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生物医学工程研究方法简述 课程理念 现代教育学家认为 在教学过程中 占中心地位的应该是 学 而不是教 主张在教师指导下 由学生自己去 发现 规律 自己去 研究 问题 教师的主要任务在于启发而不在于讲解 教方法 教思路比一般地教知识 教内容更重要 学生的主要任务在于思考 而不是单纯的记忆 强调理解比单纯记忆更重要 可以预言 未来的 文盲 将不再是目不识丁的人 而是一些没有学会学习方法 不会自己钻研问题 没有预见能力 分析能力的人 学习是基础 思考是关键 实践是根本 课程内容 生物医学工程是一门涵盖极其广泛的学科 在每一个研究方向中几乎不可避免的要遇到多学科交叉应用的情况 生物医学与工程如何结合 如何在不同的知识背景下寻找新的突破口 是值得我们思考的问题 科学思维和研究方法的建立是成功的前提 本课程以人工器官及生物芯片两个领域的前沿研究为基本讲述内容 课程内容 人工器官的发展现状及前景人工心脏的原理及研究方法人工肾的原理及研究方法人工肺的原理及研究方法人工肝的原理及研究方法 课程内容 人工胰腺的原理及研究方法人工心脏的实验研究方法生物芯片原理基因芯片原理及研究方法 研究简介 2003HUSTPostDoctoral2004DRFZB cellvisitor2006UTMBPostDoctoralResearchFellowCD14在脾脏生发中心凋亡淋巴细胞清除中的作用人工心脏及人工肺辅助装置研究 脾脏生发中心反应过程GerminalCenter 生发中心主要由B细胞构成 也是B细胞分化成熟的场所T细胞依赖的免疫应答诱导生发中心反应 其结构变化包括2个连续的过程 即早期在暗区B细胞增殖和免疫球蛋白的V区基因产生突变 随后在亮区高亲和性B细胞被选择性分化为浆细胞和记忆性B细胞而不突变的和静止的或发生有害突变的细胞则通过凋亡死亡 淋巴结的功能 当受到某种抗原刺激后 在淋巴小结生发中心或副皮质区内的淋巴细胞母细胞化 进行分裂增殖 产生B淋巴细胞 浆细胞或T淋巴细胞 脾脏生发中心反应过程 凋亡细胞的清除 凋亡细胞的清除是由巨噬细胞完成的 其机制目前仍不十分清楚 从现有的证据推测可能分为以下几个步骤 包括 1 凋亡细胞的识别 2 巨噬细胞上的受体与凋亡细胞上相应的配体结合 3 吞噬过程 4 巨噬细胞释放抗炎症介质如TGF 1 PGE2 PAF等 其清除异常与肿瘤 自身免疫病的发病有关 Fluorescence staining Protocol 1 Liu22 03 04 Preparation knockout 2slidesheterozygote 2slidesThawingofthetissue about5min RT CirclearoundthetissuewithDakoCytomationPen BlockingwithPBS BSA 2 3 30minAdditionofPNA FITIC1 500 120ul uponKo1 Het1 AdditionofPNA RHODA1 500 120ul uponKo2 Het25 Incubation 50min RT 6 Wash4 5minPBS7 Coverslides FluoromountG 8 Fluorescentmicroscopyandimageanalysis 免疫球蛋白与抗体 免疫球蛋白 Immunoglobulin Ig 是指具有抗体活性 或化学结构与抗体相似的球蛋白 主要存在于血液和其它分泌液中 也可以SmIg的形式存在于B细胞表面 抗体 antibody Ab 是机体免疫细胞被抗原激活后 由分化成熟的终末B细胞 即浆细胞所合成与分泌的一类能与相应抗原特异性结合的具有免疫功能的球蛋白 Ab是重要的免疫分子 主要存在于血液 体液和粘膜分泌液中 介导体液免疫效应 Ab Ig Ig Ab Ab是功能描述 Ig是化学结构描述 免疫球蛋白的结构 一 基本结构1 Ig是由两条相同的重链 H 和两条相同的轻链 L 借其中形成的二硫键而彼此连接在一起的四肽链结构分子 2 重链分 五类 对应的抗体分别为IgG IgA IgM IgD和IgE 轻链分 两型 每个Ig的L链完全相同 3 可变区 H链N端的1 4和L链N端的1 2区域内 氨基酸的种类 排列顺序与构型的变化很大 故称 4 超变区 可变区 V区 中部分区域的氨基酸组成 排列顺序和构型更易变化 其中VH有4个 VL有3个 5 骨架区 可变区中除去超变区部分的氨基酸变化相对较小 又称为 6 恒定区 H链C端的3 