血管組織工程PPT課件

1、 目錄 1 緒論 2 支架材料 3 種子細(xì)胞 4 生長(zhǎng)因子的引入 5 生物反應(yīng)器 6 展望第1頁(yè)/共47頁(yè) 1、緒論u 組織工程學(xué)（tissue engineering）是一門(mén)工程學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合的邊緣科學(xué)，是在體外構(gòu)建具有生物活性的生物替代物，用于替代、修復(fù)或改善人體各種組織器官形態(tài)和功能。u 基本原理： 種子細(xì)胞 生物反應(yīng)器 細(xì)胞-生物材料復(fù)合物 植入人體 支架材料 第2頁(yè)/共47頁(yè) u 組織工程化血管是利用組織工程學(xué)方法，用血管種子細(xì)胞(內(nèi)皮細(xì)胞，平滑肌細(xì)胞)與相關(guān)細(xì)胞外基質(zhì)(支架材料)復(fù)合，以構(gòu)建從形態(tài)到功能都接近活體血管的組織工程化血管。 第3頁(yè)/共47頁(yè) 組織工程血管應(yīng)具備以下條

2、件：u 具有或模擬體內(nèi)血管壁三層結(jié)構(gòu)u 具有生物相容性，不易產(chǎn)生血栓，不易發(fā)生免疫排斥反應(yīng)u 具有生物學(xué)特性，如對(duì)藥物刺激有收縮性u(píng) 具有血管的力學(xué)特性，即有粘彈性并能承受一定的壓力第4頁(yè)/共47頁(yè)u 1986年，Weinberg CBWeinberg CB等最早應(yīng)用自體來(lái)源的平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、等最早應(yīng)用自體來(lái)源的平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)建了復(fù)合的組織工程化血管，但血管強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足回植要求內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)建了復(fù)合的組織工程化血管，但血管強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足回植要求uL heureux等人在 vitamin C存在條件下, 通過(guò)培養(yǎng)間充質(zhì)細(xì)胞(平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞)提高了移植物的機(jī)械強(qiáng)度,

3、構(gòu)建了一個(gè)具有類(lèi)似生理血管的脫細(xì)胞基質(zhì)(脫細(xì)胞基質(zhì)是成人皮膚的脫水產(chǎn)物)。第5頁(yè)/共47頁(yè)uNikalson等在血流條件下在聚合物管道上構(gòu)建血管uNiklason 等注意到在類(lèi)似活體內(nèi)或者能夠經(jīng)歷自然形成階段等外環(huán)境條件下能夠更好的形成血管移植物第6頁(yè)/共47頁(yè) Hemothes膨體聚四氟乙烯人工血管 第7頁(yè)/共47頁(yè)第8頁(yè)/共47頁(yè) 2、支架材料 天然材料 支架材料 人工合成材料 復(fù)合材料第9頁(yè)/共47頁(yè) 2.1 天然材料u 天然生物降解材料是指來(lái)源于動(dòng)植物或人體內(nèi)天然存在的可生物降解的大分子。u 應(yīng)用于組織工程血管研究的天然生物材料包括甲殼素、葡聚糖明膠、膠原蛋白、彈性蛋白、多聚氨基酸、多

4、肽、透明質(zhì)酸及其復(fù)合物、某些組織的脫細(xì)胞基質(zhì)等。第10頁(yè)/共47頁(yè) 優(yōu)點(diǎn) u本身包含許多生物信息，能夠提供細(xì)胞所需的信號(hào)u與細(xì)胞親和性強(qiáng)，能為細(xì)胞提供近似體內(nèi)的發(fā)生發(fā)育的細(xì)胞外基質(zhì)支架條件，能使細(xì)胞聚集成組織，控制組織結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)細(xì)胞表型u極低的免疫排斥反應(yīng)，良好的順應(yīng)性 第11頁(yè)/共47頁(yè)u現(xiàn)在應(yīng)用較多的脫細(xì)胞血管基質(zhì)材料均富含膠原，保持著膠原纖維、彈性蛋白等結(jié)構(gòu)蛋白的構(gòu)象和原有的排列分布，力學(xué)性能及強(qiáng)度與脫細(xì)胞前相似。u膠原支架用碳膠原支架用碳- -二酰亞氨交聯(lián)后，抗降解能力增強(qiáng)。種植成纖維細(xì)胞時(shí)細(xì)胞黏附、二酰亞氨交聯(lián)后，抗降解能力增強(qiáng)。種植成纖維細(xì)胞時(shí)細(xì)胞黏附、增殖能力強(qiáng)。增殖能力強(qiáng)。第1

