組織工程學(xué)概述

關(guān)于組織工程學(xué)概述第1頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.組織工程的概念提出RobertLanger教授和麻省理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院的臨床醫(yī)生JosephPVcanti正式提出組織工程的概念1987年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院基金會(huì)在加利福尼亞的LakeTahoe舉行的專(zhuān)家討論會(huì)上明確了組織工程的定義1984年華人學(xué)者馮元楨首次提出組織工程的概念一）.提出第2頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三二）.組織工程學(xué)定義：

運(yùn)用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理及方法，從根本上認(rèn)識(shí)正常和病理的哺乳動(dòng)物組織和結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系，并研究生物學(xué)的替代物，以恢復(fù)、維持和改進(jìn)組織的生物替代物的一門(mén)科學(xué)。第3頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三三）.組織工程基本原理應(yīng)用工程學(xué)、生命科學(xué)和材料學(xué)的原理與方法，將在體外培養(yǎng)、擴(kuò)增的功能相關(guān)的活細(xì)胞種植于多孔支架上，細(xì)胞在支架上增殖、分化，構(gòu)建生物替代物，然后將之移植到組織病損部位，達(dá)到修復(fù)、維持或改善損傷組織的功能?？茖W(xué)意義：不僅在于為解除病人痛苦提供了一種新的治療方法，更重要的是提出了復(fù)制“組織”、“器官”的新思想，它標(biāo)志著“生物科技人體時(shí)代”的到來(lái)，是“再生醫(yī)學(xué)的新時(shí)代”，是“一場(chǎng)深遠(yuǎn)的醫(yī)學(xué)革命。第4頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三核心：構(gòu)件由細(xì)胞和生物材料構(gòu)成的三維復(fù)合體。三要素：

種子細(xì)胞

生長(zhǎng)因子

支架材料2.組織工程的三要素第5頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三組織工程的三要素假體支架種子細(xì)胞生長(zhǎng)因子第6頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三種子細(xì)胞——干細(xì)胞支架：細(xì)胞立腳點(diǎn)的支撐體。人工細(xì)胞外基質(zhì)稱為細(xì)胞增殖和分化的“立腳點(diǎn)”，例如，立體海綿狀骨膠原。生長(zhǎng)因子：讓細(xì)胞增殖和分化的因子。要確保必須的細(xì)胞立腳點(diǎn)，必須讓細(xì)胞的數(shù)量大幅增加。控制細(xì)胞分裂的是一種被稱為“細(xì)胞增殖因子”的蛋白質(zhì)。第7頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三一）.種子細(xì)胞

種子細(xì)胞是組織工程研究的基礎(chǔ)，也是制約組織工程發(fā)展的瓶頸。

主要原因：

許多組織細(xì)胞（如軟骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞）的供體來(lái)源和擴(kuò)增能力均非常有限，無(wú)法通過(guò)取少量組織體外擴(kuò)增細(xì)胞來(lái)構(gòu)建大塊組織，很難實(shí)現(xiàn)“小損傷修復(fù)大缺損”的組織工程基本設(shè)想。

干細(xì)胞來(lái)源廣，增殖力強(qiáng)，又能定向誘導(dǎo)分化為多種目的細(xì)胞并形成相應(yīng)組織，因此，應(yīng)用干細(xì)胞能夠?qū)崿F(xiàn)“小損傷修復(fù)大缺損”的基本設(shè)想，這為解決組織工程種子細(xì)胞問(wèn)題提供了良好機(jī)遇。第8頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三二.）支架1）定義能與組織活體細(xì)胞結(jié)合并能植入生物體的三維結(jié)構(gòu)體2）支架材料最基本的特征與活體細(xì)胞直接結(jié)合：羥基磷灰石（HAP）、聚乳酸（PLA）、聚羥基乙酸（PGA）網(wǎng)、尼龍網(wǎng)與生物系統(tǒng)結(jié)合：植入生物體的組織工程化軟骨、骨、肌腱、牙、肺、肝、腎等組織與機(jī)體的結(jié)合具備細(xì)胞相容性和組織相容性（統(tǒng)稱生物相容性）第9頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三3）支架材料材料：鈣磷材料、多聚物（合成的和自然的）要求：微孔結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、可降解、力學(xué)性能作用：在結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)缺損部位的強(qiáng)度；阻礙周?chē)M織長(zhǎng)入；作為體外接種的細(xì)胞在體內(nèi)擴(kuò)增和增殖的支架；利用與細(xì)胞整合素以及受體的相互作用，作為一種可溶的細(xì)胞功能調(diào)節(jié)因子；作為細(xì)胞、生長(zhǎng)因子和基因的生物載體。第10頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三三）.生長(zhǎng)因子1）定義