4和L链C端的1 2区域内 氨基酸的种类 排列顺序与构型相对恒定 故称 各功能域的基本功能 VH和VL 抗原结合功能域 CH和CL 生物学活性功能域 绞链区 适应V区同抗原的结合 CH2 CH3 补体结合功能域 CH3 CH4 受体结合功能域 1 连接链 由合成IgA IgM的浆细胞产生 以二硫键的形式共价结合到Ig的H链上 可稳定Ig多聚体的成份 三 免疫球蛋白的其它成份 2 分泌片 由粘膜上皮细胞合成的一条多肽链 是上皮细胞膜上的多聚Ig受体的胞外区部分 为分泌型IgA产生所必需 可保护sIgA免受蛋白酶的水解破坏 四 免疫球蛋白的酶解片段 Fab 抗原结合片段 Fc 可结晶片段 F ab 2 具双价抗体活性 可结合两个抗原决定簇 pFc 小分子肽片段 无任何生物学活性抗原结合片段 免疫球蛋白的血清型 将Ig作为抗原在异种 同种异体或自身体内进行免疫 均能诱导机体发生免疫应答 产生相应的抗体 这些抗体可用血清学方法进行检测 因此称为Ig的血清型 包括 1 同种型 isotype 指同一种属所有正常个体Ig分子所共有的抗原特异性标志 主要存在于Ig的C区中 据H链C区的不同又分为五个大类 每一类又分若干亚类 按L链的不同分为两型 每型又分为若干亚型 2 同种异型 allotype 同一种属中不同个体所产生的同一类型Ig 由于重链或轻链恒定区内一个或数个氨基酸 即遗传标志 不同而表现的抗原性差异 同种异型可以为同一物种的某些个体所共有 但绝不会为同一物种的所有个体所共有 3 独特型 idiotype 同一个体中不同B细胞克隆所产生的Ig可变区所具有的抗原特异性标志 由Ig超变区特有的氨基酸序列和构型所决定 可变区 抗原结合部位 独特型抗原决定簇是同一物质在不同情况下的不同名字 免疫球蛋白的生物学活性 1 特异性结合抗原与Ag的结合具有高度特异性 必需是超变区与抗原的空间构象完全吻合 与抗原结合后 可介导体内的多种生理和病理效应 中和病毒 毒素 介导炎症反应 体外可产生凝集 沉淀现象用于检测等 2 激活补体当IgG1 3和IgM类抗体与抗原特异性结合后 其构型发生改变 暴露IgG的CH2和IgM的CH3功能域的补体结合位点 通过补体经典途径激活补体 3 结合Fc受体主要通过IgG IgE的CH3 CH4功能域与位于不同细胞上的Fc R Fc R结合 介导不同的生物学效应 1 与单核巨噬细胞和中性粒细胞上的Fc R结合介导调理吞噬作用 2 与肥大和嗜碱性粒细胞上的Fc R结合介导I型超敏反应 3 靶细胞上的抗原决定簇结合IgG的Fab段 而抗体的Fc段与NK细胞上的Fc R结合 发挥抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用 Abdependentcell mediatedcytotoxicity ADCC 4 穿过胎盘IgG所独有 是婴儿获得天然被动免疫的主要原因 主要借助胎盘滋养层细胞表面的Fc R进行的 5 免疫调节高浓度的抗体通过封闭抗原 低浓度IgG抗体与相应的抗原结合 以及高浓度抗独特型抗体都能对免疫应答产生负调节作用 也可通过独特型与抗独特型网络参与机体的正 负免疫调节作用 免疫球蛋白的基因及其表达 B细胞中有H 和 链3个编码Ig基因的连锁群 每个基因库中又有许多彼此连锁的 V C 基因 以及若干连接 J 基因和多样性 D 基因 这些基因经过重排后进行表达 不同的基因重排和表达 决定了Ig的多样性和能针对多种进行反应的特异性 小鼠 轻链基因库的组成 小鼠 轻链基因库的组成 小鼠重链基因库的组成 轻链基因的重排 RNA处理和蛋白质表达的过程 重链基因的重排 RNA处理和蛋白质表达的过程 多克隆和单克隆抗体 一 多克隆抗体 Poly clonalabtibody PcAb 用抗原免疫动物后得到的动物血清 抗血清 是由体内分别针对抗原物质上的多个抗原决定簇的多个B细胞克隆发生应答后产生的 因此叫 问题 1 如果用单一抗原决定簇来免疫动物能得到单克隆抗体吗 为什么 2 多克隆抗体的详细机制是什么 三 单克隆和多克隆抗体的比较和用途 特异性 敏感性 均一性 McAb PcAb 低 差 无 高 强 有 1 用于免疫学检测 辅助临床诊断 2 McAb用于亲和层析 分离微量可溶性抗原 3 标记的McAb用于基础研究 了解细胞分化等 4 制备生物导弹用于肿瘤 移植等的临床治疗 基因工程抗体目的 保留抗体的抗原结合能力 降低生产成本 易于大规模生产 减小鼠源性成份 基本原理 借助基因工程手段 将编码Ab的基因重组到真核或原核表达载体上并进行表达 基本种类 见下图 原理 