生物技术在生物医学工程中的应用

生物医学工程概论现代生物技术在组织工程中的应用讲课：郑权zhengquan82339872（办公室312）现代生物技术(biotechnology)是以生命科学为基础，利用生物（或生物组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，以及与工程原理相结合，加工生产产品或提供服务的综合性技术。生物技术、信息技术、纳米技术被誉为21世纪的科学支柱,将影响着世界各国的政治、经济、文化。生物技术不仅与人们的日常生活、工作、健康密切相关，也与国家的经济发展及安全密切相关，因此世界各国政府均十分重视生物技术的发展。我国政府成立了“国家生物技术研究开发与促进产业化领导小组”，具体领导全国的生物技术研究、开发及产业化。,生物技术内涵十分丰富，涉及到：对生物的遗传基因进行改造或重组，并使重组基因在细胞内表达，产生人类需要的新物质的基因技术，如“克隆技术”；利用生物细胞大量加工、制造产品的生物生产技术，如发酵；在纳米（即百万分之一毫米）尺度上研究生物大分子精细结构及其与功能的关系，并对其结构进行改造利用它们组装分子设备的纳米生物技术；组织工程，器官工程，再生医学等。一、组织工程学的诞生、定义、基本方法与研究内容,生物技术涵盖的领域以及可以应用的领域：(1)从分子水平层面上，包括基因工程、酶工程、发酵工程、生化工程、蛋白质工程、代谢工程等；(2)从细胞层面上，包括细胞工程；(3)从其他层面上.认识事物:从简单到复杂。基础研究(宏观微观，遵循从简单到复杂):人体器官组织细胞或亚细胞分子应用研究（微观宏观，遵循从简单到复杂）：人体（？）器官（如人工器官、器官工程）组织（组织工程）细胞或亚细胞（细胞工程）分子水平（包括基因工程、酶工程、发酵工程、生化工程、蛋白质工程、代谢工程等）,美国科学家RobertLanger与JosephPVacanti在80年代中期提出的“组织工程学”概念，是用在一种可生物降解的支架材料上种植人体活细胞，在生长因子作用下，再生成为组织的新技术。组织工程学(tissueengineering)：应用生命科学与工程学原理与技术，探讨正常和病理组织的结构-功能关系，研制生物学替代物修复或重建组织器官的结构，维持或改善组织器官功能的一门学科。组织工程标志着医学将走出器官移植的范畴，步入预制、再生组织和器官的新时代。,基本方法：将体外培养的高浓度组织细胞，扩增后吸附于一种生物相容性良好，并可被人体逐步降解、吸收的细胞外基质上；然后将这种复合体植入机体病损部位，使其在降解、吸收过程中增生、繁殖，形成新的具有其原来特殊功能和形态的相应组织和器官，达到修复创伤和重建功能的目的，从而解决组织和器官缺损所致的功能障碍或丧失的治疗问题。研究内容：(1)种子细胞的分离培养；(2)生长因子等组织诱导因子的制备；(3)细胞外基质替代物的研制；(4)组织工程化组织对各种病损组织的替代研究。组织工程学涉及细胞生物学、材料学、工程学、生物化学、免疫学、发育生物学、分子生物学、临床医学及伦理学等多学科的交叉与渗透，是一项复杂的系统工程。,我国学者曹谊林(1997年)在人外耳形状的支架材料上接种软骨细胞，经体外培养后植入裸鼠背部皮下，成功地再造了有精细三维结构人耳廓外形的软骨。CaoYL，VacantiJP，PaigeKT，etal.Transplantationofchondrocytesutilizingapolymer-cellconstructtoproducetissue-engineeredcartilageintheshapeofahumanear.PlastReconstrSurg，1997，100(2):297-302.人耳鼠的实验流程：,二、组织工程化组织的临床应用实例组织工程学的研究领域涉及多种哺乳动物的几乎所有器官的不同组织（如皮肤、角膜、软骨、血管、肌腱、骨等），组织工程产业已经开始形成。美国：1998年，组织工程皮肤是被FDA批准的临床应用的第一个组织工程产品，其代表产品有Dermagraft和Apligraf。Apligraf被FDA批准用于临床，是第一个含活细胞的真正意义的组织工程皮肤，以胶原为支架，在胶原的下层接种新生儿的成纤维细胞，在胶原的表层接种新生儿的表皮细胞，这种具有双面细胞的组织工程皮肤用于治疗静脉性溃疡。Dermagraft也是一种含活细胞的组织工程皮肤，于治疗糖尿病溃疡，达到创面愈合。,国内：陕西艾尔肤组织工程有限公司是第一家获得组织工程皮肤生产批文。组织工程双层皮肤产品是用组织工程方法对所取组织进行消化、分离成表皮细胞、成纤维细胞，并对其分别培养和扩增，达到一定细胞数量后重组形成双层皮肤组织（包括表皮层及真皮层），这种皮肤产品的结构基本等同于人类的皮肤组织，包含可角化复层鳞状上皮的表皮层和含成纤维细胞的真皮组织。用于皮肤烧伤、皮肤溃疡、皮肤创伤和多种原因造成的皮肤缺损修复。