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组织工程应用组织工程应用引子引子组织工程的概念工程的概念#将人体某部分的将人体某部分的组织细胞种植和胞种植和吸附在一种生物材料的支架上吸附在一种生物材料的支架上进行行人工培养繁殖人工培养繁殖,扩增增,分化，分化，#然后移植到人体内所需要的部位然后移植到人体内所需要的部位,从而达到器官修复或再造的治从而达到器官修复或再造的治疗目目的的一种技的的一种技术组织工程的核心工程的核心问题应用生命科学和工程技术的原理和方法，在细胞的体外培养过程中，诱导干细胞定向分化，维持、调控乃至优化这种分化，从而形成具有和在体组织相似功能的组织或器官。组织工程的关工程的关键技技术1.组织构成 细胞的培养2.生物 材料及构架制备3.生物组织工程化培养系统三大支柱三大支柱三大支柱三大支柱种子细胞生物材料支架生长因子种子种子细胞胞干细胞：胚胎干细胞、成体干细胞组织来源细胞自体或异体干干细胞胞根据不同的分化潜能根据不同的分化潜能.全能干全能干细胞胞：自我更新和分化形成自我更新和分化形成任何任何类型型细胞胞的能力，有形成完整的能力，有形成完整个体的潜能，如胚胎干个体的潜能，如胚胎干细胞胞 多能干多能干细胞胞：产生生多种多种类型型细胞胞的能力，但却失去了的能力，但却失去了发育成完整个体育成完整个体的能力的能力单能干能干细胞胞：也称也称专能干能干细胞、偏能干胞、偏能干细胞，胞，这类细胞只能向胞只能向单一方一方向分化，向分化，产生生一种一种类型型细胞胞按照干按照干细胞胞发生的来源生的来源 胚胎干胚胎干细胞胞 成体干成体干细胞胞 间充充质干干细胞胞造血干造血干细胞胞神神经干干细胞胞干干细胞不胞不仅能能产生特定生特定组织的的细胞，胞，还能能产生一些我生一些我们原先原先不知道的不知道的细胞胞造血干造血干细胞胞-肝卵肝卵圆细胞胞(blood to liver)神神经干干细胞胞-造血祖造血祖细胞胞(brain to blood)间充充质干干细胞胞-神神经细胞胞(marrow to brain)为了适了适应组织生生长和修复和修复时增高的祖增高的祖细胞的要求，某些胞的要求，某些组织的干的干细胞可迁移到另一胞可迁移到另一组织，如：肌肉修复，如：肌肉修复时，间充充质干干细胞从骨髓胞从骨髓转移到移到 骨骼肌骨骼肌胚胎干胚胎干细胞胞胚胎干胚胎干细胞是在人胚胎胞是在人胚胎发育早期育早期囊胚（受精后囊胚（受精后约57天）中未分天）中未分化的化的细胞胞囊胚含有囊胚含有约140个个细胞胞外外表表是是一一层扁扁平平细胞胞，称称滋滋养养层，可可发育育成成胚胚胎胎的的支支持持组织如如胎胎盘等。等。中中心心的的腔腔称称囊囊胚胚腔腔，腔腔内内一一侧的的细胞胞群群，称称内内细胞胞群群，这些些未未分分化的化的细胞可胞可进一步分裂、分化，一步分裂、分化，发育成个体育成个体内内细胞群在形成内、中、外三个胚胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化开始分化内内细胞群可以胞群可以发育成完整的个体，具有全能性育成完整的个体，具有全能性当内当内细胞群在培养皿中培养胞群在培养皿中培养时，称之，称之为胚胎干胚胎干细胞胞骨髓骨髓间充充质干干细胞胞骨髓骨髓间充充质干干细胞是从骨髓中分离的非造血干胞是从骨髓中分离的非造血干细胞胞间充充质干干细胞的特点胞的特点高度高度扩增能力增能力 多向分化能力多向分化能力 可移植性可移植性 基因治基因治疗的的优秀秀载体体 间充充质干干细胞在胞在组织修修补、造血干、造血干细胞移植、基因治胞移植、基因治疗、等、等领域有着域有着广泛的广泛的应用前景用前景培养中的骨髓培养中的骨髓间充充质干干细胞胞造血干造血干细胞胞干干细胞研究以及利用干胞研究以及利用干细胞来治胞来治疗疾病的干疾病的干细胞生物工程已胞生物工程已经成成为继人人类基因大基因大规模模测序完成后生命科学中最活序完成后生命科学中最活跃的研究的研究领域之一域之一造血干造血干细胞作胞作为干干细胞研究的典范已广泛胞研究的典范已广泛应用于用于临床，床，为恶性血液病、性血液病、实体瘤、免疫性疾病提供了有效的治体瘤、免疫性疾病提供了有效的治疗手段手段美国美国华盛盛顿大学大学ThomasThomas教授用造血干教授用造血干细胞移植方面的杰出成就胞移植方面的杰出成就获得得19901990年年诺贝尔奖神神经干干细胞胞过去，医学界认为脑细胞缺乏再生能力，神经损伤是不可逆转的。