第 14 章 组织工程.ppt

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1、第第14章章 组织工程组织工程再生再生凤凰凤凰(Chinese phoenix/phoenix)：雄的叫凤，雄的叫凤，雌的则叫凰。象征祥瑞。雌的则叫凰。象征祥瑞。神话中说，凤凰每次死后，会周神话中说，凤凰每次死后，会周身燃起大火，然后其在烈火中获身燃起大火，然后其在烈火中获得重生，并获得较之以前更强大得重生，并获得较之以前更强大的生命力，称之为的生命力，称之为“凤凰涅磐凤凰涅磐”。蚯蚓的再生蚯蚓的再生蚯蚓被截为两截以后，断面上肌肉组织快速溶解，然后形成新的细胞团。这时，血液中所含的白细胞也会同时集中在切面上，形成特殊的栓塞，从而使伤口快速闭合。中胚层细胞还具有十分强的分化能力，当它有创伤时，原

2、本位于体腔内隔膜中的还没有分化的原性细胞，快速移动至伤口切面上来，并与自己已溶解的肌肉细胞连在一起，在切面上形成一个个结节状的凸起，就被称为再生芽。同时，蚯蚓体内的消化道、血管，以及神经系统等组织的细胞，经过许多分裂，快速地向再生芽里不断生长。于是，切面上就会快速地再生出另外一个头来，并且另一端也会自然生出一条尾巴来。这样一条蚯蚓被截成两截以后不会死，且能够再生，于是就变成两条蚯蚓了。器官移植器官移植亚当的肋骨造就了夏娃亚当的肋骨造就了夏娃圣经中，上帝始造天地耗时七日，在第六日里用泥土按自己的形状捏成个泥人，然后吹了一口仙气于其中，亚当便有了生命。上帝造了亚当之后，让他当世间万物的主宰，还给他

3、建了个园子来住，取名为伊甸园（Eden），其意为“乐事，愉快”，有时我们不说伊甸而称之以乐园（Paradise）。取其第七肋骨塑成女状，再吹之以仙气，遂成夏娃（意即“赋予生命”）。所以女人叫WOMAN，是一个合成词，指“男人的肋骨”。荷马所著的伊利亚特荷马所著的伊利亚特中，描绘了一个叫做中，描绘了一个叫做凯凯米拉米拉的吐火女怪，她狮的吐火女怪，她狮头、羊身、蛇尾，并且头、羊身、蛇尾，并且背部及尾部又分别伸出背部及尾部又分别伸出一羊头和蛇头。在现代一羊头和蛇头。在现代移植学中，凯米拉一词移植学中，凯米拉一词成为一个医学术语，译成为一个医学术语，译为为嵌合体嵌合体。美人鱼美人鱼龙龙龙是中国的象征、

4、中华民族的象征、中国文化的象征。龙是中国古人对鱼、鳄、蛇、猪、马、牛等动物，和云、雷电、虹霓等自然天象模糊集合而产生的一种神物：马头（驼、牛、扬子鳄头），象鼻，鲤鱼须，蛇身，鹿角，龟眼（兔、虎），鱼鳞，虎掌，鹰爪，牛耳，鱼尾构成的。最早的最早的异体器官移植异体器官移植报道报道战国时代的典籍列子记载过一例很奇特的移植手术。鲁国的公扈和赵国的齐婴得了痼疾去找神医扁鹊医治。扁鹊对公扈说：“汝志疆而气弱，汝志疆而气弱，故足于谋而寡于断。齐婴志弱而气疆，故少于虚故足于谋而寡于断。齐婴志弱而气疆，故少于虚而伤于专。故换汝之心，则均善矣。而伤于专。故换汝之心，则均善矣。”扁鹊先给他俩喝了一种自治的麻醉药。然

5、后为两人做了开胸术，取出心脏互换。接着给他俩灌服了一种神奇的药物，公扈和齐随即苏醒过来，怪疾得以治愈。医学史上第一次关于异体器官移植的报道，国际器官移植学会把扁鹊作为器官移植的鼻祖。现代的器官移植现代的器官移植现代的器官移植是从肾移植开始的。最早的肾移植是在1936年，一位前苏联医生沃罗诺夫将一个尸体的肾脏移植到一位汞中毒的病人体内。病人是一位年仅26岁的青年人，由于肾衰竭已经病入膏肓，无药可救。于是沃罗诺夫给他做了手术，但是一直没有获得成功，病人在48小时后死去了。1967年12月3日，一位25岁的年轻女子不幸死于车祸，她的心脏却完好无损。45岁的南非医生巴巴纳德纳德当天为一名54岁的商人成

