胃肠道组织工程课件

胃肠道组织工程 Gastrointestinal (GI) Tissue Engineering 构成(Structure) 种子细胞 seeded cellular 生物材料支架biomaterial scaffold 细胞来源及增殖 Cell source & proliferation Heterologous（异质性） Allogenic（同种异体） Autologous（自体同源） 胚胎或成体干细胞 骨髓源性细胞 肌源性干细胞 神经元祖细胞 神经嵴源性干细胞 材料来源 天然来源的材料（胶原蛋白支架，小肠粘 膜下层起源的支架） 人工聚合物构成的支架（聚乳酸，聚羟基 乙酸，聚己内酯等） 生物材料特性 生物相容性 生物降解性 肠组织工程支架需要注意的因素： a支架本身的力学特性； b多孔隙促进气体和营养成分的交换； c降解率 d对于粘附、增殖以及主要免疫反应的生物 相容性 目的（Purpose) 平滑肌结构层 内在肠神经丛 特定粘膜 上皮细胞 间质细胞 模拟解剖和生理上固有的胃肠道 血管化 体内许多组织需要血管供应细胞营养和氧气，组织中氧气的弥散限制 在200微米之内 ，超过这个范围（氧气弥散受限）就需要生成新的血 管。 体外培养的大部分组织工程结构能够获得足够的营养，但是移植到体 内后营养和氧气的供应常常受限，特别是那些壁较厚、较大的工程化 组织更易受影响。为充分血管化的组织会导致细胞不能融合或细胞死 亡。 目前已成功使用的工程组织仅限于较薄或无血管组织，像皮肤、软骨 等。 因此，血管化是组织工程结构应用于临床的一个受限因素。 血管形成示意图 在血管形成期间内皮祖细胞产生主要的血管网，所形成的动静脉扩 展，周边细胞和平滑肌细胞加入以稳定血管，形成一个成熟的血管 网 组织工程中提高血管化的措施 支架设计 血管生成因子引入 体内预血管化 体外预血管化 支架设计 压缩成型，盐析 多孔性 孔径大小是血管长入的关键因素 250微米生长较快 微孔内部连通性也是一个重要因素 引入血管生长因子 自由扩散的VEGF121形成了 无序的血管形成，螺旋状结构 在细胞所需出通过MMPs酶解 释放VEGF121形成了规整的 血管 VEGF和bEGE刺激 内皮细胞运动、参与 血管形成。 无组织性，有漏隙，易出血 加入平滑肌细胞、外周细胞、 细胞外基质 PDGF TGF-b 体内血管化 i移植前替代动静脉供应血 液 ii移植后8周大量血管形成 体外血管化 大鼠成肌细胞联合脐静脉内皮细胞， 胚胎成纤维细胞接种到支架形成预血 管网，然后移植到体内与脉管系统吻 合。 胃肠道神经肌肉结构替代物的管状结构示 意图 当移植时所选择的生物材料支架必须有适 当的孔隙允许新生血管通过。 理想化的是想象的组织工程替代物在不同 的结构层中包含不同的细胞，具有Cajal (ICC) 间质细胞的环形和纵形平滑肌。 此外，管状结构也包括局部的肠神经丛(肠 肌层和粘膜下层）。 支架生物材料必须允许再次形成上皮从而 再生粘膜层。 生物工程管状结构必须能够维持一个专有 的管腔，在移植到体内后使用期间能够维 持其完整性，不容许有内容物漏出。 当移植时，完美的组织工程结构将于现存 的肌肉、神经和粘膜层结合在一起并且能 够从中枢神经系统中获取信号从而实现蠕 动，肠运动，消化及排泄。 胃组织工程研究 胃作为食物的储存器。胃运动机械性的碾 碎食物并且提高与消化酶的混合。而后进 一步对食物进行化学消化。胃排空食物使 其进入十二指肠受力学，神经和激素调控 。胃中运动的破坏，由于糖尿病，ICC的耗 尽，或胃平滑肌运动的减弱导致胃排空的 延迟或加速。 非细胞性组织工程支架修复受损胃 壁 16周 后再 生的 胃壁 组织分析：胃壁主要由再生的粘膜层和粘膜下层组成，在粘膜下层以 下还可见到较薄的肌层 新补片 直径5cm 从粘膜到浆膜由三层 构成：PDLCL、胶原 蛋白支架、PGA非纺 织纤维 抗张力强度与食管相似，但是新 补片没有固有消化管的高弹性 内窥镜检查结果 A:手术1周后，PDLCL没有剥落或裂开 术后2周PDLCL开始变薄，逐渐缩小，开始从周围粘膜脱离。 B:术后4周PDLCL完全消失，在移植中心区形成一个巨大的溃疡样病变，溃疡 易出血，没有粘膜再生 C:术后8周，周围粘膜再生 D：术后12周，再生粘膜向中心扩展，但是中央一直存在小溃疡 A：浆膜面完全由粘附的网膜 覆盖。 B:粘膜面修补中央区一直存在 线性小溃疡，再生区域粘膜缺 乏皱褶。 免疫组化 a-SMA在整个区域得到表达， 但是层次结构不明显。 basic calponin 在同一区域很难 表达。 说明没有平滑肌再生 结论 新补片能够用于没有感染或吻合口裂开的 胃壁缺损的修补。4周后周围粘膜开始再生 ，16周一直存在线性溃疡。再生胃区域较 原始大小缩小了60%-80%.显然没有肌肉层 的再生。未考虑自体血液来源供应支架。 新补片显示出了充分的机械强度和更好的 生物相容性。 然而还需进一步研究解决功能方面的问题 Micci等将 CNS源性的神经祖细胞移植到胃轻瘫的大鼠幽 门表明该细胞能够分化成神经细胞并且改善了胃排空功 能。祖细胞移植为胃肠运动方面的功能性组织工程开辟 了一条可探索的途径。 小肠 小肠是营养吸收的主要结构。小肠的蠕动 以及部分收缩能够增加食物与小肠的壁的 接触面积以便更好的促进小肠绒毛吸收营 养。由于先天缺陷或是多种手术切除，小 肠收缩缺失导致短肠综合征。短段小肠导 致吸收障碍，营养不良以及运动方式的适 应性改变。 组织工程为短肠综合征实施肠延长手术提 供了一个较好的解决方案。 Tissue Engineering of Small Intestinal Tissue Using Collagen Sponge Scaffolds Seeded with Smooth Muscle Cells 移植区域粘膜面的发现 Macroscopic findings on the luminal side of the graft area. The SMC (-) group (A) and SMC (+) group (B) at 4 weeks after implantation, and the SMC (-) group (C) and SMC (+) group (D) at 12 weeks after implantation. (A and B) In both groups, the luminal surface of the graft area was not covered with mucosa at 4 weeks, but had an ulcerative appearance. (C) At 12 weeks, the graft surfaces in the SMC (- ) group were covered by regenerated mucosa that was depressed relative to the adja- cent mucosa. (D) At 12 weeks in the SMC (+) group, it was dif- ficult to macroscopically distinguish the