細胞工程干細胞與組織工程

第7章

干細胞與組織工程當(dāng)前1頁，總共98頁。7.2成體干細胞當(dāng)前2頁，總共98頁。

成體干細胞概念：

成體干細胞是在成體組織內(nèi)具有自我更新能力并能分化產(chǎn)生一種或一種以上子代組織細胞的未成熟細胞。當(dāng)前3頁，總共98頁。成體干細胞當(dāng)前4頁，總共98頁。成體干細胞的特點數(shù)量少，難以識別、分離純化體外培養(yǎng)時不能長時間增殖具有可塑性（神經(jīng)干細胞—造血干細胞）在完全分化前經(jīng)歷一個中間類型即祖細胞階段當(dāng)前5頁，總共98頁。成體干細胞種類造血干細胞間充質(zhì)干細胞精原干細胞神經(jīng)干細胞表皮干細胞腸干細胞肝干細胞當(dāng)前6頁，總共98頁。造血干細胞???

(hematopoieticstemcells，HSCs)

[hem?t?up?i'etik]

造血干細胞是從血液、骨髓、臍帶血來源一群原始造血細胞，能自我更新、能分化成一些具有組織特化的細胞、能從骨髓中游離出來進入血液循環(huán)、能發(fā)生程序性死亡的細胞。當(dāng)前7頁，總共98頁。骨髓為造血干細胞的主要來源

人體大部分骨頭的中央部門有骨腔，骨腔內(nèi)所含的物質(zhì)即骨髓。骨髓中有一種能起著造血功能的細胞就叫造血干細胞。

當(dāng)前8頁，總共98頁。造血干細胞當(dāng)前9頁，總共98頁。造血干細胞是最早發(fā)現(xiàn)，研究最多和最先用于治療疾病的成體干細胞。造血干細胞移植是從上世紀60年代逐漸發(fā)展起來的一種醫(yī)療技術(shù)，由于最初是通過抽取供體骨髓而獲得造血干細胞,所以又稱為骨髓移植。近10年來，由于科學(xué)的進步，人們已可通過一些藥物將骨髓中的造血干細胞動員到外周血中，通過血細胞分離機分取造血干細胞，稱為外周血干細胞移植。造血干細胞當(dāng)前10頁，總共98頁。骨髓移植技術(shù)使眾多白細胞患者得到救治，使急性白血病患者的長期生存率提高到50%-70%。為發(fā)展此項技術(shù)做出了重要貢獻的美國醫(yī)學(xué)家托馬斯因而獲得了1990年度的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。1976年托馬斯報道100例晚期白血病病人經(jīng)HLA相合同胞的骨髓移植后，13例奇跡般長期生存。從此全世界應(yīng)用骨髓移植治療白血病，再生障礙性貧血及其他嚴重血液病，嚴重血液功能缺陷病，急性放射病，部分惡性腫瘤等方面取得巨大成功，開創(chuàng)臨床治療白血病及惡性腫瘤的新紀元。骨髓移植當(dāng)前11頁，總共98頁。中國骨髓移植在中國骨髓移植奠基人陸道培院士于1964年在亞洲首先成功開展了異體(同基因)骨髓移植，

又于1981年首先在國內(nèi)持久植活異基因骨髓移植。目前異基因干細胞移植數(shù)一直占我國的半數(shù)以上，長期存活率已達75％，居國際先進水平。

當(dāng)前12頁，總共98頁。北京某醫(yī)院完成異基因造血干細胞移植病例數(shù)

當(dāng)前13頁，總共98頁。三個部位生產(chǎn)/存儲造血干細胞大部分在骨髓里，即骨髓造血干細胞。在外周血液中，也就是在血管里面有少量的造血干細胞。在臍帶里有豐富的造血干細胞。

