干细胞应用所面临的挑战　/ 003
深入阅读　/ 004

第2章　“干性”的定义、规范与标准　/ 005
2.1　什么是干细胞？　/ 005
2.2　自我更新　/ 005
2.3　潜能　/ 006
2.4　克隆性　/ 006
2.5　定义　/ 006
2.6　干细胞的来源　/ 006
2.7　早期胚胎干细胞　/ 006
2.8　成体干细胞发育　/ 008
2.9　如何对干细胞进行鉴定、分离和特征分析？　/ 009
2.10　胚胎干细胞　/ 009
2.11　成体干细胞　/ 010
2.12　干性——向干细胞的分子定义发展　/ 010
致谢　/ 011
深入阅读　/ 011

第3章　脊椎动物胚胎多能干细胞——当前进展和未来挑战　/ 012
3.1　简介　/ 012
3.2　ES和ESL细胞的生物学原理　/ 017
3.3　干细胞疗法　/ 020
3.4　总结　/ 021
深入阅读　/ 022

第4章　胚胎干细胞的前景　/ 023
4.1　胚胎干细胞的发展趋势　/ 023
深入阅读　/ 025

第5章　表皮干细胞概念的发展　/ 026
5.1　简介　/ 026
5.2　干细胞的定义　/ 027
5.3　干细胞的等级系统　/ 028
5.4　皮肤干细胞　/ 029
5.5　小肠干细胞系统　/ 032
5.6　舌干细胞组织　/ 034
5.7　普遍法则　/ 034
5.8　总结　/ 035
深入阅读　/ 035

第二部分　基础生物学/机制
第6章　干细胞微环境　/ 038
6.1　干细胞微环境假说　/ 038
6.2　果蝇种系干细胞微环境　/ 039
6.3　果蝇卵巢种系干细胞微环境　/ 039
6.4　果蝇精巢种系干细胞微环境　/ 040
6.5　种系干细胞和体干细胞维持与增殖的协同调控　/ 041
6.6　微环境的结构组成　/ 042
6.7　哺乳动物组织内的干细胞微环境　/ 043
6.8　总结　/ 049
致谢　/ 050
深入阅读　/ 050

第7章　干细胞的自我更新机制　/ 051
7.1　多能干细胞的自我更新　/ 051
7.2　抑制分化　/ 056
7.3　维持干细胞的多能性　/ 057
7.4　维持端粒长度　/ 058
7.5　X染色体失活　/ 058
7.6　总结　/ 059
深入阅读　/ 059

第8章　干细胞细胞周期调控因子　/ 060
8.1　引言　/ 060
8.2　干细胞在体内的细胞周期动力学　/ 060
8.3　干细胞回输体内后的扩增　/ 061
8.4　哺乳动物细胞周期调控和周期蛋白依赖性激酶抑制因子　/ 062
8.5　周期蛋白依赖性激酶抑制因子在干细胞调控中的作用　/ 063
8.6　p21在干细胞调控中的作用　/ 063
8.7　p27在干细胞调控中的作用　/ 064
8.8　干细胞调控中的其他细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子和成视网膜细胞瘤通路　/ 064
8.9　周期蛋白依赖性激酶抑制因子和转化生长因子β-1的关系　/ 065
8.10　CKI和Notch　/ 066
8.11　总结和未来方向　/ 066
致谢　/ 066
深入阅读　/ 067

第9章　细胞如何改变表型　/ 068
9.1　化生和转分化　/ 068
9.2　转分化的例子　/ 069
9.3　巴雷特化生　/ 071
9.4　再生　/ 071
9.5　骨髓向其他类型细胞的转化　/ 072
9.6　去分化为转分化的先决条件　/ 072
9.7　如何通过实验改变细胞表型？　/ 072
9.8　总结　/ 073
致谢　/ 074
深入阅读　/ 074

第三部分　组织和器官发育
第10章　早期发育中的分化　/ 076
10.1　植入前发育　/ 076
10.2　细胞紧密过程中的极化　/ 076
10.3　小鼠胚胎植入前体轴的确定　/ 078
10.4　小鼠早期胚胎的发育潜能　/ 079
10.5　小鼠胚胎植入前发育过程中的重要基因　/ 080
10.6　由植入到原肠胚形成　/ 082
10.7　小鼠滋养外胚层和原始的内胚层细胞　/ 082
10.8　小鼠内细胞团向上胚层的发育　/ 084
10.9　人类胚胎　/ 084
10.10　植入　/ 085
10.11　胚外组织在小鼠胚胎塑型中的作用　/ 086
深入阅读　/ 086

第11章　来自羊水的干细胞　/ 088
11.1　羊水——功能、来源和成分　/ 088
11.2　羊水间充质干细胞　/ 089
11.3　羊水干细胞　/ 091
11.4　结论　/ 096
深入阅读　/ 097

