第1講-組織工程學(xué)概述

12/6/202412/6/20241

組織工程導(dǎo)論12/6/202412/6/20242學(xué)分：2學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)授課時(shí)間：周二下午5-6節(jié)周四上午1-2節(jié)(3-10周）授課地點(diǎn)：西苑7-40412/6/202412/6/20243答疑時(shí)間及地點(diǎn)：周五下午3：30～5：30景華校區(qū)5-20412/6/202412/6/20244教材:

[1]柏樹令主編.組織工程學(xué)教程.北京：人民軍醫(yī)出版社,2009.主要參考書:

[1]曹誼林主編.組織工程學(xué).北京：科學(xué)技術(shù)出版社,2008.

[2]楊志明主編．組織工程基礎(chǔ)與臨床．第1版．成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2005．

[3]金巖主編．組織工程學(xué)原理與技術(shù)．第1版．西安：第四軍醫(yī)大學(xué)出版社，2003．

[4]張勝民主編．生物材料與組織工程導(dǎo)論．第1版．武漢：華中科技大學(xué)材料科學(xué)教研室，2004．

[5]與組織工程相關(guān)的各級(jí)各類國(guó)內(nèi)外期刊、報(bào)紙、雜志、會(huì)議、新聞、專利、網(wǎng)頁等等．

成績(jī)組成平時(shí)成績(jī)20%

平時(shí)課堂表現(xiàn)10分學(xué)期報(bào)告10分期末考試80%12/6/202412/6/20247本課程主要內(nèi)容組織工程學(xué)概述組織工程支架材料以及制造組織工程種子細(xì)胞生長(zhǎng)因子骨與軟骨組織工程應(yīng)用血管、神經(jīng)組織工程應(yīng)用肌腱、心肌組織及其它組織工程周次星期節(jié)次內(nèi)容學(xué)時(shí)33445566778899101024242424242424245-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-2組織工程學(xué)概述組織工程學(xué)的方法與內(nèi)容組織工程用生物材料組織工程支架制造組織工程種子細(xì)胞組織工程種子細(xì)胞生長(zhǎng)因子生長(zhǎng)因子骨組織工程應(yīng)用軟骨組織工程應(yīng)用血管與神經(jīng)組織工程應(yīng)用其他組織工程應(yīng)用人體復(fù)雜器官工程+生物制造學(xué)生報(bào)告研討學(xué)生報(bào)告研討學(xué)生報(bào)告研討2222222222222222什么是組織工程學(xué)？我們?yōu)槭裁葱枰獙W(xué)習(xí)？我們?cè)趺磳W(xué)習(xí)這門課？12/6/202412/6/202410

第一章組織工程學(xué)概述一組織工程學(xué)基本概念二組織工程學(xué)的建立和發(fā)展三組織工程學(xué)三要素你所認(rèn)為的組織工程是什么？組織工程12/6/202412組織工程學(xué)基本概念

(Tissueengineering)分子(molecule)細(xì)胞(cell)組織

(tissue)器官(organ)系統(tǒng)

(system)個(gè)體

(organism)族(population)群落(community)生態(tài)系(ecosystem)生物組成之階層

(Thehierarchyofbiologicalorder)12/6/202412/6/202413組織工程學(xué)是應(yīng)用生命科學(xué)和工程學(xué)的原理與方法，研究、開發(fā)用于修復(fù)、增進(jìn)或改善人體各種組織或器官損傷后的功能和形態(tài)的一門學(xué)科。

組織、器官的損傷和功能障礙是人類健康所面臨的主要危害之一。也是人類疾病和死亡的最主要原因。每個(gè)國(guó)家每年有數(shù)百萬計(jì)的人患有各種組織、器官的損傷或功能障礙?！锶丝诶淆g化、人類對(duì)健康與長(zhǎng)壽的要求提高