當(dāng)前14頁，總共98頁。

造血干細胞的來源骨髓；1/400外周血；1/100000臍帶血；1/10000當(dāng)前15頁，總共98頁。造血干細胞移植

(hematopoieticstemcelltrans-plantation,HSCT)是給予患者進行大劑量放化療或其他免疫抑制劑等預(yù)處理，清除患者體內(nèi)的腫瘤細胞、惡性克隆細胞或異常造血干細胞，然后移植正常的異體或自體造血干細胞，重建正常的造血和免疫功能，從而達到治療的目的。

當(dāng)前16頁，總共98頁。造血干細胞自體移植當(dāng)前17頁，總共98頁。異體移植當(dāng)前18頁，總共98頁。造血干細胞移植能治療哪些疾病?

利用造血干細胞移植治療的疾病很多?？芍委熌[瘤性疾病，如:白血病,某些惡性實體瘤等,以及非腫瘤性疾病，如:再生障礙性貧血,重癥免疫缺陷病,急性放射病，地中海貧血等。目前，對造血干細胞的研究又有一些新突破，如對重癥天皰瘡嚴重并發(fā)癥(雙側(cè)股骨頭無菌性壞死)以及重癥肌無力等疾病的患者治療。當(dāng)前19頁，總共98頁。什么是HLA,它在造血干細胞移植中的作用是什么?HLA即人類白細胞抗原，存在于人體的各種有核細胞表面。它是人體生物學(xué)”身份證”，由父母遺傳,能識別”自己”和非已”，從而保持個體完整性。因而HLA在造血干細胞移植的成敗中起著重要作用，造血干細胞移植要求捐獻者和接受移植者HLA配型。當(dāng)前20頁，總共98頁。兄弟姐妹的HLA相合率是多少?非血緣關(guān)系的捐獻者中與患者的HLA相合率是多少?

同卵(同基因)雙生兄弟姐妹為100%，非同卵(異基因)雙生或親生兄弟姐妹是1/4。人類非血緣關(guān)系的HLA型別中，相合幾率是四百分之一到萬分之一，在較為罕見的HLA型別中，相合幾率只有幾十萬分之一。由于獨生子女家庭的普遍性,高相合率人群減少，今后移植主要在非血緣關(guān)系供者中尋找相合者。

當(dāng)前21頁，總共98頁。為什么要建立中國造血干細胞捐獻者資料庫?我國需要造血干細胞移植的患者有數(shù)百萬人，僅白血病患者每年就新增4萬人以上，要成功地進行造血干細胞移植治療，捐獻者與患者之間的HLA型別要相合。如果不合,移植后就會產(chǎn)生嚴重的移植物抗宿主反應(yīng)，甚至危及患者生命。因此，必須建立中國人的造血干細胞捐獻者資料庫，并且是參加的志愿者越多，庫容量越大，患者找到相合捐獻者的機會就越多，生機就越大。當(dāng)前22頁，總共98頁。現(xiàn)代造血干細胞移植采用哪種方法采集造血干細胞?采用從外周血中采集造血干細胞。用科學(xué)方法將骨髓中的造血干細胞大量動員到外周血中，從捐獻者手臂靜脈處采集全血，通過血細胞分離機提取造血干細胞，同時，將其它血液成份回輸捐獻者體內(nèi)。由于整個采集過程是一個封閉和符合醫(yī)療安全要求的環(huán)境中進行，因此是極為安全的。當(dāng)前23頁，總共98頁。造血干細胞的移植步驟移植前處理

超大劑量的放療、化療盡量消滅腫瘤細胞，同時抑制患者的免疫系統(tǒng)，使供體者的造血干細胞可以順利植入。2.

采集供體者的造血干細胞（骨髓、外周血、臍帶血），并與受體進行HLA配型；3.