6、功地作了人类首例异体心脏移植手术。病人手术后顺利地度过了17天，虽然由于肺炎最终夺取了他的第二次生命，但是，这在人类器官移植史上毕竟是一个里程碑一个里程碑式式的伟大成就。不久，巴纳德又为第二名病人移植了心脏。这一次，病人存活了18个月。1971年，他为一位心脏病人做的手术非常成功，病人换心后，居然又活了20多年，一直到1994年七月，才因中风去世。肾移植的成功，标志着器官移植进入了临床应用阶段，也推动了器官移植的发展。1963年，肝移植和肺移植先后获得成功1966年胰腺移植也取得了成功。至今全世界不下20万万人接受了肾移植，并以每年2万万例的速度增加着；1963年开始的肝移植到90年代已超过了

7、14000例，最长存活者已超过了20年；心脏移植，根据国际移植中心统计已达12631例，即美国截至2000年大约就有2300人接受了心脏移植手术，并且有70%的患者生存时间至少有4年；肺移植自1967年哈斯利医生首次进行以来，至1995年止，全世界已有3809例。问问 题题1.异体移植 强免疫排斥反应问题，失败率极高，加之异体器官来源有限，供不应求，因而难以实施2.自体移植 牺牲患者自己正常器官组织为代价3.组织代用品人体相容性差，不能长久使用，还易引起感染能否用自身细胞培养修复受损的组织，或再生器官替换原有器官？组织工程组织工程一一 定义定义组织工程(Tissue Engineering)是

8、利用生命科学、医学、工程学原理与技术，单独或组合地利用细胞、生物材料、细胞因子实现组织修复或再生的一门技术。最早是在1987年美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上提出。Dr.Joseph P.VacantiJohn Homans Professor of Surgery at Harvard Medical SchoolGermeshausen Professor of Chemical and Biomedical Engineering at MIT Dr.Robert Langer曹谊林曹谊林等于等于1997 在生物材料塑型、细胞在生物材料塑型、细胞生物材科复合物的体外培养以及植

9、入方法生物材科复合物的体外培养以及植入方法和技术上进行了研究改进，在裸鼠体内形和技术上进行了研究改进，在裸鼠体内形成了具有成了具有皮肤覆盖的人耳廓形态软骨皮肤覆盖的人耳廓形态软骨。这标志着组织工程技术可以形成具有这标志着组织工程技术可以形成具有复杂复杂表面结构表面结构的软骨组织，向人们展示了组织的软骨组织，向人们展示了组织工程研究的广阔前景，被誉为组织工程研工程研究的广阔前景，被誉为组织工程研究的一个新的里程碑，使组织工程从基础究的一个新的里程碑，使组织工程从基础研究向临床应用的努力方面迈出了重大一研究向临床应用的努力方面迈出了重大一步。步。二二 组织工程三要素组织工程三要素1种子细胞2支架材

10、料3细胞因子技术路线示意图技术路线示意图细胞支架材料移植原位修复组织器官再生替换信号分子、生长因子从材料科学角度看从材料科学角度看骨骨骨是高度结构化的羟基磷灰石Ca5(PO4)3OH，HA和胶原纤维及血管交织成的多空基质1-细胞成骨细胞：合成ECMs、矿物质、胶原，组装成新骨破骨细胞：分泌酶使ECMs、矿物质、胶原被吸收软骨细胞合成ECMs构成软骨2-支架羟基磷灰石3-因子骨形态发生蛋白（1）种子细胞）种子细胞干细胞：胚胎干细胞、成体干细胞组织来源细胞自体或异体（2）生物材料支架）生物材料支架 细胞外基质细胞外基质生物相容性好可以生物降解天然生物聚合物天然生物聚合物1）蛋白质支架胶原支架：是生

11、物系统中一种重要的不溶于水的纤维性蛋白质，构成高等动物蛋白质的1/3，是胞外基质重要的结构蛋白。根据组成的氨基酸与聚合度不同有10种。具有高度缠绕的螺旋结构的纤丝，由纤丝与其他基质分子相互作用达到组织需要的强度、弹性。成纤维细胞、成骨细胞、软骨细胞、上皮细胞等合成或分泌，分布于各个部位。2）多糖支架）多糖支架壳聚糖：甲壳质是节肢动物角质内的主要结构多糖，壳聚糖是甲壳质的部分拖乙酰化产物，具有阳离子性质，因此可以吸引糖胺聚糖、蛋白聚糖等带负电荷的大分子聚集在支架内，即利于收集组织液中的生长因子。海藻酸盐：是存在于褐藻的阴离子线性多糖，具有亲水性，生物相容性好。无机类生物材料支架无机类生物材料支架