★人類活動(dòng)范圍加大，中青年創(chuàng)傷增多★環(huán)境污染，飲食變化，疑難病癥增多美國(guó)每年需要進(jìn)行800萬次手術(shù)，年耗資400億美元。我國(guó)創(chuàng)傷住院年增長(zhǎng)率達(dá)7.2％，高居住院人數(shù)第2位。美國(guó)1998年用于骨骼-肌肉系統(tǒng)損傷患者的治療費(fèi)高達(dá)1280億美元，僅骨缺損患者就達(dá)123萬，其中80％需用生物醫(yī)學(xué)材料治療。隨著現(xiàn)代外科學(xué)的發(fā)展，人類對(duì)組織、器官的治療有了很大的進(jìn)步，但仍然存在許多問題。12/6/2024過去常用的組織器官修復(fù)方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品12/6/2024過去常用的組織器官修復(fù)方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品“狗腿子”的故事12/6/2024過去常用的組織器官修復(fù)方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品暴走媽媽12/6/2024把別人的器官移植到病人身上，在犧牲他人的基礎(chǔ)上滿足病人的需要，以傷治傷。這又帶來兩個(gè)問題，一是排斥作用，成活率很低，二是供應(yīng)器官的人太少，許多等供體的病人等到死也沒有找到合適的供體，只好遺憾地離開人間。12/6/2024過去常用的組織器官修復(fù)方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品12/6/2024

自體組織移植，是一種“挖肉補(bǔ)瘡、以傷治傷、拆東墻補(bǔ)西墻”的方法，國(guó)外學(xué)者稱之為“RobPetertopayPaul”。它在修復(fù)或矯正一個(gè)部位缺損或畸形的同時(shí)，會(huì)造成供區(qū)不同程度的形態(tài)和功能損害。另外，自體組織移植修復(fù)組織缺損的原則之一是“同物相濟(jì)”，即以相同的組織修復(fù)相同的組織缺損，如用下唇組織瓣修復(fù)上唇缺損等。然而，這一原則只有在組織缺損量較少時(shí)，才可應(yīng)用。

能否找到一個(gè)兩全其美的辦法，既不損害別人，又能保存自己?于是從事組織工程研究的科學(xué)家們，利用細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)以及材料科學(xué)等最新技術(shù)，開始研究用人工培養(yǎng)的辦法培養(yǎng)出人體需要的正常組織或器官，醫(yī)院就像工廠生產(chǎn)零部件一樣，根據(jù)病人的缺失情況，需要什么培養(yǎng)什么，需要多少做多少，量體裁衣，做好了安裝上就能發(fā)揮作用，起到人體正常組織所能起的作用。12/6/2024過去常用的組織器官修復(fù)方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品12/6/202412/6/20242525人造器官12/6/202412/6/20242626人造耳與真人耳的比較12/6/202412/6/20242727人造眼與真人眼的比較12/6/202412/6/20242828機(jī)械心臟閥Thrombusonamechanicalheartvalve

(courtesyofRWTH-Aachen)12/6/202412/6/20242929人造皮膚12/6/202412/6/20243030金屬支架12/6/202412/6/20243131人造關(guān)節(jié)12/6/202412/6/202432人工肝臟-血液透析(類似洗肝機(jī))12/6/202412/6/2024

人類物質(zhì)、文化生活水平的提高，對(duì)損傷、疾病的治療要求越來越高，科技的發(fā)展，催生了組織工程學(xué)，并促使其發(fā)展。組織工程重建修復(fù)受損器官為什么能進(jìn)行，又是如何進(jìn)行的呢？這一點(diǎn)我們得從植物說起。12/6/202412/6/202435

植物組織培養(yǎng)

(planttissueculture)12/6/202412/6/202436植物：組織（苗、嫩枝、根），無性生殖或營(yíng)養(yǎng)生殖，生成新個(gè)體。12/6/202412/6/202437仙人掌每塊落地就生根12/6/202412/6/202438一株草莓依靠它沿地“爬走”的匍匐莖，一年內(nèi)就能長(zhǎng)出數(shù)百株草莓苗12/6/202412/6/202439富貴竹插枝即活12/6/202412/6/202440概念：細(xì)胞的全能性是指生物體的細(xì)胞具有使后代細(xì)胞形成完整個(gè)體的潛能。原因：是生物體的每一個(gè)細(xì)胞都含有該物種所特有的全套遺傳物質(zhì)及發(fā)育為完整個(gè)體所必需的全部基因。細(xì)胞的全能性12/6/202412/6/202441細(xì)胞的全能性

當(dāng)植物細(xì)胞脫離了原來所在植物體的器官或組織而處于離體狀態(tài)時(shí)，在一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、激素和其他外界條件的作用下，就可能表現(xiàn)出全能性，發(fā)育成完整的植株。