將造血干細胞輸入到受體者體內(nèi)，造血干細胞會自動定居到脊髓。當(dāng)前24頁，總共98頁。當(dāng)前25頁，總共98頁。當(dāng)前26頁，總共98頁。臍血干細胞當(dāng)前27頁，總共98頁。臍血干細胞

cordbloodstemcells

在臨床治療中，造血干細胞應(yīng)用較早，在20世紀五十年代，臨床上就開始應(yīng)用骨髓移植方法來治療血液系統(tǒng)疾病。臍血干細胞移植的長處在于無來源的限制，對HLA配型要求不高，不易受病毒或腫瘤的污染。

當(dāng)前28頁，總共98頁。眾多實驗表明，人臍帶血中含有大量早期造血干細胞。體外培養(yǎng)中，其增殖能力及生存時間均優(yōu)于骨髓造血細胞，臍血中淋巴細胞亦有與成人外周血不同的生物學(xué)特征，主要表現(xiàn)為發(fā)育上更原始，抗原表達及增殖性應(yīng)簽反應(yīng)較弱迄今，均臍血干細胞移植已廣泛應(yīng)用于多種惡性和非惡性疾病的治療，結(jié)果令人鼓舞。目前，許多國家都在積極著手建立臍血庫。

臍血干細胞當(dāng)前29頁，總共98頁。臍血干細胞的收集當(dāng)前30頁，總共98頁。臍血干細胞的收集當(dāng)前31頁，總共98頁。臍血干細胞臍帶血造血干細胞臍帶間充質(zhì)干細胞

當(dāng)前32頁，總共98頁。間充質(zhì)干細胞

（MesenchymalStemCell，MSC）是干細胞的一種，因能分化為間質(zhì)組織而得名，具有亞全能分化潛能，在特定的體內(nèi)外環(huán)境下，能夠誘導(dǎo)分化成為多種組織細胞。間充質(zhì)干細胞具有干細胞的共性，即自我更新、多向分化和歸巢的能力。[mes'e?kim?l]當(dāng)前33頁，總共98頁。間充質(zhì)干細胞的特性具有強大的增殖能力和多向分化潛能，在適宜的體內(nèi)或體外環(huán)境下不僅可分化為造血支持細胞，還具有分化為肌細胞、肝細胞、成骨細胞、軟骨細胞、基質(zhì)細胞等多種細胞的能力。具有免疫調(diào)節(jié)功能，通過細胞間的相互作用及產(chǎn)生細胞因子抑制T細胞的增殖及其免疫反應(yīng)，從而發(fā)揮免疫重建的功能。具有來源方便，易于分離、培養(yǎng)、擴增和純化，多次傳代擴增后仍具有干細胞特性，不存在免疫排斥的特性。當(dāng)前34頁，總共98頁。臍帶間充質(zhì)干細胞的可塑性

當(dāng)前35頁，總共98頁。協(xié)和華東干細胞基因工程有限公司

當(dāng)前36頁，總共98頁。自體儲存臍帶血干細胞

當(dāng)前37頁，總共98頁。臍帶間充質(zhì)干細胞的優(yōu)勢

取材方便，不存在任何身體痛苦數(shù)量豐富，每根臍帶都含有大量的間充質(zhì)細胞移植不存在異體排斥問題具有廣泛的應(yīng)用范圍，可以向多種細胞類型分化，如中風(fēng)、帕金森氏癥等重大疾病可支持造血干細胞移植成活，并能降低移植物抗宿主病風(fēng)險當(dāng)前38頁，總共98頁。間充質(zhì)干細胞的應(yīng)用中風(fēng)、帕金森氏癥、老年癡呆癥、過敏體質(zhì)、脊髓損傷、肝病、心臟病、皮膚移植等。隨著間充質(zhì)干細胞研究的不斷深入以及干細胞工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的持續(xù)發(fā)展，間充質(zhì)干細胞的應(yīng)用領(lǐng)域還將會逐漸擴大，應(yīng)用價值也將會逐步提高。因此，保存臍帶間充質(zhì)干細胞是為保障未來健康未雨綢繆的最好手段。

