生物技术与生命科学class

1、生命科学导论-生物技术与生命科学roduction of Life Science-Biotechnology inLife Science组织工程Dr. Xiaodong Zheng:Institute of Immunology组织、的修复Cardiovascular心Myocardial infarction心肌梗塞Stroke中风 Bone-union fractures不愈合骨折Tumor resections 肿瘤切除Tooth NervousSpinal Cord Injury 脊髓损伤Degenerative diseases 退行性疾病的一份资料显示，每年有数以百万计的据人患

2、有各种组织、的损伤或功能，每年需进行800万次手术进行修复，年住院日在4000万9000万之间，年耗资超过400亿。与肝再生人类用火，就帮人类从奥林匹斯偷取了火，因此触怒。将他锁在山的悬崖上，每天派一只鹰去吃他的肝，而他的肝每天晚上又重新长上。凤凰涅磐凤凰：中国古代中的百鸟之王，雄的叫凤，雌的则叫凰。象征祥瑞。神话中，凤凰每次死后，会周身燃起大火，然后其在烈火中获得重生，并获得较之以前更强大的生命力，称之为“凤凰涅磐”。蚯蚓再生的再生能力ModeraowHigh最早的移植战国时代的典籍列子记载：鲁国的公扈和赵国的齐婴得：“了痼疾去找神医医治。对公而气弱，故足于谋而寡于断。齐婴志弱而气疆，故少于

3、虚而伤于专。故换汝之心，则均善矣。”先给他俩喝了一种自治的。然后为两人做了开胸术，取出心脏互换。接着给他俩灌服了一种神奇的药物，公婴随即苏醒过来，怪疾得以治愈。1986年，在的移植大会上，扁鹊换心这个图像，被作为大会的会标，这是国际公认最早的关于移植的文字记载。现代的移植1936年，一位年仅26岁的青年人，由于一位导致肾衰竭，无药可救。前医生一个尸体的肾脏移植在48小时后死去了。到体内，但没有获得成功，1967年，南非医生体心脏移植手术。为一名商人成功地作了人类首例异手术后顺利地度过了17天，虽然由于最终夺取了他的第二次生命，但是，这在人类史上毕竟是一个里程碑式的伟大成就。移植严重缺乏异种免疫

4、排斥微生物交叉功能差异修复缺损的方法异体移植医疗器械自体移植1.供体寻找1.自体细胞取材来源有限1.不能完全代替器官功能2.配型概率低2.“以伤养伤”策略，二次损伤2.相容性差，3.手术风险不能长久使用4.免疫排斥反应3.成本高4.易引起能否用自身细胞培养修复受损的组织，或再生替换原有？组织工程的诞生Joseph VacantiRobert Langer1995年组织工程学创始者哈佛医学院麻省总医院提(Jose. Vacanti)博士与麻省理工学院(Robert Langer)博士将可分解的多孔结构高分子材料做成耳朵软骨的形状，植入老鼠背部后，成功地长出了像耳朵形状的组织。组织工程组织工程的定

5、义组织工程的研究内容组织工程的应用13组织工程组织工程的定义14组织工程组织工程是应用细胞生物学和工程学原理,将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,然后移植到内所需要的部位,从而达到修复或再造的治疗目的的一种技术。组织工程的前景全每年：约有150万人因功能失调，尿失禁或尿液返流，等待组织工程产品植入治疗；约有100万个膝关节半月软骨等待替代；每年有1000万例牙科手术，其中需新放入9 000万个充填物，另有2亿个过去放入的充填物需要更换。每年约有200万例以上的皮肤慢性溃疡，需要组织工皮肤移植治疗。组织工程组织工程的研究内容17组织工程的三个支柱支架材料细胞