在細(xì)胞間傳遞信息并對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)具有調(diào)節(jié)功能的一些多肽類(lèi)物質(zhì)，它可以促進(jìn)或者抑制細(xì)胞的增殖、分化、遷移和基因的表達(dá)。2）分類(lèi)按受體的結(jié)構(gòu)分類(lèi)，成纖細(xì)胞生長(zhǎng)因子（FGF）、表皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子（EGF）和肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子（HGF）等3）將生長(zhǎng)因子用于組織工程技術(shù)中時(shí)，有兩種不同的方式：生長(zhǎng)因子直接復(fù)合到支架上或者在支架構(gòu)建之后再與其符合；在支架上同時(shí)移植能分泌生長(zhǎng)因子的細(xì)胞。第11頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.組織工程研究方法1）研究的核心內(nèi)容：合適的種子細(xì)胞來(lái)源、可供細(xì)胞粘附生長(zhǎng)的生物支架(或細(xì)胞外基質(zhì))、用于促進(jìn)組織再生長(zhǎng)因子和組織的相容性等問(wèn)題。2）利用組織工程方法生成活體替代組織或器官?？墒褂眉?xì)胞分離體外培養(yǎng)擴(kuò)增種植到多孔支架植入缺損部位生物活性肽多孔支架策略2策略1微結(jié)構(gòu)策略3生物過(guò)程第12頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三第13頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三第14頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三PLA支架（灰色）+間充質(zhì)干細(xì)胞（綠色）激光共聚焦顯微鏡照片培養(yǎng)6天培養(yǎng)10天第15頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三第16頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三第17頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.組織工程相關(guān)生物材料組織工程相關(guān)的生物材料主要有兩種：天然的材料：膠原合成聚合物：開(kāi)始于20世紀(jì)80年代中期優(yōu)點(diǎn)：1）生物相容性2）可復(fù)制性3）可生物降解4）通過(guò)與多聚物結(jié)構(gòu)一體化來(lái)連續(xù)地輸送營(yíng)養(yǎng)和激素第18頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三

各種各樣的可生物降解材料已用作組織支架，包括陶瓷和多聚物。陶瓷主要用于骨組織工程，再次運(yùn)用了羥基磷灰石多孔配方以承載來(lái)源于骨膜或骨髓的骨祖細(xì)胞。多聚物支架的典型形式：纖維網(wǎng)、多孔海綿或泡沫、或是水合凝膠。在纖維網(wǎng)和泡沫中更常使用的多聚物包括線形聚酯，例如，聚乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）和聚已內(nèi)酯（PCL）；聚乙二醇（PEG）以及天然聚合物如膠原和透明質(zhì)酸。第19頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三5.組織工程化皮膚及骨的應(yīng)用及展望

