組織工程應(yīng)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(xì)胞種植和吸附在一種生物材料的支架上進(jìn)行人工培養(yǎng)繁殖,擴(kuò)增,分化，# 然后移植到人體內(nèi)所需要的部位,從而達(dá)到器官修復(fù)或再造的治療目的的一種技術(shù),,組織工程的核心問題,應(yīng)用生命科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，在細(xì)胞的體外培養(yǎng)過程中，誘導(dǎo)干細(xì)胞定向分化，維持、調(diào)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(guān)鍵技術(shù),1.組織構(gòu)成 細(xì)胞的培

2、養(yǎng)2.生物 材料及構(gòu)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(xì)胞生物材料支架生長(zhǎng)因子,種子細(xì)胞,干細(xì)胞：胚胎干細(xì)胞、成體干細(xì)胞組織來源細(xì)胞自體或異體,干細(xì)胞,根據(jù)不同的分化潛能 .全能干細(xì)胞 ：自我更新和分化形成任何類型細(xì)胞的能力，有形成完整個(gè)體的潛能，如胚胎干細(xì)胞 多能干細(xì)胞 ：產(chǎn)生多種類型細(xì)胞的能力，但卻失去了發(fā)育成完整個(gè)體的能力單能干細(xì)胞 ：也稱專能干細(xì)胞、偏能干細(xì)胞，這類細(xì)胞只能向單一

3、方向分化，產(chǎn)生一種類型細(xì)胞,,按照干細(xì)胞發(fā)生的來源 胚胎干細(xì)胞 成體干細(xì)胞 間充質(zhì)干細(xì)胞造血干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞,,,,干細(xì)胞不僅能產(chǎn)生特定組織的細(xì)胞，還能產(chǎn)生一些我們?cè)炔恢赖募?xì)胞造血干細(xì)胞-----肝卵圓細(xì)胞(blood to liver)神經(jīng)干細(xì)胞-----造血祖細(xì)胞(brain to blood)間充質(zhì)干細(xì)胞-----神經(jīng)細(xì)胞(marrow to brain)為了適應(yīng)組織生長(zhǎng)和修復(fù)時(shí)增高的祖細(xì)胞的要求，某些組織

4、的干細(xì)胞可遷移到另一組織，如：肌肉修復(fù)時(shí)，間充質(zhì)干細(xì)胞從骨髓轉(zhuǎn)移到 骨骼肌,,胚胎干細(xì)胞,胚胎干細(xì)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(xì)胞囊胚含有約140個(gè)細(xì)胞外表是一層扁平細(xì)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(nèi)一側(cè)的細(xì)胞群，稱內(nèi)細(xì)胞群，這些未分化的細(xì)胞可進(jìn)一步分裂、分化，發(fā)育成個(gè)體內(nèi)細(xì)胞群在形成內(nèi)、中、外三個(gè)胚層時(shí)開始分化內(nèi)細(xì)胞群可以發(fā)育成完整的個(gè)體，具有全能性當(dāng)內(nèi)細(xì)胞

5、群在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)時(shí)，稱之為胚胎干細(xì)胞,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是從骨髓中分離的非造血干細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞的特點(diǎn)高度擴(kuò)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(zhì)干細(xì)胞在組織修補(bǔ)、造血干細(xì)胞移植、基因治療、等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,培養(yǎng)中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,造血干細(xì)胞,干細(xì)胞研究以及利用干細(xì)胞來治療疾病的干細(xì)胞生物工程已經(jīng)成為繼人類基因大規(guī)模測(cè)序完成后生命科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域之一造血干細(xì)胞作為干細(xì)胞研

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

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

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

9、經(jīng)干細(xì)胞移植，都幾乎沒有排斥反應(yīng)，大大提高了神經(jīng)干細(xì)胞的來源神經(jīng)干細(xì)胞可以在體外根據(jù)不同的需要導(dǎo)入相應(yīng)的外源基因，成為一種廣譜的細(xì)胞載體。,干細(xì)胞的研究前景－幾乎涉及了所有生命科學(xué)和生物醫(yī)藥領(lǐng)域,細(xì)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(xì)胞分化、基因表達(dá)調(diào)控等生命科學(xué)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(píng)估等多種領(lǐng)域,,心血管疾病自身免疫性疾病糖尿病骨質(zhì)疏