當(dāng)前39頁，總共98頁。間充質(zhì)干細胞體外培養(yǎng)當(dāng)前40頁，總共98頁。臍帶源間充質(zhì)干細胞臍帶源間充質(zhì)干細胞量豐富、增殖潛能高、免疫原性低、支持造血功能強，并且取材方便，其采集對母親和胎兒沒有任何不良影響。把臍帶中的間充質(zhì)干細胞儲存下來，還可變廢為寶，能為將來的臨床應(yīng)用提供快速可靠的來源，且自身使用沒有組織配型的問題，供他人使用時產(chǎn)生嚴重免疫排斥反應(yīng)的可能性較低，適用人群廣泛。

當(dāng)前41頁，總共98頁。當(dāng)前42頁，總共98頁。費用新生兒的父母先一次性繳納5800元的采集、檢測、運輸費用，以后每年繳納500元保管費用，細胞庫每年出示一份《臍帶血干細胞基本情況報告》，并將自動獲得30余萬元保額的醫(yī)療保險。當(dāng)前43頁，總共98頁。用處很大？如果存下臍帶血干細胞，孩子得了白血病、地中海貧血可以拿這個移植救命，損傷了神經(jīng)、角膜，干細胞可以分化再生；親人得了這類病，有1／4的希望可以配型成功移植。當(dāng)前44頁，總共98頁。精原干細胞精原干細胞（spermatogonialstemcells,SSCs）位于睪丸生精小管基膜上，是永久分化成精子細胞的克隆源，既可以自我更新生成新的干細胞，又可以增殖分化形成各階段的生精細胞直至成熟的精子。對成年動物而言，精原干細胞是能將自身遺傳信息傳給下一代的惟一種子細胞。當(dāng)前45頁，總共98頁。精子發(fā)生與精原干細胞精子發(fā)生是一個典型的干細胞系統(tǒng)，SSCs是精子形成的源泉，少數(shù)專門的SSCs可以在整個育齡期不斷產(chǎn)生高度分化的精子。精子發(fā)生:精原干細胞→精原細胞→初級精母細胞→次級精母細胞→精子細胞

當(dāng)前46頁，總共98頁。睪丸生精小管當(dāng)前47頁，總共98頁。生精上皮當(dāng)前48頁，總共98頁。精原干細胞是精子發(fā)生的源泉當(dāng)前49頁，總共98頁。精原干細胞復(fù)制分化當(dāng)前50頁，總共98頁。精原干細胞操作體外培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因操作異體或異種移植重塑精子發(fā)生冷凍保存制備多能性干細胞當(dāng)前51頁，總共98頁。分離與體外培養(yǎng)當(dāng)前52頁，總共98頁。體外培養(yǎng)當(dāng)前53頁，總共98頁。移植當(dāng)前54頁，總共98頁。移植器材當(dāng)前55頁，總共98頁。移植臺盼藍染料當(dāng)前56頁，總共98頁。精原干細胞體內(nèi)原位移植

(功能試驗)

當(dāng)前57頁，總共98頁。在1996年報道將大鼠SSCs移進免疫缺陷小鼠睪丸內(nèi)可以生成大鼠的精子，異種移植取得成功ClouthierDE,AvarbockMR,MaikaSD,etal.Ratspermatogenesisinmousetestis.Nature.1996,381:418-421.當(dāng)前58頁，總共98頁。精原干細胞介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因由于SSCs可以進行冷凍保存、體外培養(yǎng)以及異體（或異種）移植，那么在移植前直接對活體SSCs進行基因轉(zhuǎn)染和篩選，再進行移植和轉(zhuǎn)基因的鑒定，便可高效地進行轉(zhuǎn)基因研究，為轉(zhuǎn)基因動物研究開拓了新的途徑。利用SSCs已經(jīng)成功地對一些哺乳動物進行了轉(zhuǎn)基因研究，并在小鼠、大鼠中獲得轉(zhuǎn)基因動物后代。當(dāng)前59頁，總共98頁。轉(zhuǎn)基因當(dāng)前60頁，總共98頁。當(dāng)前61頁，總共98頁。當(dāng)前62頁，總共98頁。當(dāng)前63頁，總共98頁。哺乳動物的睪丸多在腹腔外，而其它物種卻在腹腔內(nèi)當(dāng)前64頁，總共98頁。雞睪丸在體內(nèi)深部，操作困難當(dāng)前65頁，總共98頁。魚類精原干細胞移植當(dāng)前66頁，總共98頁。魚類精原干細胞移植的途徑腹腔注射腹腔手術(shù)開口移植泄殖孔注射當(dāng)前67頁，總共98頁。魚類精巢注射外源基因直接導(dǎo)入精原干細胞移植當(dāng)前68頁，總共98頁。精原干細胞的應(yīng)用前景雄性不育治療轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)遺傳資源保護干細胞研究模型定向分化當(dāng)前69頁，總共98頁。精原干細胞冷凍保存后移植治療