在生物的個(gè)體發(fā)育中，由于基因在特定時(shí)間和空間下選擇性地表達(dá)而形成不同器官，因此，要實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的全能性，首先必須使生物體的細(xì)胞處于離體狀態(tài)。受精卵的全能性最高；其次是生殖細(xì)胞（尤其是卵細(xì)胞）；體細(xì)胞的全能性比生殖細(xì)胞低得多。

19世紀(jì)30年代，德國(guó)植物學(xué)家施萊登和德國(guó)動(dòng)物學(xué)家施旺創(chuàng)立了細(xì)胞學(xué)說，根據(jù)這一學(xué)說，如果給細(xì)胞提供和生物體內(nèi)一樣的條件，每個(gè)細(xì)胞都應(yīng)該能夠獨(dú)立生活。1902年，德國(guó)植物學(xué)家哈伯蘭特在細(xì)胞全能性的理論是植物組織培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)。1958年，一個(gè)振奮人心的消息從美國(guó)傳向世界各地，美國(guó)植物學(xué)家斯蒂瓦特等人，用胡蘿卜韌皮部的細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，終于得到了完整植株，并且這一植株能夠開花結(jié)果，證實(shí)了哈伯蘭特在五十多年前關(guān)于細(xì)胞全能的預(yù)言。植物組織培養(yǎng)

植物組織培養(yǎng)就是在無菌和人工控制的條件下，將離體的植物器官、組織、細(xì)胞，培養(yǎng)在人工配置的培養(yǎng)基上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導(dǎo)其產(chǎn)生愈傷組織（這一步稱為脫分化），然后誘導(dǎo)愈傷組織再分化最終形成一顆完整的植株。其培養(yǎng)基一般為液態(tài)培養(yǎng)基，最終目的是要獲得完整的植株。離體、消毒的植物器官、組織或細(xì)胞：適宜的養(yǎng)料和激素，溫度和無菌條件下培養(yǎng)植物體根、芽脫分化再分化植物組織培養(yǎng)愈傷組織植物體的局部受到創(chuàng)傷刺激后，在傷口表面新生的組織。它由活的薄壁細(xì)胞組成，可起源于植物體任何官內(nèi)各種組織的活細(xì)胞。

脫分化胚狀體再分化12/6/202412/6/202445植物組織培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用●快速繁殖●培育無病毒植物●生產(chǎn)藥物、食品添加劑、香料、色素和殺蟲劑等●制作人工種子●轉(zhuǎn)基因植物的培育

用植物組織培養(yǎng)的方法，誘導(dǎo)離體的植物組織形成具有生根發(fā)芽能力的胚狀結(jié)構(gòu)，包裹上人造種皮，制成人工種子，可以解決有些作物品種繁殖能力差、結(jié)子困難或發(fā)芽率低等問題。12/6/202412/6/202446植物體細(xì)胞雜交

植物體細(xì)胞雜交是用兩個(gè)來自于不同植物的體細(xì)胞融合成一個(gè)雜種細(xì)胞，并且把雜種細(xì)胞培育成新的植物體的方法。（因?yàn)椴煌N生物之間存在著生殖隔離，所以用傳統(tǒng)的有性雜交方法是不可能做到這一點(diǎn)的）植物細(xì)胞A植物細(xì)胞B去掉細(xì)胞壁去掉細(xì)胞壁原生質(zhì)體A原生質(zhì)體B原生質(zhì)體融合雜合的原生質(zhì)體再生出細(xì)胞壁雜種細(xì)胞細(xì)胞分裂分化發(fā)育愈傷組織雜種植株12/6/202412/6/202447植物體細(xì)胞雜交原生質(zhì)體制備（酶解法去細(xì)胞壁）原生質(zhì)體融合（人工誘導(dǎo)）

雜種細(xì)胞的篩選和培養(yǎng)（形成愈傷組織）雜種植株的再生與鑒定物理法：離心、振動(dòng)、電刺激等化學(xué)法：聚乙二醇等試劑纖維素酶、果膠酶等12/6/202412/6/202448生物組成之階層

(Thehierarchyofbiologicalorder)分子

(molecule)細(xì)胞(cell)組織

(tissue)器官(organ)系統(tǒng)

(system)個(gè)體

(organism)族群(population)群聚(community)生態(tài)系(ecosystem)

植物細(xì)胞與組織培養(yǎng)