10、松癌癥神經(jīng)系統(tǒng)疾?。夏晷园V呆、帕金森病、脊髓損傷等嚴(yán)重?zé)齻z傳性缺陷……,干細(xì)胞治療三階段,第1階段:把1種組織的成體干細(xì)胞直接移植給相應(yīng)組織壞損的病人 　　 第2階段:在體外對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)使之“定向”分化成所需的細(xì)胞。對(duì)于某些遺傳性疾病，還可對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行基因修飾。對(duì)經(jīng)過“定向分化”或“基因修飾”后的干細(xì)胞進(jìn)行篩選后，把“合格”的細(xì)胞移植給病人。 　　 第3階段:在體外進(jìn)行“器官克隆”以供病人移植,干細(xì)胞研究 主要問

11、題和方向,從胚胎干細(xì)胞向不同組織細(xì)胞“定向分化”的條件還不清楚 干細(xì)胞研究的主要問題之一就是要弄清胚胎干細(xì)胞發(fā)育的調(diào)控機(jī)制，從而在體外培養(yǎng)擴(kuò)增胚胎干細(xì)胞如何在成體干細(xì)胞擴(kuò)增的同時(shí)，保持其自我復(fù)制的特性干細(xì)胞研究的熱點(diǎn)之一就是建立和發(fā)展分離成體干細(xì)胞的更有效的方法和手段,,探討成體干細(xì)胞橫向分化的機(jī)制是干細(xì)胞研究的另一個(gè)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(jié)構(gòu)及0功能的器官 干細(xì)胞細(xì)胞是對(duì)疾病進(jìn)行基因治療的

12、理想載體，如何根據(jù)個(gè)體基因的差別，安全地實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的基因治療 倫理法律等問題,研究前景,干細(xì)胞研究以及利用干細(xì)胞來治療疾病的干細(xì)胞生物工程已經(jīng)成為繼人類基因大規(guī)模測(cè)序完成后生命科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域之一隨著干細(xì)胞技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和完善，干細(xì)胞生物工程必將帶動(dòng)整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域，生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)以及醫(yī)院體系的發(fā)展和變更甚至可能為整個(gè)社會(huì)帶來一場(chǎng)技術(shù)革命,生物材料,有機(jī)物珊瑚、膠原、脫鈣骨基質(zhì)聚合物如聚乳酸、聚羥基乙酸無機(jī)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(yīng)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(zhì)，構(gòu)成高等動(dòng)物蛋白質(zhì)的1/3，是胞外基質(zhì)重要的結(jié)構(gòu)蛋白。殼聚糖：甲殼質(zhì)是節(jié)肢動(dòng)物角質(zhì)內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)多糖，殼聚糖是甲殼質(zhì)的部分拖乙?；a(chǎn)物，具有陽離子性質(zhì)，因此可以吸引糖胺聚糖、蛋白聚糖等帶負(fù)電荷的大分子聚集在支架內(nèi)，即利于收集組織液中的生長(zhǎng)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(jìn)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(jié)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(fù)合物,生長(zhǎng)因子,骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（FGF）轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGFs）血小板

15、衍生生長(zhǎng)因子（PDGF）神經(jīng)生長(zhǎng)因子（NGF）骨衍生生長(zhǎng)因子（BDGF）其他一些來自血細(xì)胞的衍生因子如白細(xì)胞溶菌素、腫瘤壞死因子（TNF）、淋巴細(xì)胞毒素、干擾素等也參與骨折的愈合。,組織工程具體應(yīng)用,,,骨頭? 將骨生長(zhǎng)因子或干細(xì)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(chǎn)品正處在臨床試驗(yàn)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(gè)獲得食品及藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)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(guān)節(jié)軟骨再生的產(chǎn)品已經(jīng)面市。已為一個(gè)男孩培養(yǎng)了一個(gè)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(jīng)