5、2頁(yè)/共47頁(yè) 脫細(xì)胞基質(zhì)支架材料脫細(xì)胞基質(zhì)支架材料 u 動(dòng)物體內(nèi)多種纖維組織（心包膜、筋膜等）動(dòng)物體內(nèi)多種纖維組織（心包膜、筋膜等）u 內(nèi)臟平滑肌器官內(nèi)臟平滑肌器官 u 小腸黏膜下層小腸黏膜下層( (small intestinal small intestinal submucosa,SISsubmucosa,SIS) )第13頁(yè)/共47頁(yè)第14頁(yè)/共47頁(yè) 2.2 人工合成高分子生物材料 優(yōu)點(diǎn) u可預(yù)先設(shè)計(jì)和調(diào)控，降解完全，可避免異物刺激所引起的不良反應(yīng)可預(yù)先設(shè)計(jì)和調(diào)控，降解完全，可避免異物刺激所引起的不良反應(yīng)u生產(chǎn)重復(fù)性好，可大批量生產(chǎn)生產(chǎn)重復(fù)性好，可大批量生產(chǎn) 第15頁(yè)/共47頁(yè) 缺

6、點(diǎn)u缺乏生物信號(hào)和功能基團(tuán)，與種子細(xì)胞的黏附性較差缺乏生物信號(hào)和功能基團(tuán)，與種子細(xì)胞的黏附性較差 u在材料降解過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，對(duì)局部會(huì)產(chǎn)生一定的影響在材料降解過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，對(duì)局部會(huì)產(chǎn)生一定的影響第16頁(yè)/共47頁(yè) u血管組織工程應(yīng)用的人工合成可降解材料有聚羥基乙酸血管組織工程應(yīng)用的人工合成可降解材料有聚羥基乙酸(PGA),(PGA),聚乳酸聚乳酸(PLA),(PLA),聚聚L-L-乳酸乳酸(PLLA)(PLLA)及上述材料的共聚物及上述材料的共聚物(PLGA),(PLGA),聚羥基烷酸酯聚羥基烷酸酯(PHA)(PHA)、聚、聚-4-4-羥基丁羥基丁酸酸(P4HB) (

7、P4HB) 等。其中作為血管支架材料應(yīng)用最多的是等。其中作為血管支架材料應(yīng)用最多的是PGAPGA和和PLGAPLGA。第17頁(yè)/共47頁(yè) uPGAPGA的吸收和代謝機(jī)制已經(jīng)明確并具有可靠的生物安全性，但的吸收和代謝機(jī)制已經(jīng)明確并具有可靠的生物安全性，但PGAPGA降解速度過(guò)降解速度過(guò)快快 u最典型的共聚物是羥基乙酸最典型的共聚物是羥基乙酸(GA)(GA)和乳酸和乳酸(LA)(LA)形成的無(wú)規(guī)則共聚物形成的無(wú)規(guī)則共聚物- -聚乳酸聚聚乳酸聚羥基乙酸羥基乙酸(PLGA)(PLGA)。PLGAPLGA共聚物的降解速度可根據(jù)需要通過(guò)調(diào)整兩種單體的比共聚物的降解速度可根據(jù)需要通過(guò)調(diào)整兩種單體的比例來(lái)加以

8、控制。例來(lái)加以控制。第18頁(yè)/共47頁(yè)P(yáng)GA血管支架（膠原包埋）第19頁(yè)/共47頁(yè)u 聚乳酸聚乳酸(PLA)(PLA) 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)毒害作用優(yōu)點(diǎn)：無(wú)毒害作用 缺點(diǎn)：缺乏良好細(xì)胞親和性能缺點(diǎn)：缺乏良好細(xì)胞親和性能u 聚聚 - -己內(nèi)酯己內(nèi)酯(PCL)(PCL) 具有良好的親水性具有良好的親水性第20頁(yè)/共47頁(yè) 2.3 復(fù)合材料u人工合成材料的優(yōu)點(diǎn)是它們的強(qiáng)度、降解速人工合成材料的優(yōu)點(diǎn)是它們的強(qiáng)度、降解速度、微結(jié)構(gòu)和滲透性均可在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行控度、微結(jié)構(gòu)和滲透性均可在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行控制制u天然材料的優(yōu)點(diǎn)則在于包含有生物信息天然材料的優(yōu)點(diǎn)則在于包含有生物信息( (如特如特殊的氨基酸序列殊的氨基酸序列)

