口腔医学中的细胞力学研究VIP

口腔医学中的细胞力学研究,泰山医学院口腔医学院高静,第一节细胞生物力学的概念及研究内容,一、细胞生物力学的基本概念运用生命科学和工程科学的原理和方法来研究正常和病态细胞的结构和功能的关系，以及开发生物替代物来恢复细胞的功能。,二细胞生物力学研究内容,传统研究：细胞运动、变形、细胞间相互作用及细胞如何产生力、感觉和响应外界的作用力的研究目前：细胞骨架动力学研究，细胞-细胞外基质相互作用，细胞内亚细胞结构的粘弹性和链接，与细胞附着和运动有关的细胞与分子层次的力学行为等,三细胞的力学结构及力学特性,细胞的力学结构细胞骨架在细胞核中存在的核骨架-核纤层，包括微管、微丝和中间丝细胞骨架不仅维持细胞形态、承受外力、保持细胞内部结构的有序性方面起重要作用，而且还参与许多重要的生命活动，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。,生物纤丝的力学特性细胞的各种生物纤丝或链可近似看作一带有均匀密度和截面积的柔软柱体，直径8-25nm。细胞质膜的力学特性,细胞受力,（一）与细胞有关的力1.细胞内产生的力由生物纤丝的生长与收缩产生的力分子马达产生的力2细胞所受外部作用力当细胞与其他细胞或与基底材料接触距离在5nm或以上时，就会产生因电偶极子相互作用导致的范德华力以及因为与细胞质或细胞外液中游离的带相反电荷的离子、或与其他带电表面的相互作用产生的静电力,细胞形变,细胞的力学单元主要为一流体膜与其细胞骨架或细胞壁形成的组合薄膜。该膜的各弹性模量，包括弯曲压缩以及抗切变能力等，弹性模量会强烈影响细胞的形状。同时，细胞骨架为一网络结构系统，它使得细胞具有主动变形和抵抗被动变形的能力,干细胞研究1999年被Science评为十大科技进展之首；2000年再度入选世界十大科技进展；,美国诺贝尔奖获得者吉尔伯特预言,“用不了50年，人类将能够培育出人体的所有器官。”,11,2007诺贝尔生理/医学奖胚胎干细胞结合基因打靶研究,2007年10月8日瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将本年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家马里奥卡佩奇和奥利弗史密斯、英国科学家马丁埃文斯，以表彰他们在胚胎干细胞和基因敲除研究方面所做的贡献;“基因敲除小鼠”，即先在小鼠胚胎干细胞上引入外源无意义同源DNA序列，置换其中的靶向基因，然后将基因敲除后的胚胎干细胞植入小鼠早期胚胎，发育成的嵌合体小鼠体内同时存在被“修饰”过和原生基因。如果某小鼠的生殖细胞恰巧被敲除过，则它们就会生出全身各细胞某基因都被敲除的小鼠，其后代可出现纯“基因敲除”小鼠。,自1989年基因打靶技术在老鼠身上获得实际成功至今（2007），已经有一万多个小鼠基因分别被敲除，预计科学家们将很快实现所有小鼠基因的敲除，从而确定每个基因在健康和疾病中的角色；目前，基因打靶技术已经形成了500多个不同的人类疾病小鼠模型，涉及心血管疾病和神经退化疾病、糖尿病和癌症等。人类基因与小鼠基因相似性达90以上，它在理论上具备了用于心脏病、糖尿病和癌症等遗传因素引发的疾病研究的可能。,WhatsStemCell?,干细胞是动物（包括人）胚胎及器官中具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞，能分裂、产生出表现型和基因型都和自己完全相同的子细胞，同时还能分化为各类祖细胞，是重建、修复病损或衰老组织、器官功能的理想种子细胞。,CharactersofStemCell,具有无限增殖分裂的能力；长期保持自我稳定的能力；长期保持分化成其它细胞的可能性；产生新细胞是对组织（细胞）损伤的反应；以对称和/或不对称两种方式进行生长：或保持不分化状态，或不可逆地向终末分化（由细胞质中调节分化蛋白不均匀分配决定）。