6、生长因子组织工程的实例细胞成骨细胞：细胞外基质(ECM) 、矿物质、胶原，组装成新骨酶使ECMs、破骨细胞：矿物质、胶原被吸收ECMs,软骨细胞：骨支架软羟基磷灰石、胶原生长因子骨形态发生蛋白（BMP）细胞细胞是组织修复或再生的细胞材料。构建组织工程产品需要大量细胞,如何从少量组织中获取大量细胞已成为组织工程研究中迫切需要解决来源之一（1）功能细胞：组织来源的体细胞。（2）干细胞：胚胎干细胞、组织特异干细胞。特点容易获得和体外培养、遗传稳定。问题（1）同种、异种细胞存在免疫排斥等问题。（2）干细胞潜在的理想细胞，诱导分化技术有待完善。（3）多种类型细胞协调增殖、分化。干细胞将作为组织工程的“上

7、游”研究为组织工程的进一步发展提供技术储备，近年研究进展尤为突出。支架材料组织工程支架材料是指替代细胞外基质使用的生物医学材料。细胞外基质细胞外基质(ECM)：动物细胞面或细胞之间的大分子。分布：结缔组织中ECM含量较高。并到胞外、分布在细胞表组成：细胞外基质的大分子包括：胶原、非胶原糖蛋白、弹性蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖四大类。功能：ECMs提供细胞所需的力学和化学信息，是细胞发挥功能的环境；对细胞群体有支持、保护的作用。ECMs对细胞形态、迁移、增殖、分化有调节作用。支架材料的特性生物相容性：生物医学材料引起宿主反应和产生有效作用的能力。生物降解性：材料完成支架的作用后能被降解，降解速率与细

8、胞生长速率相互协调。合适的三维结构。加工性与一定的机械强度。良好的性能。支架材料的种类生物衍生材料：生物组织经过处理后获得的材料称为生物衍生的生物衍生材料保留了正常的网架结构,组织材料。来源于相容性好,是较为理想的组织工程支架材料。如胶原凝胶、透明质酸等。胶原（Collagen）是细胞外最重要的水不溶性蛋白, 是细胞外基质的骨架，是胞外基质重要的结构蛋白。具有高度缠绕的螺旋结构的纤丝，由纤丝与其他基质分子相互作用达到组织需要的强度、弹性。透明质酸是线形多糖结构。在结缔组织中比较丰富。透明质酸可高度水化，对组织的水分平衡和关节的润滑有重要作用，已经在整形外科中被广泛采用。保护及润滑细胞，在化妆品

9、、美容行业广泛使用。支架材料的种类可降解高分子材料：聚羟基乙酸(PGA) 、聚乳酸(PLA) 、聚羟基乙酸与聚乳酸的共聚物( PLGA) 等。无机材料：多孔羟基磷灰石(HA) 、磷酸三钙、合金、氧化铝陶瓷、树脂等。复合材料：由两种或两种以上不同物理化学性质的材料复合而成的新材料，将有机材料如PGA 与无机材料如HA 复合，或将HA 与胶原、生长因子如骨形态发生蛋白复合形成复合材料。生长因子细胞对外部环境产生的应答是通过感知某种化学信号或物理刺激，并将之传递到细胞核中，促发或者抑制的表达实现的。细胞的增殖与分化由各种因子调节。物理刺激流体切应力：由血流对壁施加的力。体外可采用常流和脉动流循环装置

10、调节切应力大小。： 体内有心脏搏动，肌肉收缩等。可采用弹性力。或纺织网等载体材料模拟体内的细胞生长因子表皮生长因子（EGF）：是表皮细胞和间充质细胞的一种有效的促剂。能促进伤口愈合，在体外可以刺激角化细胞，在体内促进上皮的再生。神经生长因子（NGF）：为神经细胞特异性的营养蛋白，是具有营养、保护神经元及促进突起生长等生物学功能的神经细胞调节因子。对中枢及周围神经元的发育、分化、生长、修复、再生和功能特性均有重要的调控作用。细胞生长因子肝细胞生长因子（HGF）：是目前已知生物活性最广泛的生长因子之一，能刺激多种上皮和内皮细胞进行有丝、运动，能促进肾小管形态发生，在肾脏的发育、再生中具有较强的作用