第12章　脐血干细胞和祖细胞　/ 098
12.1　解决脐血移植时间延迟和失败问题　/ 098
12.2　低温储藏CB细胞　/ 099
12.3　诱导CB来源的多能干细胞　/ 100
12.4　总结　/ 100
深入阅读　/ 100

第13章　神经系统　/ 101
13.1　引言　/ 101
13.2　神经发育　/ 101
13.3　神经干细胞　/ 103
13.4　小鼠ES细胞的神经分化　/ 104
13.5　人类和非人灵长类ES细胞的神经分化潜能　/ 110
13.6　发展前景　/ 111
13.7　治疗前景　/ 111
13.8　帕金森病　/ 111
13.9　亨廷顿病　/ 112
13.10　脑卒中　/ 113
13.11　脱髓鞘病变　/ 113
13.12　总结　/ 113
深入阅读　/ 114

第14章　眼睛和耳朵的感觉上皮　/ 115
14.1　引言　/ 115
14.2　视网膜内的干细胞和祖细胞　/ 115
14.3　视泡产生不同种类的转分化细胞　/ 115
14.4　孵化后小鸡体内的神经形成　/ 117
14.5　哺乳动物睫状体边缘的视网膜神经球的生长　/ 118
14.6　视网膜中干细胞治疗的前景　/ 120
14.7　内耳起源组织的发育与再生　/ 121
14.8　胚后期动物体内的神经生长　/ 121
14.9　耳祖细胞的体外扩增　/ 123
14.10　治疗前景　/ 124
致谢　/ 125
深入阅读　/ 125

第15章　表皮干细胞　/ 126
15.1　小鼠皮肤发育概况　/ 126
15.2　表皮干细胞聚集于毛囊膨胀凸起处　/ 127
15.3　表皮干细胞激活模型　/ 129
15.4　球囊部干细胞标志物的分子图谱　/ 131
15.5　参与皮肤表皮干细胞分化的信号通路　/ 132
15.6　总结和展望　/ 133
深入阅读　/ 134

第16章　造血干细胞　/ 135
16.1　胚胎干细胞与胚胎造血　/ 135
16.2　血细胞在EB中的形成　/ 136
16.3　BCR/ABL引起EB来源的造血干细胞的转化　/ 136
16.4　STAT5与HOXB4促进造血植入　/ 137
16.5　胚胎形态发生素促进体外造血形成　/ 138
深入阅读　/ 139

第17章　外周血干细胞　/ 140
17.1　引言　/ 140
17.2　外周血干细胞的来源与类型　/ 140
17.3　内皮祖细胞　/ 141
17.4　间充质干细胞　/ 145
17.5　外周血干细胞的治疗应用　/ 146
17.6　结论与展望　/ 149
深入阅读　/ 149

第18章　多能成体祖细胞　/ 150
18.1　多能干细胞——胚胎干细胞　/ 150
18.2　后生组织特异性干细胞——不仅仅是多能干细胞？　/ 151
18.3　多能性能后天获得吗？　/ 151
18.4　啮齿类成体多能祖细胞的分离　/ 152
18.5　MAPC的分离　/ 153
18.6　最新进展　/ 154
致谢　/ 155
深入阅读　/ 155

第19章　间充质干细胞　/ 156
19.1　MSC的定义　/ 156
19.2　MSC的干细胞特性　/ 156
19.3　哪些组织含有MSC？　/ 157
19.4　MSC的分离技术　/ 157
19.5　MSC的免疫调节作用　/ 158
19.6　MSC再生骨组织　/ 158
19.7　MSC再生非骨骼组织　/ 160
19.8　结论　/ 161
致谢　/ 161
深入阅读　/ 162

第20章　骨骼肌干细胞　/ 163
20.1　引言　/ 163
20.2　原始肌干细胞——卫星细胞　/ 164
20.3　肌干细胞的功能和生化异质性　/ 166
20.4　骨骼肌的异位发生　/ 166
20.5　肌干细胞龛　/ 168
20.6　结论　/ 169
致谢　/ 170
深入阅读　/ 170

第21章　干细胞与心脏再生　/ 171
21.1　引言　/ 171
21.2　招募循环干细胞储备　/ 171
21.3　难以捉摸的心脏干细胞　/ 173
21.4　再生概念的发展　/ 174
深入阅读　/ 175

第22章　胚肾中的细胞谱系和干细胞　/ 176
22.1　肾脏发育解剖学　/ 176
22.2　控制早期肾脏发育的基因　/ 178
22.3　建立额外的细胞谱系　/ 181
22.4　什么是肾干细胞？　/ 184
致谢　/ 185
深入阅读　/ 185

