組織工程應(yīng)用培訓(xùn)課件

1、組織工程組織工程引子引子組織工程的概念組織工程的概念# # 將人體某局部的組織細(xì)胞種植和將人體某局部的組織細(xì)胞種植和吸附在一種生物材料的支架上進(jìn)行吸附在一種生物材料的支架上進(jìn)行人工培養(yǎng)繁殖人工培養(yǎng)繁殖, ,擴(kuò)增擴(kuò)增, ,分化，分化，# # 然后移植到人體內(nèi)所需要的部位然后移植到人體內(nèi)所需要的部位, ,從而到達(dá)器官修復(fù)或再造的治療目從而到達(dá)器官修復(fù)或再造的治療目的的一種技術(shù)的的一種技術(shù)組織工程的核心問題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)組織工

2、程的關(guān)鍵技術(shù) 1.組織構(gòu)成 細(xì)胞的培養(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)三大支柱三大支柱三大支柱三大支柱 種子細(xì)胞 生物材料支架 生長因子種子細(xì)胞種子細(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)胞干細(xì)胞根據(jù)不同的分化潛能根據(jù)不同的分化潛能 .全能干細(xì)胞全能干細(xì)胞 ：自我更新和分化形成自我更新和分化形成任何類型細(xì)胞任何類型細(xì)胞的能力，有形成完的能力，有形成完整個(gè)體的潛能，如胚胎干細(xì)胞整個(gè)體的潛能，如胚胎干細(xì)胞 多能干細(xì)胞多能干細(xì)胞 ：產(chǎn)生產(chǎn)生多種類型細(xì)胞多種類型細(xì)胞的能力，但卻失去了發(fā)育成完整個(gè)的能力，但卻失去了發(fā)育成完整個(gè)體的能力體的能力單能干細(xì)胞單能

3、干細(xì)胞 ：也稱專能干細(xì)胞、偏能干細(xì)胞，這類細(xì)胞只能向單一也稱專能干細(xì)胞、偏能干細(xì)胞，這類細(xì)胞只能向單一方向分化，產(chǎn)生方向分化，產(chǎn)生一種類型細(xì)胞一種類型細(xì)胞按照干細(xì)胞發(fā)生的來源按照干細(xì)胞發(fā)生的來源 胚胎干細(xì)胞胚胎干細(xì)胞 成體干細(xì)胞成體干細(xì)胞 間充質(zhì)干細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞 造血干細(xì)胞造血干細(xì)胞 神經(jīng)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)雀杉?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)胞不知道的細(xì)胞 造血干細(xì)胞造血干細(xì)胞-肝卵圓細(xì)胞肝卵圓細(xì)胞(blood to liver) 神經(jīng)干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞-造血祖細(xì)胞造血祖細(xì)胞(brain to blood) 間充質(zhì)干

4、細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞-神經(jīng)細(xì)胞神經(jīng)細(xì)胞(marrow to brain) 為了適應(yīng)組織生長和修復(fù)時(shí)增高的祖細(xì)胞的要求，某些組織為了適應(yīng)組織生長和修復(fù)時(shí)增高的祖細(xì)胞的要求，某些組織的干細(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)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)移到胞從骨髓轉(zhuǎn)移到 骨骼肌骨骼肌胚胎干細(xì)胞胚胎干細(xì)胞胚胎干細(xì)胞是在人胚胎發(fā)育早期胚胎干細(xì)胞是在人胚胎發(fā)育早期囊胚受精后約囊胚受精后約57天中未分天中未分化的細(xì)胞化的細(xì)胞囊胚含有約囊胚含有約140個(gè)細(xì)胞個(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。外表是一層扁平細(xì)胞，稱滋養(yǎng)層，可發(fā)育成胚胎的

5、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)胞群在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)時(shí)，稱之為胚胎干細(xì)胞當(dāng)內(nèi)細(xì)胞群在培養(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)胞骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是從骨髓中別離的非造血干細(xì)胞骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是從骨髓中別離的非造血干細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞的特點(diǎn)間充

6、質(zhì)干細(xì)胞的特點(diǎn)高度擴(kuò)增能力高度擴(kuò)增能力 多向分化能力多向分化能力 可移植性可移植性 基因治療的優(yōu)秀載體基因治療的優(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)用前景廣泛的應(yīng)用前景培養(yǎng)中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞造血干細(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)中最活潑的研究領(lǐng)域之一人類基因大規(guī)模測(cè)序完成后生命科學(xué)中最活潑的研究領(lǐng)域之一造血干細(xì)胞作為干細(xì)胞研究的典范已廣

7、泛應(yīng)用于臨床，為惡性血液病、造血干細(xì)胞作為干細(xì)胞研究的典范已廣泛應(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實(shí)體瘤、免疫性疾病提供了有效的治療手段美國華盛頓大學(xué)美國華盛頓大學(xué)ThomasThomas教授用造血干細(xì)胞移植方面的杰出成就獲得教授用造血干細(xì)胞移植方面的杰出成就獲得19901990年諾貝爾獎(jiǎng)年諾貝爾獎(jiǎng)神經(jīng)干細(xì)胞神經(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從成年鼠海馬別離出神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cell,