,干细胞具有的多向分化潜能和自我更新能力，使其成为未来再生医学的重要种子细胞，并成为研究人类早期胚层特化和器官形成、药物筛选以及基因治疗的最佳工具。,干细胞研究的伦理和社会问题,生殖性克隆；治疗性克隆；,日本投入巨资研究干细胞,2000年5月，日本把干细胞技术的出现视作在生命科学和生物技术领域赶超欧美国家的绝好机遇。在2000年度启动的“千年世纪工程”中，日本把干细胞工程作为四大重点之一，并且在第一年度就投入108亿日元的巨额资金；,英国允许胚胎干细胞研究,2000年12月19日，英国下议院以超过23的多数票通过了在严格管理的条件下允许克隆人类早期胚胎，并从中提取干细胞进行医疗研究的决议。2001年1月，经过年的激烈争论，英国议会上院通过法案，允许科学家克隆人类早期胚胎，并利用它进行医疗研究。,美国总统布什在2001年8月宣布，美国政府将仅仅支持对已有的胚胎干细胞进行研究；德国不仅只允许研究2002年1月30日以前产生的胚胎干细胞，而且还必须是在没有其它可选择的情况下才能进行。,布什否决干细胞提案,2005年，美众议院以238票对194票通过法案，要求加大政府对胚胎干细胞研究的资金支持；2006年7月18日该法案在参议院也以63票对37票获得通过；美国总统布什7月19日首次动用否决权，驳回这项支持胚胎干细胞研究的法案；几小时后，国会众议院以235票对193票的结果重新通过了这份旨在放宽干细胞研究的法案。但由于第二次表决没有获得三分之二的绝对多数，国会无力推翻总统的否决票。,联合国反对克隆人,2005年2月18日，经过激烈的辩论，第59届联合国大会法律委员会以71票赞成、35票反对、43票弃权的表决结果，以决议的形式通过一项政治宣言，要求各国禁止有违人类尊严的任何形式的克隆人。,欧盟继续资助人体胚胎干细胞研究,2007年1月24日,欧盟正式宣布将继续资助人体胚胎干细胞研究,但禁止克隆人类和破坏人类胚胎；在表决过程中,波兰、奥地利、马耳他、斯洛伐克、立陶宛声称出于伦理和道德上的考虑,否决了该项提议。德国和意大利在最后时刻改变原有立场,转而支持该项研究。在过去的7年中,欧盟研究基金资助了9个人体胚胎干细胞的科研项目，但必须遵循一定的前提:不能以复制为目的进行克隆人试验,不能从事企图修改人类基因库的研究,不能用于破坏人类胚胎的研究。,英干细胞银行正式开业,英国在2003年建立了世界第一个干细胞银行，旨在存储各种类型的干细胞，是世界第一个政府性的干细胞银行；2006年9月18日由英国政府下设的英国生物学标准与控制研究院经科学家们一致讨论，首次批准了6种可对外供应的胚胎干细胞；这次会议还规定，申请获得干细胞的科学家必须保证，不能进行克隆人的试验；已有约50个机构提出要求获得干细胞的申请，但也有人对此项决定表示疑虑。这项决定可能会使一些捐赠胚胎的夫妇心生不快。他们可能不太愿意自己的胚胎被用于一些他们并不知道的研究。,中国支持治疗性克隆研究,中科院陈竺院士2002年7月指出：“一个体外的胚胎在有限的时间，如14天里，尚属一般的生物细胞，此时还没有神经细胞和脑细胞的产生，既无知觉也无感觉，因此科学界一般认为它在此时还不是一个道德意义上的人。人类干细胞研究给21世纪医学的革命性发展带来可能，因此总的平衡利弊，还是要支持”。陈竺还强调，在支持的同时还要有严厉的法律、法规来保证这样的技术发展能真正造福人类。,生命何时开始？,生命从何时开始？这一问题的答案对于胚胎研究有巨大的影响。一种观点认为，生命的价值在于有发育潜力，而不是发育的当前状态。对于持有这种观点的人来说，对干细胞的研究及对人类囊胚的破坏是完全无法接受的。担心无法控制的生物技术可能导致道德沦丧。许多人认为，生命起点的最好定义是囊胚植入子宫壁。而从人类胚胎研究的观点看来，原肠胚形成是生命起点。,中国干细胞研究异军突起（1）,北京大学医学部等投入500万元组建北京大学干细胞研究中心，将干细胞研究列为“十五”期间的三大重点建设项目之一，该中心目前正在建立非病毒转化的角膜干细胞体外培养体系，并已着手建立人胚胎干细胞系以及包含人体各种组织的成体干细胞库；在以干细胞技术治疗肝病、糖尿病等方面已取得了初步突破。