,组织工程化皮肤需要改进之处：尽管目前已有许多组织工程化皮肤具有与正常皮肤相似的结构及屏障功能，应用于临床取得了一定疗效，但仍不具备完整的皮肤结构，也远非真正意义的皮肤功能重建，尤其是缺乏皮肤的附属结构和不具备皮肤的免疫功能。下一个组织工程产品：角膜？软骨？.三、组织工程面临的挑战与干细胞进一步寻求防止种子细胞功能老化的方法、发掘新的细胞来源途径、选择更接近细胞生长微环境的支架材料以及探索增进工程化组织器官血管化的有效措施等，均是组织工程研究中亟待解决的重要问题。目前的研究热点主要集中在干细胞的研究、基因转染技术的应用、生物材料的分子设计等方面。近几年干细胞研究最新进展。,近些年来，从事干细胞研究的科学家已经试图将一些正常的体细胞直接转化为诱导多能性干细胞（inducedpluripotentcells，简称iPCs），它们具有类似胚胎干细胞（ES）的功能。2006年3月，日本京都大学的ShinyaYamanaka领导的研究小组在小鼠尾部细胞中插入一个四基因联合体，成功得到了类胚胎干细胞。2007年6月，Yamanaka和麻省理工学院RudolfJaenisch以及哈佛大学KonradHochedlinger领导的三项研究，改进了导入4种基因的载体以及iPCs的选择标记，并且证实了利用小鼠表皮细胞制得的iPCs确实是多能性的，具有分化成各种组织的潜力。,美日科学家利用人体皮肤细胞研制出类胚胎干细胞这一重大突破避免了长期面临的伦理争议2007年11月20日，美国和日本的两个科学小组同时宣布，它们的研究人员成功地将人体皮肤细胞改造成了几乎可以和胚胎干细胞相媲美的干细胞。这一成果有望使胚胎干细胞研究避开一直以来面临的伦理争议，从而大大推动与干细胞有关的疾病疗法研究。该项研究突破分别发表在细胞和科学期刊网络版上。InducedPluripotentStemCellLinesDerivedfromHumanSomaticCells，//20November2007/Page1/10.1126/science.1151526。,技术特征：1.美日科学小组选择的皮肤细胞组织有所不同。日本京都大学教授山中伸弥领导的研究团队选择了来自一名36岁妇女的脸部细胞，美国威斯康辛大学俞君英领导的研究团队则使用了新生儿的包皮细胞。2.美日研究团队的载体：均采用逆转滤过性病毒。利用逆转滤过性病毒将四个基因注入皮肤细胞内，这些特定基因能启动和关闭其他基因，最终产生出类似胚胎干细胞性能的细胞。这是继5个月前科学家宣布成功将老鼠皮肤细胞变成类似胚胎干细胞后，美日研究团队竞相通过人类皮肤细胞获得干细胞所取得的难分伯仲的重大成就。,3.两个小组选择用于诱导皮肤细胞转化成为类胚胎干细胞的基因有四种日本Yamanaka小组利用此前的4种基因副本Oct4，Sox2，c-Myc和Klf4。研究人员表示，利用该技术，大约每5000个细胞就能制造一个iPC细胞系，这一高效率保证他们在每项实验中都能得到数个细胞系。相关论文发表于细胞，已获批专利。来自威斯康辛的Thomson小组则独自确定了14种新的候选重组基因。通过系统的排除过程，他们最终也使用了4个基因OCT4，SOX2，NANOG和LIN28，其中前两个和Yamanaka小组是相同的。与Yamanaka小组相比，这项研究需要1万个细胞才能分离出一个iPC细胞系，但对实验而言已经足够了。该成果将发表在12月21日的科学。诱导皮肤细胞转化成为类胚胎干细胞的基因能对皮肤细胞本身的基因进行重新编排，从而制出具有类似胚胎干细胞的功能，能够最终培育成人体组织或器官。,iPS细胞的存在问题：iPS细胞-即便是那些不用导入外源基因诱导的iPS-比对应的胚胎干细胞的分化的效率和忠实度低。胚胎干细胞被认为是全能干细胞（能分化成人体全部220种细胞的细胞）的“金标准”。胚胎干细胞具有分化成机体所有细胞的“全能性”，而且增殖能力很强。与成人干细胞相比，其临床应用前景更为广阔。干细胞“疯长”会造成癌症？胚胎干细胞强大的自我更新能力和全能分化能力，也会造成移植后的“致瘤性”。如何控制移植后胚胎干细胞的增殖和分化，是保证临床用药安全的关键。,材料科学的发展是组织工程的必要条件，也是组织工程学研究的一个重点内容。适用于做组织工程的支架材料或细胞载体应具有：良好的生物相容性；可制备成三维立体结构，具有多孔性和高孔隙率，内表面积大，既有利于细胞的贴附和长入，又有利于营养成份的渗入和代谢产物的排出；生物可降解性：材料应是可被吸收的，在组织形成过程中逐渐分解，而不影响新生组织的结构和功能；良好的表面活性：有利于细胞贴附，并为细胞在其表面生长、增殖和分泌基质提供良好的微环境；可塑性:便于加工成所需的形状，并有一定的机械强度，在植入体内后的一定时间内仍可保持其形状，从而使新形成的组织具有所需的外形等。,研究方向及其相关文献：1.分子生物学在生物材料评价研究中的应用现状。2.生物技术的综合应用促进组织工程学发展（涉及骨修复）。3.组织工程中药物控制释放技术的应用研究。4.组