9、 )，可促進(jìn)細(xì)胞吸附或使細(xì)胞，可促進(jìn)細(xì)胞吸附或使細(xì)胞保留分化功能保留分化功能u通過(guò)合成材料與天然可降解高分子材料復(fù)合，通過(guò)合成材料與天然可降解高分子材料復(fù)合，可以在保持支架材料的力學(xué)強(qiáng)度及降解行為不可以在保持支架材料的力學(xué)強(qiáng)度及降解行為不變的前提下，獲得具有生物活性的表面變的前提下，獲得具有生物活性的表面第21頁(yè)/共47頁(yè) 3 種子細(xì)胞 正常的血管壁有內(nèi)膜、中膜、外膜構(gòu)成。 內(nèi)皮細(xì)胞（單層） 內(nèi)膜 內(nèi)皮下層 平滑肌細(xì)胞（多層環(huán)形排列） 中膜 細(xì)胞外基質(zhì) 外層 疏松結(jié)締組織 第22頁(yè)/共47頁(yè) u 內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞是血管的重要組成成分，因此是組織工程化血管種子細(xì)胞的主要研究?jī)?nèi)容u目前用于構(gòu)建

10、組織工程血管的種子細(xì)胞主要分自體血管壁細(xì)胞和干細(xì)胞兩大類(lèi)目前用于構(gòu)建組織工程血管的種子細(xì)胞主要分自體血管壁細(xì)胞和干細(xì)胞兩大類(lèi)第23頁(yè)/共47頁(yè)3.1 自體血管壁細(xì)胞 3.1.1 靜脈內(nèi)皮細(xì)胞u從體內(nèi)非必須血管或者人臍靜脈內(nèi)皮，一般采用從體內(nèi)非必須血管或者人臍靜脈內(nèi)皮，一般采用酶消化法酶消化法u靜脈內(nèi)皮獲取的方法已經(jīng)成熟，但是在體外培養(yǎng)中容易老化，表型和功能容易靜脈內(nèi)皮獲取的方法已經(jīng)成熟，但是在體外培養(yǎng)中容易老化，表型和功能容易丟失，細(xì)胞增殖能力和活性等因人而異，而且，體外培養(yǎng)擴(kuò)增的時(shí)間較長(zhǎng)，難丟失，細(xì)胞增殖能力和活性等因人而異，而且，體外培養(yǎng)擴(kuò)增的時(shí)間較長(zhǎng)，難以達(dá)到血管構(gòu)建種子細(xì)胞的要求以達(dá)到

11、血管構(gòu)建種子細(xì)胞的要求第24頁(yè)/共47頁(yè) 3.1.2 血管平滑肌細(xì)胞 u 取材時(shí)損傷較大取材時(shí)損傷較大u 傷口容易感染傷口容易感染u 獲得的細(xì)胞在體外培養(yǎng)下容易喪失平滑肌獲得的細(xì)胞在體外培養(yǎng)下容易喪失平滑肌 細(xì)胞表型細(xì)胞表型u容易衰老容易衰老第25頁(yè)/共47頁(yè)3.2 干細(xì)胞（Stem cells）u 干細(xì)胞具有能自我復(fù)制、多向分化的潛能，且增殖能力強(qiáng)，具有穩(wěn)定傳代的功干細(xì)胞具有能自我復(fù)制、多向分化的潛能，且增殖能力強(qiáng)，具有穩(wěn)定傳代的功能。因此成為理想的組織工程種子細(xì)胞。能。因此成為理想的組織工程種子細(xì)胞。 胚胎干細(xì)胞胚胎干細(xì)胞u干細(xì)胞干細(xì)胞 內(nèi)皮祖細(xì)胞內(nèi)皮祖細(xì)胞 成體干細(xì)胞成體干細(xì)胞 骨髓間充