因此，长期以来，医学界对中风、脑肿瘤、严重脑外伤、脑缺血、帕金森病引起的神经性障碍无能为力1992年,Renolds和Weiss从成年鼠海马分离出神经干细胞(neural stem cell,NSC),又在前脑室旁区发现了NSC,使神经元变性和损伤性疾病的传统治疗观念受到冲击传统观念:阻止神经变性的恶化和减少可逆受损细胞的死亡,新观念:重视药物治疗对NSC分化和神经元再生的促进作用以及外源NSC移植的治疗作用神神经干干细胞研究方向胞研究方向进一步研究神一步研究神经干干细胞生物学特征以及分离、胞生物学特征以及分离、纯化和化和扩增的条件；增的条件；确定人确定人类是否也具有神是否也具有神经干干细胞；胞；人人类神神经干干细胞在胞在脑内的定位以及怎内的定位以及怎样在原位在原位诱导神神经干干细胞增殖分胞增殖分化以化以补充因疾病和充因疾病和损伤所所丢失的神失的神经细胞；胞；人人类神神经干干细胞是否也可向其它胚胞是否也可向其它胚层的的细胞胞转化等等化等等利用它直接利用它直接进行移植治行移植治疗，或利用病毒，或利用病毒载体，携体，携带目的基因，目的基因，导入神入神经干干细胞，将胞，将筛选得到的体外高效表达目的基因的克隆得到的体外高效表达目的基因的克隆进行移植行移植治治疗优点点神神经干干细胞在胞在脑中能根据其周中能根据其周围微微环境的境的诱导而分裂，分化成而分裂，分化成为相相应的的细胞胞类型，其形型，其形态和功能与附近的宿主和功能与附近的宿主细胞非常胞非常类似。即使是将因似。即使是将因转入原癌基因而永生化的神入原癌基因而永生化的神经干干细胞植入胞植入脑后也未后也未长出出肿瘤瘤中枢神中枢神经系系统具具备特殊的特殊的结构血构血脑屏障，屏障，这使的淋巴使的淋巴细胞很胞很难进入，因此不同个体之入，因此不同个体之间，甚至是不同物种之，甚至是不同物种之间的神的神经干干细胞移植，都胞移植，都几乎没有排斥反几乎没有排斥反应，大大提高了神，大大提高了神经干干细胞的来源胞的来源神神经干干细胞可以在体外根据不同的需要胞可以在体外根据不同的需要导入相入相应的外源基因，成的外源基因，成为一一种广种广谱的的细胞胞载体。体。干干细胞的研究前景胞的研究前景几乎涉及了所有生命科学和生物医几乎涉及了所有生命科学和生物医药领域域细胞治胞治疗组织器官移植器官移植组织工程工程基因治基因治疗新基因新基因发掘与基因功能分析掘与基因功能分析探探讨胚胎胚胎发生、生、组织细胞分化、基因表达胞分化、基因表达调控等生命科学古老而神秘控等生命科学古老而神秘的的话题新型生物材料工程，新新型生物材料工程，新药的开的开发与与药效、毒性的效、毒性的评估等多种估等多种领域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骨质疏松疏松癌症癌症神神经系系统疾病疾病老年性痴呆、帕金森病、脊髓老年性痴呆、帕金森病、脊髓损伤等等严重重烧伤遗传性缺陷性缺陷干干细胞治胞治疗三三阶段段第第1阶段段:把把1种种组织的成体干的成体干细胞直接移植胞直接移植给相相应组织坏坏损的病人的病人 第第2阶段段:在体外在体外对干干细胞胞进行行诱导使之使之“定向定向”分化成所需的分化成所需的细胞。胞。对于某些于某些遗传性疾病，性疾病，还可可对干干细胞胞进行基因修行基因修饰。对经过“定向分化定向分化”或或“基因修基因修饰”后的干后的干细胞胞进行行筛选后，把后，把“合格合格”的的细胞移植胞移植给病人。病人。