,中国干细胞研究异军突起（2）,天津血液研究所、上海市第二人民医院等，在血液干细胞研究上也有比较突出的成就。北京中关村生命科技园将干细胞研究列为首批入园的九大项目之一。,天津脐带血干细胞库通过验收,天津脐带血造血干细胞库，是世界规模最大的干细胞库之一，总投资1.18亿元。2005年5月通过国家卫生部执业验收和亚洲脐带血库验收，日处理脐带血能力100份，总储存量30万份。天津脐带血库创建公共储存与自体储存相结合模式，已在全国建立70多家分公司和工作站，储存新生儿脐带血干细胞3万余份，接受全国和亚洲脐血库615例无血缘关系患者的查询，配型成功率97，为数十位患者提供了移植供体；与世界各国脐带血干细胞库相比，天津脐带血造血干细胞库无论在储存数量、处理能力、洁净等级、通讯上网、安全保卫以及室内环境控制等方面，均居领先水平，为中国乃至全世界脐带血干细胞库的建设提供了示范和标准。,中国干细胞研究异军突起（3）,中国干细胞研究异军突起（4）,我国首家脐带间充质干细胞库2006年4月24日前在天津经济技术开发区天大科技园细胞产品国家工程研究中心落成；,我国干细胞研究有望后来居上,科技部973、863计划、国家自然科学基金、国家发改委产业化计划等都从不同的层面上给予干细胞研究多个重大重点项目资金支持；我国每年在SCI核心期刊发表的干细胞相关论文呈逐年增多趋势，2006年和2007年发表的论文数均超过2000篇，与英国和法国的数量相近，有些研究领域处于领先水平；2007年我国在干细胞领域发表的论文影响因子总数超过35的有11个研究组，其中影响因子总数位列前四的为：中国医学科学院血液学研究所韩忠朝（157.253）、中国医学科学院基础医学研究所赵春华（95.281）、北京大学生命科学院邓宏魁（93.370）、军事医学科学院基础医学研究所毛宁（75.111），其中有些单篇论文影响因子达到10.896。,中国干细胞研究异军突起（5）,全能干细胞（Totipotentstemcell）；多能干细胞(Pluripotentstemcell)；单能干细胞(Unipotentstemcell)；,干细胞分类,干细胞分类示意图,干细胞的可塑性,科学研究发现，一种成体干细胞在一定条件下可以产生出其它的细胞和组织。骨髓干细胞神经细胞神经干细胞造血细胞骨髓肌间叶干细胞造血细胞,提示：成人组织干细胞可能存在广谱的分化潜能；干细胞工程不一定取自胚胎干细胞；微环境对干细胞转化具非常重要的作用；,韩国“最高科学家”黄禹锡称已获体细胞克隆人类早期胚胎，并从中获得胚胎干细胞（2004.2）,ResearchesonESC(34),黄禹锡继续体细胞克隆（2005.5）,在Science黄禹锡报道，招募11名岁到56岁捐献体细胞的男女志愿者，患有脊索损伤、幼年糖尿病和先天性低丙球蛋白血症等各种疾病，其中一名患有脊索损伤的女性志愿者，也捐献了克隆胚胎用的卵母细胞；共将185个卵母细胞抽出细胞核，然后分别植入体细胞的细胞核，成功得到了31个胚泡，最后提取了11个干细胞系。而在2004年的研究中，黄禹锡等人最后只得到一个干细胞系。,ResearchesonESC(35),黄禹锡被问讯后返回首尔大学办公室，与助手、学生一一道别,2006年黄禹锡被证明发表在2004年Science上的胚胎干细胞克隆造假,ResearchesonESC(36),1964年为科研确立伦理规范的赫尔辛基宣言,科学家应该保证自身独立于研究项目之外，且没有受到强迫；研究者们一向被提醒不要接受来自研究团队成员捐出的卵子，因为这会引发捐卵者与研究有联带关系，以及担心捐卵可能是屈服于研究压力；黄禹锡曾向提供卵子的女性支付了每人150万韩元(合1450美元)补偿金。,ResearchesonESC(37),黄禹锡面临铁窗生涯,韩国首尔地方检察厅就前首尔大学教授黄禹锡因学术造假而遭起诉一案举行了第二次听证。