當(dāng)前70頁，總共98頁。Whichofthefollowingisnotapropertyofadultstemcells?A:Theyarefoundamongthedifferentiatedcellsinatissueoranorgan.B:Theycanonlydifferentiatedintothatparticulartissuesororganswheretheyareoriginallyfrom.C:Theycanproliferatewithoutdifferentiatingforalongperiod.D:Theycandifferentiateintoanintermediatecelltypeortypescallcalledaprogenitorcellbeforetheyachievetheirfullydifferentiatedstate.

√當(dāng)前71頁，總共98頁。WhichofthefollowingisNOT

trueaboutstemcell?A:Stemcellcanspecializeintodifferenttypesofcellsandtissues.B:Stemcellcanretainacopyofitself.C:Stemcellisaneuploid,typicallyhavingmanyextracopiesofvariouschromosomes.D:Stemcellcandivideanddifferentiateunderappropriateconditionorenvironment,whenthereispresenceofcertaingrowthfactorsandothercellregulationsignals.

√['?njupl?id]

異倍體當(dāng)前72頁，總共98頁。7.3組織工程人耳鼠

2001年國家“863”計劃的15周年成就展

當(dāng)前73頁，總共98頁。斷臂的維納斯

當(dāng)前74頁，總共98頁。維納斯誕生當(dāng)前75頁，總共98頁。器官移植統(tǒng)計數(shù)據(jù)○待移植病人●

已移植病人當(dāng)前76頁，總共98頁。修復(fù)缺損器官的方法自體移植異體移植組織代用品當(dāng)前77頁，總共98頁。基本概念組織工程（TissueEngineering):

應(yīng)用生命科學(xué)和工程學(xué)的原理和方法，研究、開發(fā)用于組織和器官修復(fù)、替換或增進其功能的生物替代品的一門學(xué)科。當(dāng)前78頁，總共98頁。組織工程通俗地講，這種方法不是“挖肉補瘡”式的修復(fù)，也不是“移花接木”式的手術(shù)，而是利用人體自身細胞和組織工程的理論與方法，使原先缺損的組織和器官沿著設(shè)計好的支架、模型順其自然地成長起來。

當(dāng)前79頁，總共98頁。曹誼林1954年5月27日生。上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院教授、博導(dǎo)，副院長；上海市整復(fù)外科研究所長，上海組織工程研究與開發(fā)中心主任，美國麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院組織工程研究中心教授；國家“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授、“973”項目首席科學(xué)家。

作為國際組織工程研究領(lǐng)域知名專家，曹誼林在整形外科尤其是顯微外科與顱頜面外科臨床造詣頗深。當(dāng)前80頁，總共98頁。曹誼林教授(右一)和科研人員正在做實驗