目前組織工程技術(shù)可應(yīng)用于復(fù)制各種組織，如肌肉、骨骼、軟骨、腱、韌帶、人工血管和皮膚；生物人工器官的開(kāi)發(fā)，如人工胰臟、肝臟、腎臟等；人工血液的開(kāi)發(fā)；神經(jīng)假體和藥物傳輸?shù)确矫?。一）組織工程化皮膚皮膚損傷主要是熱損傷，僅在美國(guó)每年大約就有250萬(wàn)人燒傷，其他原因包括慢性潰瘍、創(chuàng)傷、皮膚腫瘤切除或其他皮膚疾病。傳統(tǒng)的修復(fù)方法有：自體植皮、同種異體植皮、異種植皮和人工合成代用品的應(yīng)用。但存在供區(qū)不足、免疫排斥及傳播疾病等缺點(diǎn)。目前，一種生長(zhǎng)因子和幾種皮膚替代物已經(jīng)投放市場(chǎng)，作為治療難愈性潰瘍的二線選擇。第20頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三皮膚的解剖生理學(xué)皮膚依構(gòu)造可分為表皮、真皮及皮下組織,如圖所示。表皮最主要的成分是角化細(xì)胞，它們由細(xì)胞橋粒形成互相結(jié)合的重疊結(jié)構(gòu)，使得細(xì)胞與細(xì)胞互相粘連。真皮的主要細(xì)胞是成纖維細(xì)胞，產(chǎn)生和維持大部分細(xì)胞外基質(zhì)。顆粒層棘層基底層（生發(fā)層）乳頭層網(wǎng)織層角質(zhì)層透明層表皮真皮皮下組織第21頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三組織工程皮膚組織工程皮膚:由活性細(xì)胞接種在支架材料上形成的組織工程化皮膚，有真皮層或同時(shí)具有真皮層和表皮層，因此是一種活性生物敷料。工程化皮膚結(jié)構(gòu)需要復(fù)制的關(guān)鍵特性有：①一種具有恰當(dāng)幫助真皮修復(fù)和支持表皮生長(zhǎng)能力的真皮或者間質(zhì)成分；②一層具有容易使創(chuàng)面達(dá)到生物覆蓋能力表皮；③一層可以使屏障特性快速重建的表皮；④一個(gè)準(zhǔn)許免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和血管系統(tǒng)生長(zhǎng)的環(huán)境；⑤一種能在結(jié)構(gòu)和附加功能（例如降低長(zhǎng)期瘢痕形成和色素重建）方面正?；慕M織。第22頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三組織工程皮膚的臨床應(yīng)用組織工程皮膚是美國(guó)FDA批準(zhǔn)最早用于臨床的產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品為單層上皮細(xì)胞移植，雖然愈合較快，但瘢痕較多，且易發(fā)生瘢痕攣縮。第二代產(chǎn)品則研制成功了真皮層，成為具有雙層結(jié)構(gòu)的新一代產(chǎn)品，其臨床效果也得到明顯改善。其代表產(chǎn)品有Dermagraft-TM，Dermagraft-TC和Apligraff（TM）。第23頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.)表皮替代物和支持基質(zhì)重建表皮的方法:細(xì)胞懸液→全層皮膚替代物。例如：聚硅氧烷膜、活的表皮角質(zhì)形成細(xì)胞1975年，Rheiwald和Green等以3T3細(xì)胞作為滋養(yǎng)層采用共培養(yǎng)的方法培養(yǎng)出人類(lèi)表皮角朊細(xì)胞獲得成功。1981年，O’Connor等首次應(yīng)用CEA法在體外培養(yǎng)出適于移植的人自體表皮細(xì)胞膜片，表皮細(xì)胞膜片附著良好。盡管CEA技術(shù)是大面積燒傷治療的一大進(jìn)步，但單純CEA移植技術(shù)存在一些缺點(diǎn)：如耗時(shí)長(zhǎng)；細(xì)胞膜片菲薄易碎，難以操作；移植到創(chuàng)面后，接受率低，極易造成移植物脫失；即使在上皮化后，新生表皮不耐摩擦，容易發(fā)生水泡，造成殘余創(chuàng)面。第24頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.)真皮替代物和支架材料真皮替代物的研究是隨著CEA的發(fā)展而不斷引起人們的關(guān)注的。研究進(jìn)展：人尸體皮膚（發(fā)生免疫排斥反應(yīng)、引發(fā)潛在感染的可能、移植物的來(lái)源以及原料質(zhì)量的差異性）→去細(xì)胞的真皮乳頭層深（部真皮和更表淺得乳頭層真皮在結(jié)構(gòu)上存在不同）→較深層的網(wǎng)狀真皮組織工程已經(jīng)研究了通過(guò)使用支架和活細(xì)胞來(lái)引起肉芽組織形成的可能性。1980年，Yannas和Burke制成一種人工真皮替代物，網(wǎng)狀皮片的獲得率也提高到85%～95%。IntegraArtificialSkin、Biobrane、Dermagraft、Dermagraft-TC等人工真皮相繼產(chǎn)生。第25頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.)復(fù)合人工皮膚:

