組織工程應用

1、組織工程,,引子,,,,,,,組織工程的概念,# 將人體某部分的組織細胞種植和吸附在一種生物材料的支架上進行人工培養(yǎng)繁殖,擴增,分化，# 然后移植到人體內所需要的部位,從而達到器官修復或再造的治療目的的一種技術,,組織工程的核心問題,應用生命科學和工程技術的原理和方法，在細胞的體外培養(yǎng)過程中，誘導干細胞定向分化，維持、調控乃至優(yōu)化這種分化，從而形成具有和在體組織相似功能的組織或器官。,組織工程的關鍵技術,1.組織構成 細胞的培

2、養(yǎng)2.生物 材料及構架制備3.生物組織工程化培養(yǎng)系統(tǒng),,三大支柱,三大支柱,種子細胞生物材料支架生長因子,種子細胞,干細胞：胚胎干細胞、成體干細胞組織來源細胞自體或異體,干細胞,根據(jù)不同的分化潛能 .全能干細胞 ：自我更新和分化形成任何類型細胞的能力，有形成完整個體的潛能，如胚胎干細胞 多能干細胞 ：產生多種類型細胞的能力，但卻失去了發(fā)育成完整個體的能力單能干細胞 ：也稱專能干細胞、偏能干細胞，這類細胞只能向單一

3、方向分化，產生一種類型細胞,,按照干細胞發(fā)生的來源 胚胎干細胞 成體干細胞 間充質干細胞造血干細胞神經干細胞,,,,干細胞不僅能產生特定組織的細胞，還能產生一些我們原先不知道的細胞造血干細胞-----肝卵圓細胞(blood to liver)神經干細胞-----造血祖細胞(brain to blood)間充質干細胞-----神經細胞(marrow to brain)為了適應組織生長和修復時增高的祖細胞的要求，某些組織

4、的干細胞可遷移到另一組織，如：肌肉修復時，間充質干細胞從骨髓轉移到 骨骼肌,,胚胎干細胞,胚胎干細胞是在人胚胎發(fā)育早期——囊胚（受精后約5—7天）中未分化的細胞囊胚含有約140個細胞外表是一層扁平細胞，稱滋養(yǎng)層，可發(fā)育成胚胎的支持組織如胎盤等。中心的腔稱囊胚腔，腔內一側的細胞群，稱內細胞群，這些未分化的細胞可進一步分裂、分化，發(fā)育成個體內細胞群在形成內、中、外三個胚層時開始分化內細胞群可以發(fā)育成完整的個體，具有全能性當內細胞

5、群在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)時，稱之為胚胎干細胞,骨髓間充質干細胞,骨髓間充質干細胞是從骨髓中分離的非造血干細胞間充質干細胞的特點高度擴增能力 多向分化能力 可移植性 基因治療的優(yōu)秀載體 間充質干細胞在組織修補、造血干細胞移植、基因治療、等領域有著廣泛的應用前景,培養(yǎng)中的骨髓間充質干細胞,造血干細胞,干細胞研究以及利用干細胞來治療疾病的干細胞生物工程已經成為繼人類基因大規(guī)模測序完成后生命科學中最活躍的研究領域之一造血干細胞作為干細胞研

6、究的典范已廣泛應用于臨床，為惡性血液病、實體瘤、免疫性疾病提供了有效的治療手段美國華盛頓大學Thomas教授用造血干細胞移植方面的杰出成就獲得1990年諾貝爾獎,神經干細胞,過去，醫(yī)學界認為腦細胞缺乏再生能力，神經損傷是不可逆轉的。因此，長期以來，醫(yī)學界對中風、腦腫瘤、嚴重腦外傷、腦缺血、帕金森病引起的神經性障礙無能為力1992年,Renolds和Weiss從成年鼠海馬分離出神經干細胞(neural stem cell,NSC),又

7、在前腦室旁區(qū)發(fā)現(xiàn)了NSC,使神經元變性和損傷性疾病的傳統(tǒng)治療觀念受到沖擊傳統(tǒng)觀念:阻止神經變性的惡化和減少可逆受損細胞的死亡,新觀念:重視藥物治療對NSC分化和神經元再生的促進作用以及外源NSC移植的治療作用,神經干細胞研究方向,進一步研究神經干細胞生物學特征以及分離、純化和擴增的條件；確定人類是否也具有神經干細胞；人類神經干細胞在腦內的定位以及怎樣在原位誘導神經干細胞增殖分化以補充因疾病和損傷所丟失的神經細胞；人類神經干細胞

8、是否也可向其它胚層的細胞轉化等等利用它直接進行移植治療，或利用病毒載體，攜帶目的基因，導入神經干細胞，將篩選得到的體外高效表達目的基因的克隆進行移植,治療優(yōu)點,神經干細胞在腦中能根據(jù)其周圍微環(huán)境的誘導而分裂，分化成為相應的細胞類型，其形態(tài)和功能與附近的宿主細胞非常類似。即使是將因轉入原癌基因而永生化的神經干細胞植入腦后也未長出腫瘤中樞神經系統(tǒng)具備特殊的結構－－血腦屏障，這使的淋巴細胞很難進入，因此不同個體之間，甚至是不同物種之間的神

