第1讲-组织工程学概述

12/6/202412/6/20241

组织工程导论12/6/202412/6/20242学分：2学时：32学时授课时间：周二下午5-6节周四上午1-2节(3-10周）授课地点：西苑7-40412/6/202412/6/20243答疑时间及地点：周五下午3：30～5：30景华校区5-20412/6/202412/6/20244教材:

[1]柏树令主编.组织工程学教程.北京：人民军医出版社,2009.主要参考书:

[1]曹谊林主编.组织工程学.北京：科学技术出版社,2008.

[2]杨志明主编．组织工程基础与临床．第1版．成都：四川科学技术出版社，2005．

[3]金岩主编．组织工程学原理与技术．第1版．西安：第四军医大学出版社，2003．

[4]张胜民主编．生物材料与组织工程导论．第1版．武汉：华中科技大学材料科学教研室，2004．

[5]与组织工程相关的各级各类国内外期刊、报纸、杂志、会议、新闻、专利、网页等等．

成绩组成平时成绩20%

平时课堂表现10分学期报告10分期末考试80%12/6/202412/6/20247本课程主要内容组织工程学概述组织工程支架材料以及制造组织工程种子细胞生长因子骨与软骨组织工程应用血管、神经组织工程应用肌腱、心肌组织及其它组织工程周次星期节次内容学时33445566778899101024242424242424245-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-2组织工程学概述组织工程学的方法与内容组织工程用生物材料组织工程支架制造组织工程种子细胞组织工程种子细胞生长因子生长因子骨组织工程应用软骨组织工程应用血管与神经组织工程应用其他组织工程应用人体复杂器官工程+生物制造学生报告研讨学生报告研讨学生报告研讨2222222222222222什么是组织工程学？我们为什么需要学习？我们怎么学习这门课？12/6/202412/6/202410

第一章组织工程学概述一组织工程学基本概念二组织工程学的建立和发展三组织工程学三要素你所认为的组织工程是什么？组织工程12/6/202412组织工程学基本概念

(Tissueengineering)分子(molecule)細胞(cell)组织

(tissue)器官(organ)系统

(system)个体

(organism)族(population)群落(community)生态系(ecosystem)生物组成之阶层

(Thehierarchyofbiologicalorder)12/6/202412/6/202413组织工程学是应用生命科学和工程学的原理与方法，研究、开发用于修复、增进或改善人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的一门学科。

组织、器官的损伤和功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一。也是人类疾病和死亡的最主要原因。每个国家每年有数百万计的人患有各种组织、器官的损伤或功能障碍。★人口老龄化、人类对健康与长寿的要求提高

★人类活动范围加大，中青年创伤增多★环境污染，饮食变化，疑难病症增多美国每年需要进行800万次手术，年耗资400亿美元。我国创伤住院年增长率达7.2％，高居住院人数第2位。美国1998年用于骨骼-肌肉系统损伤患者的治疗费高达1280亿美元，仅骨缺损患者就达123万，其中80％需用生物医学材料治疗。随着现代外科学的发展，人类对组织、器官的治疗有了很大的进步，但仍然存在许多问题。12/6/2024过去常用的组织器官修复方法1异种异体器官移植2同种异体器官移植3自体组织移植4人工合成组织替代品12/6/2024过去常用的组织器官修复方法1异种异体器官移植2同种异体器官移植3自体组织移植4人工合成组织替代品“狗腿子”的故事12/6/2024过去常用的组织器官修复方法1异种异体器官移植2同种异体器官移植3自体组织移植4人工合成组织替代品暴走妈妈12/6/2024把别人的器官移植到病人身上，在牺牲他人的基础上满足病人的需要，以伤治伤。这又带来两个问题，一是排斥作用，成活率很低，二是供应器官的人太少，许多等供体的病人等到死也没有找到合适的供体，只好遗憾地离开人间。12/6/2024过去常用的组织器官修复方法1异种异体器官移植2同种异体器官移植3自体组织移植4人工合成组织替代品12/6/2024

自体组织移植，是一种“挖肉补疮、以伤治伤、拆东墙补西墙”的方法，国外学者称之为“RobPetertopayPaul”。它在修复或矫正一个部位缺损或畸形的同时，会造成供区不同程度的形态和功能损害。另外，自体组织移植修复组织缺损的原则之一是“同物相济”，即以相同的组织修复相同的组织缺损，如用下唇组织瓣修复上唇缺损等。然而，这一原则只有在组织缺损量较少时，才可应用。