第23章　成体肝脏干细胞　/ 186
23.1　哺乳动物肝脏的组织结构及功能　/ 186
23.2　肝脏干细胞　/ 187
深入阅读　/ 196

第24章　胰腺干细胞　/ 197
24.1　简介　/ 197
24.2　干细胞和前体细胞的定义　/ 197
24.3　胰腺前体细胞在胚胎时期形成　/ 198
24.4　成熟胰腺祖细胞　/ 199
24.5　诱导其他组织产生胰腺组织表型　/ 202
24.6　体外研究　/ 203
24.7　总结　/ 203
深入阅读　/ 204

第25章　消化道干细胞　/ 205
25.1　引言　/ 205
25.2　胃肠道黏膜的多能性　/ 206
25.3　上皮细胞谱系起源于普通的前体细胞　/ 206
25.4　单个肠道干细胞再生出包括所有上皮细胞谱系的整个隐窝　/ 207
25.5　聚集嵌合体小鼠显示肠道隐窝是克隆群　/ 207
25.6　干细胞中体细胞突变揭示干细胞的谱系和克隆的连续性　/ 208
25.7　人肠隐窝含有来自单一干细胞的多种上皮细胞谱系　/ 210
25.8　骨髓干细胞对肠道损伤后的重建作用　/ 211
25.9　胃肠道干细胞占据了固有层中被ISEMF占据的微环境　/ 213
25.10　多重分子调控胃肠道发育、增殖和分化　/ 215
25.11　WNT/β-catenin信号转导通路控制肠干细胞的功能　/ 215
25.12　转录因子决定肠区域的特异性和肠干细胞的命运　/ 217
25.13　干细胞群落产生胃肠道肿瘤　/ 219
25.14　总结　/ 221
深入阅读　/ 222

第四部分　方法
第26章　诱导性多能干细胞　/ 224
26.1　iPS细胞系的建立　/ 224
26.2　诱导iPS细胞产生的分子机制　/ 227
26.3　疾病本体论与药物筛选的概述　/ 228
26.4　iPS细胞库　/ 228
26.5　医用相关的安全因素　/ 229
26.6　医学应用　/ 229
26.7　细胞直接重编程　/ 229
26.8　结语　/ 230
深入阅读　/ 230

第27章　胚胎干细胞：来源和特性　/ 231
27.1　胚胎干细胞的来源　/ 231
27.2　胚胎干细胞的培养　/ 233
27.3　胚胎干细胞的发展前景　/ 235
27.4　结论　/ 237
深入阅读　/ 238

第28章　小鼠胚胎干细胞的分离和维持　/ 239
28.1　引言　/ 239
28.2　胚胎干细胞的维持　/ 239
28.3　培养基　/ 240
28.4　血清　/ 240
28.5　用于检测培养条件的集落形成实验　/ 241
28.6　胚胎干细胞传代培养　/ 242
28.7　新胚胎干细胞系的分离　/ 242
28.8　胚胎干细胞的分离方法　/ 243
28.9　小结　/ 244
深入阅读　/ 244

第29章　人胚胎干细胞产生及维持的方法——具体方案及替代方案　/ 245
29.1　引言　/ 245
29.2　建立实验室　/ 246
29.3　试剂的准备与筛选　/ 247
29.4　机械法对hES细胞集落进行传代　/ 251
29.5　hES细胞的产生　/ 253
29.6　建立的hES细胞培养物的维持　/ 256
29.7　hES细胞的冻存　/ 259
29.8　hES细胞的解冻　/ 261
29.9　hES细胞的质控　/ 262
深入阅读　/ 262

第30章　人胚胎生殖细胞的产生与分化　/ 263
30.1　引言　/ 263
30.2　人胚胎生殖细胞的产生　/ 265
30.3　EB来源的细胞　/ 270
深入阅读　/ 273

第31章　基因组重编程　/ 274
31.1　引言　/ 274
31.2　生殖细胞中的基因组重编程　/ 274
31.3　体细胞核重编程　/ 278
31.4　结论　/ 279
深入阅读　/ 280

第五部分　应用
第32章　神经干细胞在神经退行性疾病方面的治疗应用　/ 282
32.1　引言　/ 282
32.2　神经干细胞的定义　/ 283
32.3　神经干细胞在治疗疾病方面的潜能　/ 284
32.4　神经干细胞基因疗法　/ 287
32.5　神经干细胞替代疗法　/ 287
32.6　神经干细胞全面性细胞替代疗法　/ 289
32.7　在修复功能失调的神经元中神经干细胞所发挥的内在作用　/ 291
32.8　神经干细胞将多种治疗方法联系在一起　/ 293
32.9　总结　/ 294
深入阅读　/ 296