第第3阶段段:在体外在体外进行行“器官克隆器官克隆”以供病人移植以供病人移植干干细胞研究胞研究 主要主要问题和方向和方向从胚胎干从胚胎干细胞向不同胞向不同组织细胞胞“定向分化定向分化”的条件的条件还不清楚不清楚 干干细胞研究的主要胞研究的主要问题之一就是要弄清胚胎干之一就是要弄清胚胎干细胞胞发育的育的调控机制，控机制，从而在体外培养从而在体外培养扩增胚胎干增胚胎干细胞胞如何在成体干如何在成体干细胞胞扩增的同增的同时，保持其自我复制的特性，保持其自我复制的特性干干细胞研究的胞研究的热点之一就是建立和点之一就是建立和发展分离成体干展分离成体干细胞的更有效的方胞的更有效的方法和手段法和手段探探讨成体干成体干细胞横向分化的机制是干胞横向分化的机制是干细胞研究的另一个主要胞研究的另一个主要课题克服异体移植引起的免疫排斥克服异体移植引起的免疫排斥怎怎样在体外形成具有空在体外形成具有空间结构及构及0 0功能的器官功能的器官 干干细胞胞细胞是胞是对疾病疾病进行基因治行基因治疗的理想的理想载体，如何根据个体基因的体，如何根据个体基因的差差别，安全地，安全地实现个体化的基因治个体化的基因治疗 伦理法律等理法律等问题 研究前景研究前景干干细胞胞研研究究以以及及利利用用干干细胞胞来来治治疗疾疾病病的的干干细胞胞生生物物工工程程已已经成成为继人人类基因大基因大规模模测序完成后生命科学中最活序完成后生命科学中最活跃的研究的研究领域之一域之一随随着着干干细胞胞技技术进一一步步发展展和和完完善善，干干细胞胞生生物物工工程程必必将将带动整整个个生生命科学命科学领域，生物医域，生物医药产业以及医院体系的以及医院体系的发展和展和变更更甚至可能甚至可能为整个社会整个社会带来一来一场技技术革命革命生物材料生物材料有机物珊瑚、胶原、脱钙骨基质聚合物如聚乳酸、聚羟基乙酸无机物磷酸钙为主的骨水泥、生物陶瓷硫酸钙为主的生物玻璃降解、生物再吸收、生物相容性、毒性、致癌性和诱发炎症反应等生物材料支架生物材料支架胶原支架：胶原支架：是生物系统中一种重要的不溶于水的纤维性蛋白质，构成高等动物蛋白质的1/3，是胞外基质重要的结构蛋白。壳聚糖：壳聚糖：甲壳质是节肢动物角质内的主要结构多糖，壳聚糖是甲壳质的部分拖乙酰化产物，具有阳离子性质，因此可以吸引糖胺聚糖、蛋白聚糖等带负电荷的大分子聚集在支架内，即利于收集组织液中的生长因子。海藻酸海藻酸盐：是存在于褐藻的阴离子线性多糖，具有亲水性，生物相容性好。磷酸磷酸钙基生物材料：基生物材料：是高度生物相容性的多晶陶瓷，能进行骨整合。硫酸硫酸钙基生物材料：基生物材料：是骨替代的最早的材料之一。适合作为骨洞填充物。半结晶水的硫酸钙一般称为熟石膏，与水混合、成型、凝固，具有生物兼容性。电镜下下纳米米PLGA/HA复合物复合物生生长因子因子骨形态发生蛋白（BMP）血管内皮生长因子（VEGF）成纤维细胞生长因子（FGF）转化生长因子-（TGF-）胰岛素样生长因子（IGFs）血小板衍生生长因子（PDGF）神经生长因子（NGF）骨衍生生长因子（BDGF）其他一些来自血细胞的衍生因子如白细胞溶菌素、肿瘤坏死因子（TNF）、淋巴细胞毒素、干扰素等也参与骨折的愈合。组织工程具体工程具体应用用骨头 将骨生长因子或干细胞植入一种做成特别形状的孔状材料中，制造新的下颌或肢体。一种能制造胫骨的产品正处在临床试验中。公司：Creative Biomolecules,Orquest,SulzerOrthopedics,Biologics,Genetics Institute,OsirisTherapeutics,Regeneron。皮肤皮肤Organogenesis公司研制的与人类皮肤相同的Apligraf，是第一个获得食品及药物管理局（FDA）批准的人造组织。它最初用于治疗腿部溃疡，也可用于治疗足部溃疡和烧伤。公司：Organogenesis,Advanced TissueSciences,Integra LifeSciences,LifeCell,OrtecInternational。耳耳软骨骨一种能够使膝关节软骨再生的产品已经面市。已为一个男孩培养了一个胸廓并在裸鼠身上制造出了人耳。公司：Genzyme Tissue,Biomatrix,Integra LifeSciences,Advanced TissueSciences,ReGen Biologics,OsirisTherapeutics已已经受理注册受理注册检验的的产品品