動(dòng)物細(xì)胞或動(dòng)物組織培養(yǎng)蠑螈可以斷肢再生，人肝臟切除3/4后可以再生出完整的肝臟。12/6/202412/6/202450動(dòng)物：一個(gè)細(xì)胞在體外培養(yǎng)下產(chǎn)生的一群細(xì)胞；由少量組織，大片組織。（由一個(gè)個(gè)體，通過無性繁殖手段，獲得遺傳上相同的個(gè)體群）。

12/6/202412/6/202451

克隆是英文“

clone”的音譯，來自希臘文klon

，原意為苗或嫩枝，指以無性生殖或營(yíng)養(yǎng)生殖的一些植物。隨著時(shí)間的推移和科學(xué)的發(fā)展，它的含義增加了許多內(nèi)容，如一個(gè)細(xì)胞在體外培養(yǎng)下產(chǎn)生的一群細(xì)胞；由“親本”序列產(chǎn)生的DNA序列等等。概言之，克隆是指由一個(gè)細(xì)胞或個(gè)體，通過無性繁殖手段，獲得遺傳上相同的細(xì)胞群或個(gè)體群。

克隆12/6/202412/6/202452多利是在1996年7月5日由羅斯林研究所的伊恩·威爾穆特教授等人通過體細(xì)胞克隆法培育問世，是世界上首只成年體細(xì)胞克隆動(dòng)物。12/6/202412/6/202453一時(shí)在世界引起了轟動(dòng)、令人類茫然失措，科幻小說里克隆希特勒與克隆人兵團(tuán)身影仿佛從這只溫順羊羔的背后浮現(xiàn)出來。在接下來的幾年中，一面是實(shí)驗(yàn)室里各種克隆動(dòng)物的屢屢出現(xiàn)，一面是政治會(huì)議上禁止克隆人的法規(guī)層出不窮。12/6/202412/6/202454第一只克隆寵物貓CC12/6/202412/6/20245512/6/202412/6/202456克隆馬及其“母親兼姐姐”12/6/202412/6/202457中國(guó)的克隆牛中國(guó)科學(xué)家童第周早在1963年就通過將一只雄性鯉魚的遺傳物質(zhì)注入雌性鯉魚的卵中從而成功克隆了一只雌性鯉魚，比多利羊的克隆早了33年。但由于相關(guān)論文是發(fā)表在一本中文科學(xué)期刊，并沒有翻譯成英文，所以并不為國(guó)際上所知曉。10年之后，童第周又克隆了一條歐洲鯉魚。12/6/202412/6/202459克隆技術(shù)造福人類一、克隆可以有效地繁殖具有“高附加值的牲畜”。二、克隆可以用來挽救珍稀動(dòng)物。三、克隆對(duì)人類疾病的防治、壽命的延長(zhǎng)具有重要的意義。12/6/2024

克隆著眼于個(gè)體繁殖，組織工程著眼于器官組織，這些技術(shù)的發(fā)展為組織工程的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。12/6/202412/6/202461