种类 基因工程抗体种类 基因工程人源化抗体生产示意图 人源抗体的生产过程 IgA CD4 healthyhyperplastictonsil CD38 Ki67 CD20 巨噬细胞对凋亡细胞的清除CD14 巨噬细胞对凋亡细胞的清除CD14 人工器官概念人工器官的发展现状人工器官的发展前景 人工器官的发展现状及前景 人工器官的应用当人体器官因病伤已不能用常规方法救治时 现代临床医疗技术有可能使用一种人工制造的装置来替代病损器官或补偿其生理功能 人们称这种装置为人工器官 artificialorgan 问题1 1 简述人工器官及发展 给出几个例子 简述人工肾的原理 人工肾的组成 人工器官 定义 人工器官是生物医学工程专业中的前沿学科 研究的目的是模拟人体器官的结构和功能 用人工材料或生物活性材料以机械 电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的装置 当人体器官病损用常规方法难以医治时 用人工制造的器官来取代或部分取代病损的自然器官 补偿 修复或辅助其功能 发展 人工器官是多种学科研究的结晶 该学科是生物材料 生物力学 组织工程学 电子学 计算机科学特别是微电子学以及临床医学相结合的多学科的交叉学科 20世纪80年代以来人工器官的研究和应用迅速发展 人体除大脑尚无人工大脑替代外 几乎人体各个器官都在进行人工模拟研制中 其中有不少人工器官已成功地用于临床 人工器官按功能分为11类 1 支持运动功能的人工器官 如人工关节 人工脊椎 人工骨 人工肌腱 肌电控制人工假肢等 2 血液循环功能的人工器官 如人工心脏及其辅助循环装置 人工心脏瓣膜 人工血管 人工血液等 3 呼吸功能的人工器官 如人工肺 人工心肺机 人工气管 人工喉等 4 血液净化功能的人工器官 如人工肾 血液透析机 人工肺等 5 消化功能的人工器官 如人工食管 人工胆管 人工肠等 6 排尿功能的人工器官 如人工膀胱 人工输尿管 人工尿道等 7 内分泌功能的人工器官 如人工胰 人工胰岛细胞 8 生殖功能的人工器官 如人工子宫 人工输卵管 人工睾丸等 9 神经传导功能的人工器官 如心脏起搏器 膈起搏器等 10 感觉功能的人工器官 如人工视觉 人工听觉 人工耳蜗 人工晶体 人工角膜 人工听骨 人工鼻等 11 其他类 人工硬脊膜 人工皮肤等 人工器官按原理分类机械式装置 如人工心脏瓣膜 人工气管 人工晶体等 电子式装置 如人工耳蜗 人工胰 人工肾 心脏起搏器等 人工器官按使用方式分类植入式 如人工关节 人工心脏瓣膜 心脏起搏器 体外式 如人工肾 人工肺 人工胰 这些体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置 人工心脏及人工肺辅助装置研究 IntroductionofArtificialHeartandLungDevelopmentMechanicalElectronicModelofMagneticSuspendedLeftVentricularAxialBloodPumpMagneticSuspendedArtificialHeartPumpRotorControlSystemHardwareDesignMagneticSuspendedArtificialHeartPumpRotorControlMethods Technique StabilityConditionArtificialHeartPumpSuspendedRotorUnbalanceMass MagneticCouplingControlArtificialHeartPumpRotorNonlinearCharacteristicandControlMethodGastransferandartificiallungstructureFutureWork Introduction Artificialheartassistdevicehistory presentandfuture Jarvik2000MicromedDeBakeyHeartmateIIBerlinHeartIncorImpellaRecover100 600HIAMicroVadLevitronixCentriMagmaglevCentrifugalbloodpump BerlinHeartINCOR Impella 600 Micromed Debakey Artificiallung FutureWork Designcentrifugalmagneticsuspendedbloodpump Arterio ve