12、質(zhì)干細(xì)胞骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞第26頁(yè)/共47頁(yè)第27頁(yè)/共47頁(yè)3.2.1 胚胎干細(xì)胞（Embryo stem cells,ESCs）u 胚胎干細(xì)胞存在于哺乳動(dòng)物發(fā)育的早期，是指由胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞胚胎干細(xì)胞存在于哺乳動(dòng)物發(fā)育的早期，是指由胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞經(jīng)體外抑制培養(yǎng)而篩選出的細(xì)胞經(jīng)體外抑制培養(yǎng)而篩選出的細(xì)胞u具有具有“發(fā)育全能性發(fā)育全能性”，還具有持續(xù)增殖而不分化的能力，還具有持續(xù)增殖而不分化的能力 第28頁(yè)/共47頁(yè)3.2.2 成體干細(xì)胞u成體干細(xì)胞按照其來(lái)源和分化方向的不同可以分為造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干成體干細(xì)胞按照其來(lái)源和分化方向的不同可以分為造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干

13、細(xì)胞、內(nèi)皮祖細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、表皮干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞等，適用于組織工細(xì)胞、內(nèi)皮祖細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、表皮干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞等，適用于組織工程血管構(gòu)建的有程血管構(gòu)建的有內(nèi)皮祖細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞內(nèi)皮祖細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 u自體移植的成體干細(xì)胞可以避免免疫排斥的問(wèn)題，分離使用成體干細(xì)胞不存在自體移植的成體干細(xì)胞可以避免免疫排斥的問(wèn)題，分離使用成體干細(xì)胞不存在倫理社會(huì)問(wèn)題倫理社會(huì)問(wèn)題第29頁(yè)/共47頁(yè)3.2.2.1 內(nèi)皮祖細(xì)胞內(nèi)皮祖細(xì)胞( (EPCsEPCs，endothelial progenitor cellsendothelial progenitor cells）uEPCs是一群是一群C

14、D34+的細(xì)胞，最早由的細(xì)胞，最早由Asahara等從人外周血中分離得到，在體等從人外周血中分離得到，在體外可以誘導(dǎo)分化為內(nèi)皮細(xì)胞，參與了新生血管的形成。外可以誘導(dǎo)分化為內(nèi)皮細(xì)胞，參與了新生血管的形成。EPCs具有和造血干細(xì)胞具有和造血干細(xì)胞一些共表達(dá)的標(biāo)志，如一些共表達(dá)的標(biāo)志，如:flk-1，Tie-2等，認(rèn)為二者都源自成血管祖細(xì)胞。等，認(rèn)為二者都源自成血管祖細(xì)胞。第30頁(yè)/共47頁(yè)u優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：EPCs具有容易獲得和很強(qiáng)的增殖能力具有容易獲得和很強(qiáng)的增殖能力u缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1.體外擴(kuò)增培養(yǎng)時(shí)間較長(zhǎng)體外擴(kuò)增培養(yǎng)時(shí)間較長(zhǎng) 2.關(guān)于關(guān)于EPCs本身的特殊標(biāo)志，來(lái)源較少本身的特殊標(biāo)志，來(lái)源較少“不

15、穩(wěn)定不穩(wěn)定”，有效的分離聚集，有效的分離聚集辦法等都還在摸索階段，而且在一些特定的病理?xiàng)l件下辦法等都還在摸索階段，而且在一些特定的病理?xiàng)l件下“其表型會(huì)發(fā)生改變其表型會(huì)發(fā)生改變”， 3.生物學(xué)活性下降生物學(xué)活性下降第31頁(yè)/共47頁(yè)光鏡下的細(xì)胞學(xué)形態(tài)A :剛分離的單個(gè)核細(xì)胞,細(xì)胞呈小圓( 40) ;B :培養(yǎng)4 d后的內(nèi)皮祖細(xì)胞細(xì)胞變大、 透亮度增強(qiáng)、 出現(xiàn)梭形細(xì)胞( 40) ;C:培養(yǎng)7 d后的內(nèi)皮祖細(xì)胞細(xì)胞數(shù)量增多,有較多的小桿形細(xì)胞和梭形細(xì)胞( 40) ;D :培養(yǎng) 7 d 后的細(xì)胞團(tuán)呈集落樣生長(zhǎng)( 10) -方葉青.外周血內(nèi)皮祖細(xì)胞分離和培養(yǎng)的試驗(yàn)研究 第32頁(yè)/共47頁(yè) 3.2.2.2