11、。细胞生长因子（FGF）：因能促进成成细胞生长而得名。由于对也有较强的促进作用。骨形成蛋白（BMP）：能诱导或刺激新骨的生成。细胞因子（CK）：在细胞间传递信息、对细胞生长分化具有调节功能一类蛋白。组织工程的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。1.组织（细胞的培养细胞）生物材料及构架生物组织工培养系统技术方法细胞接种浸渍法：将经预湿处理材料置于细胞悬浮液中实现细胞接种。沉淀法：将细胞液缓慢逐滴滴加到已经预湿的支架材料上，放置培养箱中2-4小时，待细胞充分粘附后缓慢加入培养液培养。凝胶法

12、：将高密度细胞悬浮液与多种物质如胶原、藻酸纳、质等按照一定工艺复合形成凝胶，细胞均匀地分布于凝胶内。吸附法：将已预湿的支架材料置于培养皿中的细胞悬液中或用滴管将细胞液滴加在材料上，然后利用负压使细胞吸附在材料上。生长因子的控制在支架材料构建时使细胞因子结合在支架材料内部，并能缓慢。包埋或者微囊化是目前控制细胞生长因子一个重要方法的组织工程生物反应器微重力旋转式生物反应器一般由两个内外同心圆柱组成。内柱由半透膜，气体可通过膜交换。内外柱之间充以连续灌注的培养介质。将细胞与培养液置入内、外圆柱体。整个装置可以绕内轴旋转，离心力与重力平衡，为细胞生长提供一个微重力环境。普通培养条件下只能呈二维贴壁生

13、长的哺乳动物细胞三维增殖与分化形成有功能的组织块。流体应力生物反应器模拟管的装置。应力环境而设计的用于体外构建组织工血主要由可以通过循环液体的硅胶管、压力传感器、蠕动泵、储液罐、电磁阀等组成。可通过形成有波动的液流并能控制流量来模拟体内的应力环境。组织工程组织工程的应用39应用范畴牙齿关节骨骼组织工程皮肤气管肝脏，肾脏，等皮肤中国每年烧伤、溃疡等皮肤疾病 1500万人，需要皮肤移植的约350万，需4亿平方厘米。组织工程皮肤可以针对各种病理情况，烧伤/溃疡/畸形构建各种不同的生物产品。同时还可以在组织工程皮肤产品中整合各种有针对性的治疗因子，降低全层皮肤缺损的和率。过去，能让重度烧伤的，在100

14、人中只有22人；用了人造皮肤后，增加到64人。人工表皮结构A 表皮B 表皮网状棘C 真皮D 真皮E 皮下组织F 毛发组织工程皮肤技术路线组织工程皮肤实验流程细胞与培养液成表细胞：DMEM培养基、10%胎牛、青霉素、链霉素等质形成细胞：DMEM+Ham F-12培养基、表皮生长因子等载体：聚羟基乙酸（PGA）构建成细胞-PGA复合物：酶法消化收集真皮成细胞，接种在PGA上，加入培养液培养。接种表质形成细胞面的复合物上，更换表质形成细胞培养基培养5天左右。双层皮肤成熟：将复合物放在可渗透膜上，进行气-液界面培养，促进表质形成细胞的进一步分化。再培养1周，形成含真皮和表皮两层结构的组织工皮肤。组织工

15、程皮肤的应用产品化的组织工程皮肤替代物国外：国内：安体肤第四军大组织工程皮肤存在仅仅提供了一种创面敷料，而非性的替代物；修复效果较差：创面收缩，瘢痕形成，难以和受体组织整合等；缺乏附属：毛囊、汗腺、皮脂腺等；异体/种组织细胞带来的免疫排斥问题及的潜在抗；能力弱；。异体来源，25/cm2。自价格昂贵，推广体来源提高10倍以上。组织工程皮肤研发与基础研究的课题1、仿生型支架的设计与2、组织诱导性再生与促；化研究；3、干细胞技术（分选、鉴定、诱导分化）；4、成体细胞的逆分化与重编程（调控）；5、附属再生性研究（功能性）；神经轴突再生conduitAxon regeneration: 25 mm/da