第33章　成体祖细胞可成为糖尿病潜在的治疗方法　/ 297
33.1　β细胞的替代疗法治疗糖尿病的重要性以及胰岛素-生成细胞的短缺　/ 297
33.2　成体干-祖细胞可成为胰岛素-生成细胞的一种潜在来源　/ 297
33.3　β细胞、干细胞及祖细胞的定义　/ 298
33.4　新的β细胞的生成贯穿成体的一生　/ 298
33.5　什么是成体胰岛新生的细胞来源　/ 298
33.6　非胰岛细胞向胰岛细胞转分化　/ 300
33.7　胰腺腺泡细胞的转分化　/ 301
33.8　骨髓细胞作为胰岛素-生成细胞的来源　/ 301
33.9　肝脏细胞作为胰岛素-生成细胞的来源　/ 301
33.10　工程学改造其他非β细胞以产生胰岛素　/ 301
33.11　通过组成性分泌而非可调节分泌来递送胰岛素的尝试　/ 302
33.12　小结　/ 302
深入阅读　/ 302

第34章　烧伤与皮肤溃疡　/ 303
34.1　引言　/ 303
34.2　烧伤与皮肤溃疡　/ 303
34.3　表皮干细胞　/ 303
34.4　干细胞在烧伤及皮肤溃疡中的应用　/ 305
34.5　近期和未来的发展　/ 307
致谢　/ 310
深入阅读　/ 310

第35章　干细胞与心脏疾病　/ 311
35.1　心脏——自我更新的器官　/ 311
35.2　心脏干细胞在心脏中的分布　/ 312
35.3　非固有的原始细胞对心肌损伤的修复　/ 313
35.4　固有的原始细胞修复心肌损伤　/ 315
35.5　人类心肌再生　/ 316
深入阅读　/ 317

第36章　肌营养不良症的干细胞治疗　/ 318
36.1　引言　/ 318
36.2　成肌细胞移植——过去的失败案例和新的希望　/ 319
36.3　非传统意义的肌源性祖细胞　/ 320
36.4　多能干细胞用于未来的细胞治疗　/ 324
36.5　对未来的展望　/ 325
致谢　/ 325
深入阅读　/ 325

第37章　肝实质来源的干细胞治疗肝脏疾病　/ 326
37.1　引言　/ 326
37.2　研究背景　/ 327
37.3　移植后肝细胞的整合　/ 328
37.4　肝细胞的临床移植　/ 329
37.5　肝细胞桥梁　/ 329
37.6　肝细胞移植在急性肝衰竭患者中的应用　/ 330
37.7　肝细胞移植治疗代谢类肝疾病　/ 331
37.8　肝细胞移植的新应用、面临的挑战和未来的方向　/ 333
37.9　结论　/ 336
深入阅读　/ 337

第38章　干细胞在整形外科中的应用　/ 338
38.1　引言　/ 338
38.2　骨　/ 339
38.3　软骨　/ 340
38.4　半月板　/ 342
38.5　韧带和肌腱　/ 343
38.6　脊椎　/ 345
38.7　总结　/ 346
深入阅读　/ 346

第39章　胚胎干细胞在组织工程中的应用　/ 347
39.1　引言　/ 347
39.2　组织工程的原理及视角　/ 347
39.3　ES细胞应用于组织工程的限制及障碍　/ 351
39.4　结论　/ 353
深入阅读　/ 353

第六部分　规则与伦理
第40章　道德考量　/ 356
40.1　引言　/ 356
40.2　毁坏人类胚胎在道德上被允许吗？　/ 356
40.3　我们是否应该延缓hES细胞研究？　/ 357
40.4　我们能否从他人对胚胎的破坏中获益？　/ 357
40.5　我们能否为了破坏一个胚胎而创造它？　/ 358
40.6　我们应该克隆人类胚胎吗？　/ 359
40.7　应当用怎样的伦理准则管理hES细胞和治疗性克隆研究？　/ 360
40.8　总结　/ 361
深入阅读　/ 362

第41章　FDA监管过程概况　/ 363
41.1　本章概述　/ 363
41.2　FDA的立法历史　/ 363
41.3　法律、法规和指导　/ 364
41.4　FDA组织和司法问题　/ 365
41.5　批准机制和临床研究　/ 367
41.6　行业、专业组和生产者与FDA的协同会议　/ 368
41.7　特别重要的规则和指南　/ 368
41.8　FDA发展项目标准　/ 374
41.9　咨询委员会会议　/ 375
41.10　FDA研究和评价路径科学　/ 376
41.11　其他交流合作　/ 377
41.12　结论　/ 378
深入阅读　/ 378

第42章　无关好奇，只为治愈——民众推动干细胞研究取得进步　/ 381
42.1　选择生活　/ 381
42.2　判断的尺度　/ 382
42.3　个人的承诺促进发展　/ 382
42.4　用希望对抗炒作　/ 383
42.5　赋予生命力　/ 384
42.6　民众推动进步　/ 384
42.7　为所有人提供更好的健康　/ 385

词汇表　/ 387

索引　/ 405