第一章組織工程學(xué)概述一組織工程學(xué)基本概念二組織工程學(xué)的建立和發(fā)展三組織工程三要素12/6/2024二組織工程的建立和發(fā)展組織工程的發(fā)展背景組織工程的優(yōu)點(diǎn)組織工程的三個(gè)發(fā)展階段12/6/2024二組織工程的建立和發(fā)展組織工程的發(fā)展背景組織工程的優(yōu)點(diǎn)組織工程的三個(gè)發(fā)展階段12/6/202412/6/202464①隨著人類物質(zhì)、文化生活水平的提高，對(duì)損傷、疾病的治療要求越來越高，不儀要求治好傷、病，還要求良好的功能及完美的外形，應(yīng)用傳統(tǒng)的治療方法難以達(dá)到如此完善的地步，需要尋找新的治療途徑。(老齡化、創(chuàng)傷增多、環(huán)境惡化，疾病增多)②科學(xué)技術(shù)總體水平的提高，為患者、醫(yī)生對(duì)治療提出的高要求有實(shí)現(xiàn)的可能，如完善的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和可控降解的高分子材料的問世，為體外構(gòu)建“組織”、“器官”提供了條件。組織工程的發(fā)展背景12/6/202412/6/202465③高、新技術(shù)的開發(fā)與利用是組織工程學(xué)研究的基礎(chǔ)，如基因工程技術(shù)、免疫隔離技術(shù)等為改造細(xì)胞提供了新方法。④巨大的市場(chǎng)需求為組織工程學(xué)發(fā)展注入了動(dòng)力。眾多的投資公司注入大量資本進(jìn)行組織工程學(xué)研究。這些是組織工程學(xué)研究發(fā)展的基礎(chǔ)與動(dòng)力。組織工程的發(fā)展背景12/6/2024二組織工程的建立和發(fā)展組織工程的發(fā)展背景組織工程的優(yōu)點(diǎn)組織工程的三個(gè)發(fā)展階段12/6/202412/6/202467組織工程的優(yōu)點(diǎn)通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)完整、功能完全、具有生命力的健康活體組織，對(duì)病損組織進(jìn)行形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的全面重建。所形成的組織在體內(nèi)與機(jī)體正常組織整合良好，可對(duì)體內(nèi)各種生物學(xué)刺激產(chǎn)生應(yīng)答，并可永久性替代。以最少量的組織細(xì)胞經(jīng)體外培養(yǎng)擴(kuò)增后，修復(fù)體積較大的組織缺損，達(dá)到無損傷和真正意義上的功能重建?？筛鶕?jù)組織器官缺損情況，構(gòu)建相應(yīng)形態(tài)與結(jié)構(gòu)的組織，達(dá)到完美的形態(tài)修復(fù)。12/6/2024二組織工程的建立和發(fā)展組織工程的發(fā)展背景組織工程的優(yōu)點(diǎn)組織工程的三個(gè)發(fā)展階段12/6/202412/6/202469組織工程的三個(gè)發(fā)展階段第一階段：20世紀(jì)80年代末~20世紀(jì)90年代中期，主要進(jìn)行了組織工程化組織構(gòu)建的初步探索，證明了應(yīng)用組織工程技術(shù)能夠構(gòu)建組織工程化組織。骨、軟骨、肌腱。12/6/202412/6/2024701980’sJosephVacanti

及RobertLanger結(jié)合醫(yī)學(xué)及工程材料背景，研發(fā)能修復(fù)人體病變組織與器官的治療方式12/6/2024華人教授馮元楨提出“組織工程學(xué)”術(shù)語，1987美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)采用這一術(shù)語描述這一新興學(xué)科。12/6/2024

1990年舉辦第一屆組織工程學(xué)術(shù)研討會(huì)，1995年發(fā)行專業(yè)期刊TissueEngineering

人造組織目前發(fā)展方向：皮膚、神經(jīng)、肌肉骨骼系統(tǒng)(硬骨,軟骨,肌肉)、心血管系統(tǒng)(血管,心辦膜)、內(nèi)分泌器官(肝,胰,腎...)12/6/202412/6/202473成果1.體外培養(yǎng):1992年在多孔狀結(jié)構(gòu)高分子材料上培養(yǎng)出軟骨細(xì)胞，并形成新的軟骨組織。2.活體培養(yǎng):老鼠背上培養(yǎng)出人耳形狀的軟骨。12/6/202412/6/202474第二階段：20世紀(jì)90年代末期。組織工程的研究成果向臨床過渡。實(shí)現(xiàn)在具有完全免疫功能的哺乳動(dòng)物體內(nèi)構(gòu)建組織工程化組織，修復(fù)組織缺損，重建組織功能。12/6/202412/6/202475第三階段：組織工程的臨床應(yīng)用與初步產(chǎn)業(yè)化階段12/6/202412/6/202476中國(guó)組織工程學(xué)的發(fā)展及所面臨的挑戰(zhàn)12/6/202412/6/2024771994年，組織工程重大研究項(xiàng)目正式立項(xiàng)，標(biāo)志著中國(guó)組織工程正式起步。1997年，上海組織工程研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2001年，上海組織工程研究與開發(fā)中心暨國(guó)家“863”計(jì)劃生物領(lǐng)域組織工程研發(fā)基地成立。12/6/202412/6/202478我國(guó)組織工程研究和發(fā)展的整體水平1.具有我國(guó)特色的組織工程研究體系初步形成。形成了一支多學(xué)科交叉、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、年輕化、專業(yè)化的組織工程研究隊(duì)伍開展了產(chǎn)業(yè)化的布局，若干組織工程高科技企業(yè)已經(jīng)初步建立在國(guó)際組織工程學(xué)術(shù)領(lǐng)域占有重要位置12/6/202412/6/2024792.組織工程研究中若干關(guān)鍵問題的研究取得突破在種子細(xì)胞來源方面在生物材料研究方面在組織和器官構(gòu)建方面12/6/202