既含有表皮層又含有真皮層的組織工程化皮膚

復(fù)合人工皮膚:用組織工程方法對(duì)所取小量皮膚組織進(jìn)行消化、分離,表皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞分別培養(yǎng)和擴(kuò)增、達(dá)到一定細(xì)胞數(shù)量后重組成全層皮膚組織（包括表皮層及結(jié)締組織）。組織工程皮膚包括兩種活的細(xì)胞成分：位于表層的表皮細(xì)胞和位于真皮層的成纖維細(xì)胞，不僅具有正常皮膚的部分功能，種植后不易變形，而且具有良好的修復(fù)皮膚創(chuàng)傷的作用。Apligraft(又稱作Graftskin)是第一種商品化的既含有表皮層又含有真皮層的組織工程化皮膚，這種由Organogenesis公司注冊(cè)生產(chǎn)的產(chǎn)品已在加拿大和美國(guó)獲準(zhǔn)用于臨床治療靜脈性潰瘍。第26頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三.組織工程皮膚展望用組織工程皮膚移植物作為常規(guī)手段治療皮膚創(chuàng)面已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，有著極其巨大的社會(huì)和商業(yè)價(jià)值以及廣闊的研究和臨床應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的幾種組織工程化皮膚雖然在治療燒傷及慢性潰瘍上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但對(duì)組織工程皮膚的研究著重于對(duì)表皮和真皮的研究，對(duì)毛囊和皮脂腺的研究相對(duì)較少。第27頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三二）骨組織工程目前骨組織工程的研究主要包括：①種子細(xì)胞的體外培養(yǎng)；②細(xì)胞種植基質(zhì)材料的研究開(kāi)發(fā)；③組織培養(yǎng)中各種因子的調(diào)控作用骨主要由3部分構(gòu)成：骨膜、骨質(zhì)、骨髓松質(zhì)骨骨膜骨密質(zhì)骨髓第28頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三1）種子細(xì)胞來(lái)源：皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨膜、骨髓、骨外組織以及胚胎干細(xì)胞。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨膜來(lái)源的成骨細(xì)胞能表達(dá)成骨細(xì)胞表型且骨膜中含有較多的骨原細(xì)胞,而骨原細(xì)胞具有分化潛能，可以分化為成骨細(xì)胞。但它們的成骨細(xì)胞存在較多的缺陷,如取材困難、來(lái)源有限、擴(kuò)增能力有限及免疫排斥等。胚胎干細(xì)胞具有分化為三個(gè)胚層的能力，體外培養(yǎng)后可分化為腸上皮細(xì)胞(內(nèi)胚層)、軟骨、骨、平滑肌、橫紋肌(中胚層)及神經(jīng)細(xì)胞(外胚層)等,可以大量擴(kuò)增和定向誘導(dǎo)為具體干細(xì)胞，但是存在免疫排斥較強(qiáng)的缺陷。第29頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三2）細(xì)胞種植基質(zhì)作用：種子細(xì)胞提供了粘附、增殖、分化的空間結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)模板引導(dǎo)組織再生,控制組織或器官的性狀。分類(lèi)方法：以形態(tài)分：纖維狀、海綿狀、凝膠狀等；以來(lái)源分：天然生物材料和人工合成生物材料。天然生物材料主要有膠原、脫鈣骨基質(zhì)及經(jīng)物理化學(xué)高溫處理的動(dòng)物骨、纖維蛋白、硫酸軟骨素、殼聚糖、藻酸鹽幾丁質(zhì)等。人工合成生物材料可以分為人工合成無(wú)機(jī)材料和人工合成可降解有機(jī)高分子材料。第30頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三理想的支架材料具有的特征：三維多孔的連接網(wǎng)絡(luò)，有利于細(xì)胞生長(zhǎng)、養(yǎng)分傳輸和代謝產(chǎn)物的排放；生物相容性和可降解性好，降解速度和吸收速度可以調(diào)控，以適應(yīng)細(xì)胞或組織在體內(nèi)體外的生長(zhǎng)；化學(xué)表面適合細(xì)胞的粘附、增殖和分化；機(jī)械性能與所植入組織的要求相匹配。仿生學(xué)材料就是近年發(fā)展的趨勢(shì)，RGD序列或基因與支架整合后可提高細(xì)胞的粘附與增生。第31頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三3）生長(zhǎng)因子作用：具有誘導(dǎo)和刺激細(xì)胞增殖，維持細(xì)胞存活等生物效應(yīng)的蛋白類(lèi)物質(zhì)；促進(jìn)細(xì)胞增殖，組織或血管的修復(fù)和再生。在骨創(chuàng)傷早期，生長(zhǎng)因子主要啟動(dòng)成骨細(xì)胞活性，促進(jìn)成骨，后期作用逐漸減弱，但也參與骨的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)。髓基質(zhì)中含有多種生長(zhǎng)因子：骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β、酸性成纖維生長(zhǎng)因子、類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子Ⅰ和Ⅱ、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子、腫瘤壞死因子和白細(xì)胞介素-1等。第32頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三目前，用組織工程骨修復(fù)骨缺損的研究，已從取材、體外培養(yǎng)、細(xì)胞到支架材料復(fù)合體形成等都得到了成功。例如：用自體骨髓、珊瑚和rhBMP-2復(fù)合物修復(fù)兔下頜骨缺損，結(jié)果表明：術(shù)后3個(gè)月，單獨(dú)珊瑚組及空白對(duì)照組缺損未完全修復(fù)；珊瑚-骨髓組和珊瑚-rhBMP-2組及單獨(dú)骨髓組已基本修復(fù)了缺損；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2復(fù)合物組在2個(gè)月時(shí)缺損即可得到修復(fù)。帶血管蒂的骨組織工程：將骨細(xì)胞種植于預(yù)制帶管蒂的生物支架材料上，將它作為一種細(xì)胞傳送裝置。第33頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三組織工程骨的構(gòu)建分為：體內(nèi)構(gòu)建和體外構(gòu)建兩種形式。體內(nèi)構(gòu)建：將成骨細(xì)胞-支架復(fù)合物植入體內(nèi)，修復(fù)骨缺損。體外構(gòu)建：通過(guò)體外組織培養(yǎng)的方法應(yīng)用水降解支架材料，接種成骨細(xì)胞，構(gòu)建骨組織。第34頁(yè)，講稿共38頁(yè)，20