黄禹锡在法庭上承认，自己曾指使手下伪造胚胎干细胞数据，并以此撰写论文发表在美国Science杂志上；2005年12月，他被揭发伪造多项研究成果，韩国举国哗然。黄禹锡发表在科学杂志上的干细胞研究成果均属子虚乌有。2009年10月26日，韩国法院裁定，黄禹锡侵吞政府研究经费、非法买卖卵子罪成立，被判2年徒刑，缓刑3年。,ResearchesonESC(38),成熟血细胞的产生过程,造血干细胞造血祖细胞前体细胞各种成熟血细胞,造血干细胞,DifferentiationofBloodCellsfromHematopoieticStemCell造血干细胞分化成各类血细胞,造血干细胞,捐献者是上海某医院护士曲海菁。她于2005年4月报名加入中华骨髓库，当年12月与北京一名白血病患者配型成功。2006年3月30日，在上海华山医院采集了造血干细胞，由上海分库工作人员于当晚护送到北京海军总医院,中华骨髓库实现第400例捐献,造血干细胞（22）,救命骨髓从北京空运来厦厦门日报2007-6-6,漳州16岁施姓少年2006年12月份无意中发现自己双下肢有一些瘀点，并在左腋下摸到一个花生米粒大小的肿物。随后他被诊断为“急性淋巴细胞白血病”。2007年3月份，小施转入厦门大学附属中山医院血液科继续治疗；幸运的是，仅仅两个月内，医生就在中华骨髓库为他找到配对的造血干细胞。这也是厦门市患者两年内第9个通过中华骨髓库获得救助的患者；2007年6月5日19时30分，在历经两个半小时的航程后，北京市红十字会的一名工作人员，怀抱着一个周转箱出现在厦门机场的出口处。这个箱子里装着的“救命血”于20时左右被输入该少年的体内,造血干细胞,据统计，我国白血病自然发病率约为十万分之四，每年新增白血病患者4万人；我国约有400万名白血病患者等待合适的骨髓移植；,造血干细胞,抽取成分血,造血干细胞,发现人牙齿干细胞,2005年1月澳大利亚阿德莱德大学的生物学家格罗恩索斯和他的研究小组在儿童换下来的牙齿中找到牙齿干细胞，可以用来帮助牙齿修复破损部分，也可能将来让老人长出新牙来；人的牙齿由不同的组织构成，包括釉质、牙质和牙髓等。其中牙髓中含有生成牙齿主体部分的“成牙质干细胞”，但在牙髓的上百万个细胞里，只有80个左右是干细胞；日本科学家利用狗齿中提取的干细胞，让狗长出了新牙；而英国科学家也成功地利用未成年实验鼠的干细胞培育出鼠牙。,从牙胚中分离出干细胞,2006年3月日本产业技术综合研究所报告，用特殊的蛋白质分解酶对拔除的智齿牙胚进行处理，分离出具有极强增殖和分化能力的间充质干细胞；把牙胚间充质干细胞植入多孔陶瓷，并移植到免疫缺陷的大鼠体内。周后取出，证实了有新生骨组织形成；把牙胚间充质干细胞移植到大鼠后，它们能合成白蛋白，表明生成了新的肝细胞。,干细胞再生牙齿结构,2006年10月美国南加州大学史松涛等采集智齿（wisdomteeth）的牙根尖（乳头状凸起）中的干细胞，成功使牙根（toothroot）、牙周韧带（periodontalligaments）再生，帮助他们的迷你猪（mini-pig）恢复牙冠。最终得到的牙齿与天然牙齿在结构和功能上都极为相似；不仅是智齿，甚至是婴儿不小心脱落的牙齿，都有可能成为有效的牙齿再生工具；他们希望未来几年内能够将此技术应用于临床，为千千万万牙病患者带来了福音。,牙齿再生有新方法,2007年2月TakashiTsuji等报道，分别在培养皿中培养两种能发育成牙齿的间充质细胞和上皮细胞，然后将这些细胞注入胶原质小珠中培养。这些细胞发育成1.3mm长的微型牙齿后，被移植到8周大的成年小鼠口腔中正常门牙被拨掉后留下的空位上；2周后被植入的仿生牙齿生长得非常健康，其牙根、牙釉质、牙髓、血管等结构与小鼠的正常牙齿一样有效地工作；科学家在此前的研究中只能够在实验室中培育出牙齿雏形，从未能使其在小鼠身上自然长成“牙齿”。,乳牙干细胞培育牙齿,2007年9月伦敦大学国王学院的保罗夏普教授教授等将一种源自间充质细胞的干细胞植入小鼠体内，转变成软骨组织。