16、y Significant injuries : many months to heal神经轴突再生Chitosan conduit: 5mm long, 570um (inner dia.)Two month later骨将骨生长因子与成骨细胞或干细胞植入一种做成特别形状的孔状材料中，制造新骨。头骨一名7岁男孩采用组织工程技术构建的颅骨移植修复，经4个月随访，这块占颅因造成颅骨66厘米缺损骨总面积达1/6的组织工颅骨在内稳定存在，生长良好。颚骨学家用到了人骨髓中的干细胞。架中，借助患者的数码在这项新研究他们把这些干细胞植入成像形成精确的人下巴骨形状。然后他们使用特殊设计的生物反应器培育细胞，

17、这种反应器能让成长的组织浸泡在自然骨骼生长所需要的含量精确的营养成分中。颞下颌关节软骨先用聚羟基乙酸做成人耳的模型支架，让牛的成软细胞在这个支架上繁殖生长，然后，在鼠的背上割开一个口子，将已经培养好的“人耳”植入后缝合。“人耳”支架最后会自己降解与老鼠浑然成为一体。，于是，“人耳”便小耗子，一只耳关节软骨修复55气管修复多国医疗团队成功的给一名因患肺结核导致左侧气管坏死的30岁女移植了一个人造气管。在个病例里，医生们医生从一具捐赠的遗体上切下7厘米长的气管，然后用各种酶消化掉了其中的细胞，仅仅留下细胞外基质，这是一个完美的模板，同时由于没有任何细胞，用这个模板生成的新气管也不会出现移植排异反应

18、。手术团队从体内取出骨髓干细胞，并培养成软骨细胞，并通过特殊的培育器具，将病人的细胞植入捐赠者的气管中，最后移植到体内。专业医学杂志说，患者已出院5个月，目前身体状柳叶刀上况非常好。的这项柳叶刀(Lancet 2008)，气管培养器2008十大医学进展之一时代首例量身定做移植手术取得成功人工晶体聚甲基丙烯酸甲酯折叠人工晶体心脏研究首先从心脏捐赠者身上移除心脏，去除肌肉细胞，只剩下蛋白骨架，成为一个“心脏”。接着，他们注入干细胞，细胞围绕蛋白骨架，及自行生长，最终发展成为健康的心脏细胞人工胰腺Lim等人将微囊化技术与细胞工程相结80年代初,合,了海藻酸钠/聚赖氨酸(APA)微胶囊,包埋猪胰岛细胞

19、形成“人工细胞”,并移植入大鼠体内,结果成功地调节了血糖水平,代行了大鼠胰腺功能,因而被称为“人工胰腺”。该成果较好地解决了组织细胞移植过程的免疫排斥问题,为组织细胞移植治疗神经/内系统疾病提供了新思路。微囊化人胰岛人工肾脏麻省总医院的研究Harald Ott，采用一种表面活性剂将刚刚死去的大鼠的肾脏细胞去除，只留下结缔组织骨架。随后，研究这个组织骨架中接种上两种细胞：人脐静脉细胞（以用于形成往，富含造血干细胞）和新生大鼠的肾脏细胞（产生其它组织以整个器官，富含组织特异细胞）。植入大鼠后，这个生物工程肾脏开始工作，它过滤大鼠的血液并产生了尿液。人工肝脏视网膜替代系统2013年2月，食品药品管理

20、局（FDA）批准二号视网膜假体系统，也是首个用于成人晚期色素性视网膜炎(RP)治疗的植入设备。该设备有一小型机，安装在一副眼镜上的，处理(VPU)及一个植入的视网膜假体（人造视网膜），以此替代视网膜（眼功能，并且可以改善患者感知图像和运动的能力。的一层膜）细胞的机处理可以将图像转变成电子数据，电子数据又通过无线形式输送到视网膜假体。脑大脑是人造涉足的最后一块禁地，但这并不代表科学家们就没有尝试。给大脑中一枚电极，进行深度脑刺激已经是治疗某些严重抑郁、癫痫和森氏综合征引起的肢体震颤的有效。反过来，用大脑产生的脑电波控制机械装置，这也不是“隔空取物”式的把戏。早在2000年，斯Miguel Mic