9、經干細胞移植，都幾乎沒有排斥反應，大大提高了神經干細胞的來源神經干細胞可以在體外根據(jù)不同的需要導入相應的外源基因，成為一種廣譜的細胞載體。,干細胞的研究前景－幾乎涉及了所有生命科學和生物醫(yī)藥領域,細胞治療組織器官移植組織工程基因治療新基因發(fā)掘與基因功能分析探討胚胎發(fā)生、組織細胞分化、基因表達調控等生命科學古老而神秘的話題新型生物材料工程，新藥的開發(fā)與藥效、毒性的評估等多種領域,,心血管疾病自身免疫性疾病糖尿病骨質疏

10、松癌癥神經系統(tǒng)疾?。夏晷园V呆、帕金森病、脊髓損傷等嚴重燒傷遺傳性缺陷……,干細胞治療三階段,第1階段:把1種組織的成體干細胞直接移植給相應組織壞損的病人 　　 第2階段:在體外對干細胞進行誘導使之“定向”分化成所需的細胞。對于某些遺傳性疾病，還可對干細胞進行基因修飾。對經過“定向分化”或“基因修飾”后的干細胞進行篩選后，把“合格”的細胞移植給病人。 　　 第3階段:在體外進行“器官克隆”以供病人移植,干細胞研究 主要問

11、題和方向,從胚胎干細胞向不同組織細胞“定向分化”的條件還不清楚 干細胞研究的主要問題之一就是要弄清胚胎干細胞發(fā)育的調控機制，從而在體外培養(yǎng)擴增胚胎干細胞如何在成體干細胞擴增的同時，保持其自我復制的特性干細胞研究的熱點之一就是建立和發(fā)展分離成體干細胞的更有效的方法和手段,,探討成體干細胞橫向分化的機制是干細胞研究的另一個主要課題克服異體移植引起的免疫排斥怎樣在體外形成具有空間結構及0功能的器官 干細胞細胞是對疾病進行基因治療的

12、理想載體，如何根據(jù)個體基因的差別，安全地實現(xiàn)個體化的基因治療 倫理法律等問題,研究前景,干細胞研究以及利用干細胞來治療疾病的干細胞生物工程已經成為繼人類基因大規(guī)模測序完成后生命科學中最活躍的研究領域之一隨著干細胞技術進一步發(fā)展和完善，干細胞生物工程必將帶動整個生命科學領域，生物醫(yī)藥產業(yè)以及醫(yī)院體系的發(fā)展和變更甚至可能為整個社會帶來一場技術革命,生物材料,有機物珊瑚、膠原、脫鈣骨基質聚合物如聚乳酸、聚羥基乙酸無機物磷酸鈣為主

13、的骨水泥、生物陶瓷硫酸鈣為主的生物玻璃降解、生物再吸收、生物相容性、毒性、致癌性和誘發(fā)炎癥反應等,生物材料支架,膠原支架：是生物系統(tǒng)中一種重要的不溶于水的纖維性蛋白質，構成高等動物蛋白質的1/3，是胞外基質重要的結構蛋白。殼聚糖：甲殼質是節(jié)肢動物角質內的主要結構多糖，殼聚糖是甲殼質的部分拖乙?；a物，具有陽離子性質，因此可以吸引糖胺聚糖、蛋白聚糖等帶負電荷的大分子聚集在支架內，即利于收集組織液中的生長因子。海藻酸鹽：是存在于褐藻

14、的陰離子線性多糖，具有親水性，生物相容性好。磷酸鈣基生物材料：是高度生物相容性的多晶陶瓷，能進行骨整合。硫酸鈣基生物材料：是骨替代的最早的材料之一。適合作為骨洞填充物。半結晶水的硫酸鈣一般稱為熟石膏，與水混合、成型、凝固，具有生物兼容性。,電鏡下納米PLGA/HA復合物,生長因子,骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）血管內皮生長因子（VEGF）成纖維細胞生長因子（FGF）轉化生長因子-β（TGF-β）胰島素樣生長因子（IGFs）血小板

15、衍生生長因子（PDGF）神經生長因子（NGF）骨衍生生長因子（BDGF）其他一些來自血細胞的衍生因子如白細胞溶菌素、腫瘤壞死因子（TNF）、淋巴細胞毒素、干擾素等也參與骨折的愈合。,組織工程具體應用,,,骨頭? 將骨生長因子或干細胞植入一種做成特別形狀的孔狀材料中，制造新的下頜或肢體。一種能制造脛骨的產品正處在臨床試驗中。? 公司：Creative Biomolecules, Orquest,SulzerOrthope

16、dics, Biologics,Genetics Institute, OsirisTherapeutics, Regeneron。,皮膚,Organogenesis公司研制的與人類皮膚相同的Apligraf，是第一個獲得食品及藥物管理局（FDA）批準的人造組織。它最初用于治療腿部潰瘍，也可用于治療足部潰瘍和燒傷。公司：Organogenesis, Advanced TissueSciences, Integra Life

17、Sciences, LifeCell, OrtecInternational。,耳軟骨,一種能夠使膝關節(jié)軟骨再生的產品已經面市。已為一個男孩培養(yǎng)了一個胸廓并在裸鼠身上制造出了人耳。? 公司：Genzyme Tissue, Biomatrix,Integra LifeSciences, Advanced TissueSciences, ReGen Biologics, OsirisTherapeutics,,,,,,,,已經