然后，用源自干细胞的上皮组织把这个小球包起来，再次植入，并让牙齿生长2530天；该牙齿具有合适的尺寸，周围有新骨骼和结缔组织，显示了牙根的形成；乳牙是干细胞非常好的来源。位于英国柴郡达斯伯里的生物伊甸实验室建立了乳牙干细胞库。干细胞被提取冷冻起来，供将来使用。,台业者力推储存幼童乳牙干细胞治病（2008.9）,近来台湾脐带血银行业者推出“乳牙干细胞储存服务”抢攻市场，将孩子乳牙中的干细胞存起来，可作为日后医疗用途。不过，一颗乳牙干细胞在特殊冷冻仪器中存放20年，要价约15万元新台币。过去想要采集幼童脐带血，机会只有一次，但带有干细胞组织的乳牙却有12颗，这让来不及帮孩子存脐带血的家长们有一个弥补的机会，把乳牙牙根尖的部分保留，培养其中的干细胞存起来。,51,美科学家培育出首只“人羊”,英国每日电讯报2007年3月25日报道，美国内华达大学的伊斯梅尔赞加尼教授等经过7年努力，耗资约1000万美元，将人类骨髓干细胞注入绵羊胚胎腹膜中(从人体骨髓提取不到56克的干细胞可注入10个绵羊胚胎)，培育出世界首只体内含有15人类细胞的绵羊(“chimera”)。它的主要用途是为人类提供可供移植的器官。,其他干细胞研究(51),器官移植者必须放弃生育权,第二节口腔医学中的细胞力学研究进展,一、牙髓干细胞生物力学研究进展（一）牙髓干细胞概述（Dentalpulpstemcells,DPSCs)存在于成年机体牙髓组织中具有自我更新和多向分化潜能的未分化细胞或称为前体细胞（二）牙髓干细胞的性质1.高度增殖能力2.自我更新能力3.多向分化潜能,牙髓干细胞的生物力学研究应力Yu(2009)等研究牙髓细胞是牙髓组织的主要细胞成分，其中含有一定量的牙髓干细胞，DPSCs在牙本质形成和损伤修复中发挥重要作用。牙髓细胞可以作为牙组织工程研究的种子细胞。Lee等余晶,牙周膜细胞生物力学研究进展,（一）牙周膜生物力学的重要性和特殊性应力刺激下牙周组织合成代谢的细胞反应与其他所有骨稳态因素在生理、病理状态下重叠并交互作用，对于维持牙槽骨终生的结构和体积至关重要牙周膜的重要性,（二）新的理论发展,1.牙周膜的结构和功能牙周膜的胶原纤维束组成的组成的网架结构占据了大部分空间，细胞和组织液。牙周膜胶原不断被改建和更新2.牙周膜的正常功能反应当受到持续压力时，一旦牙周膜的组织液被完全排除，牙周膜失去缓冲能力，引发牙槽骨改建3.牙周膜细胞具有成骨特性的成纤维细胞，向成骨细胞或成牙骨质细胞方向分化4.正畸牙移动与牙萌出,5.正畸力诱导牙周膜改建加力后张力区牙周膜增宽，牙离开牙槽骨，受牵张側的牙周膜中有数个细胞过程明显被激活，同时伴有结缔组织细胞数量的增加。6.骨塑建和骨改建正畸牙移动，张力区牙槽骨表现广泛成骨，符合骨愬建模式；压力区牙槽骨则经历了骨改建循环短期内骨量减少，随后恢复。7.压应力和张应力8.张应力称骨与压应力破骨OTM压力侧除了机械应力转导外，还有明显的损伤成分，而后者可以生成炎症介质，从而诱导骨吸收。OTM压力侧的骨吸收是牙周膜正常受载降低的结果，张力侧因牙周膜的正常受载增强而表现为成骨,（三）牙周膜细胞生物力学研究模型,1.体外加力方式基底形变加力重物加力液压加力离心加力流体加力,2.体外加力的力值3.体内加力模型动物模型人牙周膜加力三维应力加载模型,（四）牙周膜细胞的机械信号转导,牙周膜的组织反应正畸中牙受力初期，牙周膜内液体被挤压，胞外基质和细胞发生形变，扭曲的神经末梢释放血管活性神经递质，首先与毛细血管内皮细胞反应。内皮细胞表达受体与血液中的白细胞结合，促使后者渗出毛细血管，分泌多种信号因子，刺激牙周膜和牙槽骨衬里细胞对胞外基质改建。,牙周膜细胞的机械信号转导通路所有牙周膜细胞都必须都必须附着在胞外基质，在牙周膜张力区，胞外基质被拉伸，附着的细胞随之被拉伸，此过程中细胞骨架直接把机械力传递至细胞核。另一方面，被拉伸的细胞不断努力试图恢复其形态，这一目标通过细胞与细胞外基质的脱附着和再附着过程实现。胞外基质的功能细胞分泌的粘多糖和蛋白多糖形成凝胶样的基质，将其他纤维成分包埋其中。其改建在正畸牙移动