21、olelis就让杜克大学的一只脑袋里插着电极的猴子用思维控制一条机械臂取香蕉吃了。而德国图大学的神经科学家尼尔斯Niels Birbaumer则用一套人机交互装置让无法光标来选择合适的字母表达信息。行动和说话的瘫痪用意识植入植入一开始，研究后，他们对准把老鼠放在一个盒子里，让它们感到安全。然位置的大脑细胞，用光刺激这些细胞，使它们打开。第二天，他们把这只老鼠放在第二个盒子中，用光脉冲恢复第一天的。重放时，他们适度电击老鼠，希望改变它们的。结果，他们做到了。把老鼠放回第一个盒子时，它们吓得不敢动弹，因为它们的被改变。3D生物“稿件”“纸张”水凝胶（富含糖具备正常功能的类和其他营养物质，能够给生长

22、中的细胞提供营养，且容易去除）3D的喷头不仅仅能在平面上移动，还能够垂直移动。它的打印过程像是将一层层剖面图叠加在一起，最后制造出一个结构。的“墨汁”不同类型的人体活细胞悬浮液的喷头及墨水有两个喷头，一个喷涂细胞（黄色），另一个喷涂水溶胶（红色）以支持和固定细胞，待细胞结构稳固后可以将水溶胶移除技术步骤通过NMR扫描和计算机辅助设计出该结构蓝图的将所需细胞精确“打印”到位后期处理促进细胞融合和成熟3D打印人造耳朵-博那和同事使用3D打印和模医学院的架灌注技术，成功地制造人造耳朵。设计模型只要半天时间，一天左右可打印出来，再花半个小时把凝胶注射进去，去掉模型只要15分钟，修理一下再放进营养介质中

23、培养几天，就可用于移植了。工厂商店人造肉人造类并不真正产自动物的身体，但不同于模仿肉类的豆制品，它确实是货真价实。科学家利用干细胞离体培养的技术来“制造”肌肉组织。74人造肉里的人造肉(两端黑色为魔术贴，目的是制造出弹性，让肌肉增大 )人造肉汉堡，麻烦给仿真牛肉多加点大理石纹！76谁知盘中餐，或是人造肉？有人想拿自己的干细胞去培养，尝尝自己的味道吗？问题解答细胞融合与杂交瘤78细胞融合的方法（HVJ）。这些病诱导融合：最常用的是灭活的仙台毒的被膜中有融合蛋白，可介导细胞与细胞的融合。同宿主细胞融合，也可介导化学融合剂诱导融合：化学融合剂主要有高级脂肪酸衍生物、脂、钙离子、水溶性高分子化合物、水

24、溶性蛋白质和多肽，其中最常用的是聚已二醇（PEG）。PEG的作用：可促使细胞凝结；破坏互相接触处的细胞膜的磷脂双分子层，从而使相互接触的细胞膜之间发生融合，进而细胞质沟通，形成一个打的双核或多核融合细胞。电融合：是指细胞在电场中极化成偶极子，并沿着电力线排列成串，然后用高强度、短时程的电脉冲击穿细胞膜而导致细胞融合。诱导细胞融合的过程诱导细胞融合的过程：首先是细胞表面吸附许多粒子，接着细胞发生凝集，几分几十分钟后，粒子从细胞表面，而就在这个部位邻接的细胞的细胞膜融合，胞浆相互交流，最后形成融合细胞。核苷酸过程H：次黄嘌呤; A：氨基喋呤; T：胸腺嘧啶HPRT：次黄嘌呤鸟便嘌呤核糖基转移酶 TK：核苷激酶HAT筛选细胞融合的意义理论上，任何细胞都有可能通过体细胞融合而成为新的生物资源。融合过程不存在有性繁殖过程中的种性机制的限制，为远缘物种间的遗传物质交换提供了有效途径。体细胞杂交产生的杂种细胞含有来自双亲的核外遗传系统，从而产生新的核外遗传系统。问题解答体外转录翻译84蛋白的体外转录翻译获得蛋白样品，1) 通过收集大量的生物材料纯化。受限于材料的来源有太多的限制特别是人的组织来源2)重组表达的方式获