12、磷酸钙基生物材料：是高度生物相容性的多晶陶瓷，能进行骨整合。硫酸钙基生物材料：是骨替代的最早的材料之一。适合作为骨洞填充物。半结晶水的硫酸钙一般称为熟石膏，与水混合、成型、凝固，具有生物兼容性。（3）生长因子）生长因子细胞的增殖与分化由各种生长因子和细胞调节常见生长因子常见生长因子表皮生长因子：是对上皮细胞增殖有很强促进作用的53个氨基酸残基的多肽。神经生长因子：为神经细胞特异性分泌的营养蛋白。肝细胞生长因子：为728个氨基酸残基单链组成。骨形态发生蛋白：能诱导或刺激新骨的生成。生长因子研究与制备生长因子研究与制备骨形态发生蛋白（骨形态发生蛋白（BMPs）1965年美国首先从骨基质中分离出骨形

13、态发生蛋白，经过25年才得以纯化。随后克隆了相关基因。原位状态下以ng/g骨基质剂量释放足以促发骨修复，人工基质需要mg/g剂量才能促发骨修复，因此成本非常高。利用转基因技术将BMP基因转染到骨髓细胞中，再将其种植在矿化基质上，达到骨修复的目的。三三 组织工程应用组织工程应用1.骨修复骨修复骨组织工程种子细胞理想种子细胞：对机体损伤小，取材方便；体外培养定向分化为成骨细胞，增殖传代能力较强，保持良好生物活性；移植入体内能适应受体生理、病理、应力等环境，高质量修复骨缺损且修复后远期效果良好；生物毒性低，组织相容性好，免疫活性低。1 成骨细胞原代成骨细胞接种 1d，呈不规则形（250）第一代成骨细

14、胞培养 10d，呈“铺路石”状（250）培养：骨、骨膜组织-酶消化-贴块法培养-含20%胎牛血清的DMEM培养液 37 5%CO2 实验材料为SD乳鼠颅骨2骨髓基质干细胞(MSCS)n骨髓基质干细胞(BMSC)是间充质来源的干细胞，通常也被称为骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)n具有祖细胞的自我增殖、定向分化特性n来源：成人骨髓；成人脂肪、骨骼肌、骨外膜、骨小梁中；其他组织骨髓基质干细胞原代骨髓基质细胞接种 3d呈长梭形、纺锤形（250）第 1 代 MSC 培养 10d复层生长（100）实验材料为成年大鼠 培养基未加诱导因子3 胚胎干细胞ESn理论上胚胎干细

15、胞embryonic stem cell是骨组织工程最佳的种子细胞来源nButtery等从大鼠的囊胚中分离出的ES体外培养，在含血清的DMEM培养基中加入维生素C、-甘油磷酸、地塞米松或把ES与胎儿成骨细胞共同培养，以培养环境进行诱导，ES可向成骨细胞分化。4 转基因细胞nMSCs定向分化和活性的维持需要生长因子的调控，设想将生长因子基因转入MSCs，利用转基因细胞表达高生物活性内源性生长因子，调控其自身生长分化，同时如能将免疫抑制基因转入异种细胞，可克服其免疫原性，扩大种子细胞范围。n目前重组细胞尚处于动物试验阶段，规模化的临床应用仍需进一步深入研究。种子细胞优势不足成骨细胞传代繁殖快，成骨

16、能力好，诱导分化相对较为简单，培养技术成熟；取材不便，对供者会有一定的损伤，细胞数量有限；骨髓基质干细胞易于分离获得，对机体损伤小；体外培养较强的传代繁殖力；多分化潜能，成骨量少；最佳诱导分化条件尚在探索，定向分化机制未完全明确，适应环境能力相对弱；胚胎干细胞完全分化，无限增殖传代能力，无免疫反应；临床动物实验尚不足；转基因细胞表达活性生长因子，调控自身生长分化，克服免疫原性，扩大种子细胞范围潜在的安全性和有效性问题骨的原位生物修复骨的原位生物修复示意图示意图1)取骨髓2)分离骨髓基质干细胞（具有多能性）3)体外诱导培养成成骨细胞4)将成骨细胞与藻酸钙的复合物注射到骨缺损的部位5)修复2-体外构建人造皮肤体外构建人造皮肤皮肤的结构皮肤的结构A 表皮B 表皮网状 棘C 真皮乳头D 真皮E 皮下组织F 毛发组织工程皮肤的研究内容组织工程皮肤的研究内容 表皮替代品 真皮替代品 含有活性细胞的复合人工皮 组织工程人造皮肤构建技术路线组织工程人造皮肤构建技术路线构建步骤构建步骤（一）种子细胞与培养液成纤维细胞：DMEM培养基、10%胎牛血清、青霉素、链霉素等表皮角质形成细胞：DMEM+Ham F