16、 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs,bone marrow mesenchymal stem cells）u間充質(zhì)細(xì)胞間充質(zhì)細(xì)胞(MSC)(MSC)最初是由最初是由Friedenstein發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)易貼附于塑料培養(yǎng)板表面的細(xì)胞。在機(jī)體的一類(lèi)易貼附于塑料培養(yǎng)板表面的細(xì)胞。在機(jī)體內(nèi)內(nèi)MSCMSC存在于許多組織中，尤以骨髓中最多，簡(jiǎn)存在于許多組織中，尤以骨髓中最多，簡(jiǎn)單的骨髓穿刺即可獲得，不存在組織配型及免疫單的骨髓穿刺即可獲得，不存在組織配型及免疫排斥問(wèn)題，理論上能分化為所有的間充質(zhì)組織類(lèi)排斥問(wèn)題，理論上能分化為所有的間充質(zhì)組織類(lèi)型，如型，如: :軟骨、脂肪、肌肉及肌健等。軟骨、脂肪、肌肉及肌健等

17、。 第33頁(yè)/共47頁(yè)u 有研究表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體外能夠分化為血管平滑肌細(xì)胞。有文有研究表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體外能夠分化為血管平滑肌細(xì)胞。有文獻(xiàn)報(bào)道，在血管損傷修復(fù)的過(guò)程中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞參與了血管平滑肌獻(xiàn)報(bào)道，在血管損傷修復(fù)的過(guò)程中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞參與了血管平滑肌層的重建過(guò)程。這些為層的重建過(guò)程。這些為BMSCsBMSCs誘導(dǎo)分化為血管平滑肌細(xì)胞提供了依據(jù)，為組誘導(dǎo)分化為血管平滑肌細(xì)胞提供了依據(jù)，為組織工程血管平滑肌種子細(xì)胞提供了選擇的可能?？椆こ萄芷交》N子細(xì)胞提供了選擇的可能。第34頁(yè)/共47頁(yè)4 生長(zhǎng)因子的引入u 動(dòng)物體中存在著大量對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、代謝、凋亡進(jìn)行調(diào)

18、控的生長(zhǎng)因子動(dòng)物體中存在著大量對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、代謝、凋亡進(jìn)行調(diào)控的生長(zhǎng)因子( (growth factor) )，這些因子對(duì)于組織器官正常功能的維持起著至關(guān)重要的作，這些因子對(duì)于組織器官正常功能的維持起著至關(guān)重要的作用用u常用的生長(zhǎng)因子有成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子常用的生長(zhǎng)因子有成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-)、胰島素、胰島素樣生長(zhǎng)因子樣生長(zhǎng)因子(IGF)、血小板衍化生長(zhǎng)因子、血小板衍化生長(zhǎng)因子(PDGF)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等。等。第35頁(yè)/共47頁(yè)第36頁(yè)/共47頁(yè) 在人工合成的高分子和大部分天然高分子材料中，缺乏這些生長(zhǎng)因子或者在人工

19、合成的高分子和大部分天然高分子材料中，缺乏這些生長(zhǎng)因子或者這些生長(zhǎng)因子大部分在材料制備過(guò)程中遭到了破壞。因此，將生長(zhǎng)因子負(fù)載到這些生長(zhǎng)因子大部分在材料制備過(guò)程中遭到了破壞。因此，將生長(zhǎng)因子負(fù)載到組織工程支架上，也是越來(lái)越被關(guān)注的問(wèn)題。組織工程支架上，也是越來(lái)越被關(guān)注的問(wèn)題。第37頁(yè)/共47頁(yè) u在材料中引人生長(zhǎng)因子、黏附因子等，可以對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、增殖起到促進(jìn)在材料中引人生長(zhǎng)因子、黏附因子等，可以對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、增殖起到促進(jìn)作用作用 u在此基礎(chǔ)上，可以將表達(dá)生長(zhǎng)因子的基因片斷負(fù)載到支架上進(jìn)行基因治療在此基礎(chǔ)上，可以將表達(dá)生長(zhǎng)因子的基因片斷負(fù)載到支架上進(jìn)行基因治療 第38頁(yè)/共47頁(yè)5 生物反應(yīng)器u 生物反應(yīng)器是指對(duì)微生物/動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境和運(yùn)行參數(shù)（如：PH值、溫度、壓力、營(yíng)養(yǎng)的供給和廢物的移出）進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控的一種裝置。 第39頁(yè)/共47頁(yè) 類(lèi)型u攪拌式生物反應(yīng)器 u旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器u中空纖維生物反應(yīng)器 u灌流式生物反應(yīng)器第40頁(yè)/共47頁(yè) 血管生物