當(dāng)前81頁，總共98頁。被質(zhì)疑造假2011年5月上海交通大學(xué)教授、國內(nèi)組織工程領(lǐng)域“頭號人物”曹誼林當(dāng)選為2011年中國科學(xué)院院士增選有效候選人，在8月17日的增選初步候選人名單中卻落選了。最近曹誼林被“學(xué)術(shù)造假”的質(zhì)疑推上風(fēng)口浪尖。質(zhì)疑者稱，曹誼林賴以成名的“人耳鼠”是維持了十余年的謊言，他因此獲得眾多榮譽和資金支持，之后卻停滯不前，讓巨額投入打了水漂，“一只假耳朵，騙取三個億”。當(dāng)前82頁，總共98頁。再做“人耳鼠”自證清白

2011年6月21日曹誼林教授研究團隊開始構(gòu)建耳廓支架材料，開始重復(fù)驗證實驗。6月24、25日，細胞接種于支架材料。經(jīng)過體外一周培養(yǎng)，于7月1日—5日，將接種了細胞的耳廓支架植入裸鼠體內(nèi)。6周后，8月中旬，在8個裸鼠背上成功構(gòu)建了“人耳軟骨”，形態(tài)良好，并作全程實驗錄像。8月14日，上海交大組織了全國相關(guān)領(lǐng)域4名院士和8名專家組成的學(xué)術(shù)鑒定委員會，對曹誼林教授領(lǐng)銜的國家組織工程學(xué)術(shù)研究成果予以事實鑒定。當(dāng)前83頁，總共98頁。再做“人耳鼠”自證清白

專家組聽取了曹誼林的相關(guān)匯報，進行了現(xiàn)場考察和學(xué)術(shù)評議?，F(xiàn)場展示了活體“人耳鼠”，并當(dāng)場取材驗證，再生組織經(jīng)現(xiàn)場冰凍切片，病理鑒定確認為人軟骨組織，并同時移送第三方機構(gòu)作組織病理學(xué)鑒定，8月16日病理報告進一步證實為軟骨組織。當(dāng)前84頁，總共98頁。組織工程的基本要素：細胞(Cell)－增殖、分化、自組裝成組織和器官生長因子(Growthfactor)－調(diào)節(jié)細胞的增殖和分化胞外基質(zhì)（Extracellularmatrix,ECM)

－支撐和指導(dǎo)細胞增殖、分化當(dāng)前85頁，總共98頁。組織工程的基本原理體外組織工程體內(nèi)組織工程當(dāng)前86頁，總共98頁。當(dāng)前87頁，總共98頁。當(dāng)前88頁，總共98頁。組織工程的關(guān)鍵技術(shù):

細胞生長因子生物材料體外長成組織器官后在進行移植當(dāng)前89頁，總共98頁。當(dāng)前90頁，總共98頁。進展與問題:人工動脈管:聚合物管狀骨架+血管內(nèi)皮細胞人工角膜:角膜細胞人工乳房:藻酸鈉聚合物支架+脂肪細胞人工胰島?人工卵巢?當(dāng)前91頁，總共98頁。干細胞“自我”豐胸

當(dāng)前92頁，總共98頁。當(dāng)前93頁，總共98頁。TransCyte皮膚替代物

美國FDA（食品與藥品監(jiān)督管理局）批準(zhǔn)美國加利福尼亞州一家公司生產(chǎn)的商品名為TransCyte的皮膚替代物進入市場。它由取自皮膚真皮或表皮層的細胞在一個生物可降解的聚合物上生長而成。TransCyte能作為創(chuàng)口的臨時覆蓋物，可用于2度或3度燒傷的病人。當(dāng)前94頁，總共98頁。Carticel軟骨產(chǎn)品

可用來替代損傷的膝關(guān)節(jié)軟骨。它首先從病人機體中獲取一些軟骨細胞，然后將這些細胞在一個可降解的基體上生長，組織長成后，外科醫(yī)生切去損傷的軟骨，用工程化軟骨組織替代。

當(dāng)前95頁，總共98頁。CellTherapy2004。

TechnologyMarketsizein2001Marketsizein2005Marketsizein2010Stemcelltransplant$600million$2.1billion$7.3billionCordbloodcollectionandstorage$100million$500million$1bil