8、NSC),又在前腦室旁區(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)特征以及別離、純化和擴(kuò)增的條件；進(jìn)一步研究神經(jīng)干細(xì)胞生物學(xué)特征以及別離、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；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)充因疾病和損傷所喪失的神經(jīng)細(xì)胞；化以補(bǔ)充因

9、疾病和損傷所喪失的神經(jīng)細(xì)胞；人類神經(jīng)干細(xì)胞是否也可向其它胚層的細(xì)胞轉(zhuǎn)化等等人類神經(jīng)干細(xì)胞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)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)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

10、使是將因轉(zhuǎn)入原癌基因而永生化的神經(jīng)干細(xì)胞植入腦后也未長出腫瘤轉(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)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經(jīng)干細(xì)胞移植，都入，因此不同個(gè)體之間，甚至是不同物種之間的神經(jīng)干細(xì)胞移植，都幾乎沒有排斥反響，大大提高了神經(jīng)干細(xì)胞的來源幾乎沒有排斥反響，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。種廣譜的細(xì)胞載體。干細(xì)胞的研究

11、前景干細(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)胞治療細(xì)胞治療組織器官移植組織器官移植組織工程組織工程基因治療基因治療新基因開掘與基因功能分析新基因開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)域心血管疾病心血管疾病自身免疫性疾病自身免疫性疾病糖尿病糖尿病骨質(zhì)疏松骨質(zhì)疏松癌癥癌癥神經(jīng)系統(tǒng)疾病神經(jīng)系統(tǒng)疾病老年性癡呆、帕金森病、脊髓損傷等老年

12、性癡呆、帕金森病、脊髓損傷等嚴(yán)重?zé)齻麌?yán)重?zé)齻z傳性缺陷遺傳性缺陷干細(xì)胞治療三階段干細(xì)胞治療三階段第第1階段階段:把把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 第第2階段階段:在體外對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)使之在體外對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)使之“定向分化成所需的細(xì)胞。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“定向分定向分化或化或“基因修飾后的干細(xì)胞進(jìn)行篩選后，把基因修飾后的干細(xì)胞進(jìn)行篩選后，把“合格的細(xì)胞移植合格的細(xì)胞移植給病人。給病人。 第第3階段階段:在體外進(jìn)行在體外進(jìn)

13、行“器官克隆以供病人移植器官克隆以供病人移植干細(xì)胞研究干細(xì)胞研究 主要問題和方向主要問題和方向從胚胎干細(xì)胞向不同組織細(xì)胞從胚胎干細(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，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)之一就是建立和開展別離成體干細(xì)胞的更有效的方干細(xì)胞研究的熱點(diǎn)之一就是建立和開展別離成體干細(xì)胞的更有效的方法和手段法和手

14、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)及怎樣在體外形成具有空間結(jié)構(gòu)及0 0功能的器官功能的器官 干細(xì)胞細(xì)胞是對(duì)疾病進(jìn)行基因治療的理想載體，如何根據(jù)個(gè)體基因的干細(xì)胞細(xì)胞是對(duì)疾病進(jìn)行基因治療的理想載體，如何根據(jù)個(gè)體基因的差異，平安地實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的基因治療差異，平安地實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的基因治療 倫理法律等問題倫理法律等問題 研究前景研究前景干細(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

15、繼人類基因大規(guī)模測(cè)序完成后生命科學(xué)中最活潑的研究領(lǐng)域之一人類基因大規(guī)模測(cè)序完成后生命科學(xué)中最活潑的研究領(lǐng)域之一隨著干細(xì)胞技術(shù)進(jìn)一步開展和完善，干細(xì)胞生物工程必將帶動(dòng)整個(gè)生隨著干細(xì)胞技術(shù)進(jìn)一步開展和完善，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)院體系的開展和變更命科學(xué)領(lǐng)域，生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)以及醫(yī)院體系的開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)炎癥反響等生物材料支

16、架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)的高等動(dòng)物蛋白質(zhì)的1/31/3，是胞外基質(zhì)重要的結(jié)構(gòu)蛋白。，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)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)的局部拖乙?；a(chǎn)物，具有陽離子性質(zhì)，因此可以吸引糖胺聚糖、蛋的局部拖乙?；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因子

17、。長因子。海藻酸鹽：是存在于褐藻的陰離子線性多糖，具有親水性，生物相容海藻酸鹽：是存在于褐藻的陰離子線性多糖，具有親水性，生物相容性好。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。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。有生物兼容性。電鏡下納米電鏡下納米PLGA/HA復(fù)合物復(fù)合物生長因子生長因子 骨形態(tài)

18、發(fā)生蛋白BMP 血管內(nèi)皮生長因子VEGF 成纖維細(xì)胞生長因子FGF 轉(zhuǎn)化生長因子-TGF- 胰島素樣生長因子IGFs 血小板衍生生長因子PDGF 神經(jīng)生長因子NGF 骨衍生生長因子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)用組織工程具體應(yīng)用 骨頭 將骨生長因子或干細(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, Sulzer Orthopedics, Biologics, Genetics Institute, Osiris Therapeutics, Regeneron。皮膚皮膚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：Or