组织工程应用

组织工程,引子,组织工程的概念,# 将人体某部分的组织细胞种植和吸附在一种生物材料的支架上进行人工培养繁殖,扩增,分化，# 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疗目的的一种技术,组织工程的核心问题,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。,组织工程的关键技术,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,种子细胞生物材料支架生长因子,种子细胞,干细胞：胚胎干细胞、成体干细胞组织来源细胞自体或异体,干细胞,根据不同的分化潜能 .全能干细胞 ：自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，有形成完整个体的潜能，如胚胎干细胞 多能干细胞 ：产生多种类型细胞的能力，但却失去了发育成完整个体的能力单能干细胞 ：也称专能干细胞、偏能干细胞，这类细胞只能向单一方向分化，产生一种类型细胞,按照干细胞发生的来源 胚胎干细胞 成体干细胞 间充质干细胞造血干细胞神经干细胞,干细胞不仅能产生特定组织的细胞，还能产生一些我们原先不知道的细胞造血干细胞-肝卵圆细胞(blood to liver)神经干细胞-造血祖细胞(brain to blood)间充质干细胞-神经细胞(marrow to brain)为了适应组织生长和修复时增高的祖细胞的要求，某些组织的干细胞可迁移到另一组织，如：肌肉修复时，间充质干细胞从骨髓转移到 骨骼肌,胚胎干细胞,胚胎干细胞是在人胚胎发育早期囊胚（受精后约57天）中未分化的细胞囊胚含有约140个细胞外表是一层扁平细胞，称滋养层，可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中心的腔称囊胚腔，腔内一侧的细胞群，称内细胞群，这些未分化的细胞可进一步分裂、分化，发育成个体内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化内细胞群可以发育成完整的个体，具有全能性当内细胞群在培养皿中培养时，称之为胚胎干细胞,骨髓间充质干细胞,骨髓间充质干细胞是从骨髓中分离的非造血干细胞间充质干细胞的特点高度扩增能力 多向分化能力 可移植性 基因治疗的优秀载体 间充质干细胞在组织修补、造血干细胞移植、基因治疗、等领域有着广泛的应用前景,培养中的骨髓间充质干细胞,造血干细胞,干细胞研究以及利用干细胞来治疗疾病的干细胞生物工程已经成为继人类基因大规模测序完成后生命科学中最活跃的研究领域之一造血干细胞作为干细胞研究的典范已广泛应用于临床，为恶性血液病、实体瘤、免疫性疾病提供了有效的治疗手段美国华盛顿大学Thomas教授用造血干细胞移植方面的杰出成就获得1990年诺贝尔奖,神经干细胞,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,神经干细胞研究方向,进一步研究神经干细胞生物学特征以及分离、纯化和扩增的条件；确定人类是否也具有神经干细胞；人类神经干细胞在脑内的定位以及怎样在原位诱导神经干细胞增殖分化以补充因疾病和损伤所丢失的神经细胞；人类神经干细胞是否也可向其它胚层的细胞转化等等利用它直接进行移植治疗，或利用病毒载体，携带目的基因，导入神经干细胞，将筛选得到的体外高效表达目的基因的克隆进行移植,治疗优点,神经干细胞在脑中能根据其周围微环境的诱导而分裂，分化成为相应的细胞类型，其形态和功能与附近的宿主细胞非常类似。即使是将因转入原癌基因而永生化的神经干细胞植入脑后也未长出肿瘤中枢神经系统具备特殊的结构血脑屏障，这使的淋巴细胞很难进入，因此不同个体之间，甚至是不同物种之间的神经干细胞移植，都几乎没有排斥反应，大大提高了神经干细胞的来源神经干细胞可以在体外根据不同的需要导入相应的外源基因，成为一种广谱的细胞载体。,干细胞的研究前景几乎涉及了所有生命科学和生物医药领域,细胞治疗组织器官移植组织工程基因治疗新基因发掘与基因功能分析探讨胚胎发生、组织细胞分化、基因表达调控等生命科学古老而神秘的话题新型生物材料工程，新药的开发与药效、毒性的评估等多种领域,心血管疾病自身免疫性疾病糖尿病骨质疏松癌症神经系统疾病老年性痴呆、帕金森病、脊髓损伤等严重烧伤遗传性缺陷,干细胞治疗三阶段,第1阶段:把1种组织的成体干细胞直接移植给相应组织坏损的病人 第2阶段:在体外对干细胞进行诱导使之“定向”分化成所需的细胞。对于某些遗传性疾病，还可对干细胞进行基因修饰。对经过“定向分化”或“基因修饰”后的干细胞进行筛选后，把“合格”的细胞移植给病人。 第3阶段:在体外进行“器官克隆”以供病人移植,干细胞研究 主要问题和方向,从胚胎干细胞向不同组织细胞“定向分化”的条件还不清楚 干细胞研究的主要问题之一就是要弄清胚胎干细胞发育的调控机制，从而在体外培养扩增胚胎干细胞如何在成体干细胞扩增的同时，保持其自我复制的特性干细胞研究的热点之一就是建立和发展分离成体干细胞的更有效的方法和手段,探讨成体干细胞横向分化的机制是干细胞研究的另一个主要课题克服异体移植引起的免疫排斥怎样在体外形成具有空间结构及0功能的器官 干细胞细胞是对疾病进行基因治疗的理想载体，如何根据个体基因的差别，安全地实现个体化的基因治疗 伦理法律等问题,研究前景,干细胞研究以及利用干细胞来治疗疾病的干细胞生物工程已经成为继人类基因大规模测序完成后生命科学中最活跃的研究领域之一随着干细胞技术进一步发展和完善，干细胞生物工程必将带动整个生命科学领域，生物医药产业以及医院体系的发展和变更甚至可能为整个社会带来一场技术革命,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,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：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。磷酸钙基生物材料：是高度生物相容性的多晶陶瓷，能进行骨整合。硫酸钙基生物材料：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。,电镜下纳米PLGA/HA复合物,生长因子,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。,组织工程具体应用,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,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, OrtecInternationa