能否找到一个两全其美的办法，既不损害别人，又能保存自己?于是从事组织工程研究的科学家们，利用细胞生物学、分子生物学以及材料科学等最新技术，开始研究用人工培养的办法培养出人体需要的正常组织或器官，医院就像工厂生产零部件一样，根据病人的缺失情况，需要什么培养什么，需要多少做多少，量体裁衣，做好了安装上就能发挥作用，起到人体正常组织所能起的作用。12/6/2024过去常用的组织器官修复方法1异种异体器官移植2同种异体器官移植3自体组织移植4人工合成组织替代品12/6/202412/6/20242525人造器官12/6/202412/6/20242626人造耳与真人耳的比较12/6/202412/6/20242727人造眼与真人眼的比较12/6/202412/6/20242828机械心脏阀Thrombusonamechanicalheartvalve

(courtesyofRWTH-Aachen)12/6/202412/6/20242929人造皮肤12/6/202412/6/20243030金属支架12/6/202412/6/20243131人造关节12/6/202412/6/202432人工肝脏-血液透析(类似洗肝机)12/6/202412/6/2024

人类物质、文化生活水平的提高，对损伤、疾病的治疗要求越来越高，科技的发展，催生了组织工程学，并促使其发展。组织工程重建修复受损器官为什么能进行，又是如何进行的呢？这一点我们得从植物说起。12/6/202412/6/202435

植物组织培养

(planttissueculture)12/6/202412/6/202436植物：组织（苗、嫩枝、根），无性生殖或营养生殖，生成新个体。12/6/202412/6/202437仙人掌每块落地就生根12/6/202412/6/202438一株草莓依靠它沿地“爬走”的匍匐茎，一年内就能长出数百株草莓苗12/6/202412/6/202439富贵竹插枝即活12/6/202412/6/202440概念：细胞的全能性是指生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能。原因：是生物体的每一个细胞都含有该物种所特有的全套遗传物质及发育为完整个体所必需的全部基因。细胞的全能性12/6/202412/6/202441细胞的全能性

当植物细胞脱离了原来所在植物体的器官或组织而处于离体状态时，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。

在生物的个体发育中，由于基因在特定时间和空间下选择性地表达而形成不同器官，因此，要实现细胞的全能性，首先必须使生物体的细胞处于离体状态。受精卵的全能性最高；其次是生殖细胞（尤其是卵细胞）；体细胞的全能性比生殖细胞低得多。

19世纪30年代，德国植物学家施莱登和德国动物学家施旺创立了细胞学说，根据这一学说，如果给细胞提供和生物体内一样的条件，每个细胞都应该能够独立生活。1902年，德国植物学家哈伯兰特在细胞全能性的理论是植物组织培养的理论基础。1958年，一个振奋人心的消息从美国传向世界各地，美国植物学家斯蒂瓦特等人，用胡萝卜韧皮部的细胞进行培养，终于得到了完整植株，并且这一植株能够开花结果，证实了哈伯兰特在五十多年前关于细胞全能的预言。植物组织培养

植物组织培养就是在无菌和人工控制的条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配置的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织（这一步称为脱分化），然后诱导愈伤组织再分化最终形成一颗完整的植株。其培养基一般为液态培养基，最终目的是要获得完整的植株。离体、消毒的植物器官、组织或细胞：适宜的养料和激素，温度和无菌条件下培养植物体根、芽脱分化再分化植物组织培养愈伤组织植物体的局部受到创伤刺激后，在伤口表面新生的组织。它由活的薄壁细胞组成，可起源于植物体任何官内各种组织的活细胞。

脱分化胚状体再分化12/6/202412/6/202445植物组织培养技术的应用●快速繁殖●培育无病毒植物●生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等●制作人工种子●转基因植物的培育

用植物组织培养的方法，诱导离体的植物组织形成具有生根发芽能力的胚状结构，包裹上人造种皮，制成人工种子，可以解决有些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。12/6/202412/6/202446植物体细胞杂交

植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。（因为不同种生物之间存在着生殖隔离，所以用传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的）植物细胞A植物细胞B去掉细胞壁去掉细胞壁原生质体A原生质体B原生质体融合杂合的原生质体再生出细胞壁杂种细胞细胞分裂分化发育愈伤组织杂种植株12/6/202412/6/202447植物体细胞杂交原生质体制备（酶解法去细胞壁）原生质体融合（人工诱导）

杂种细胞的筛选和培养（形成愈伤组织）杂种植株的再生与鉴定物理法：离心、振动、电刺激等化学法：聚乙二醇等试剂纤维素酶、果胶酶等12/6/202412/6/202448生物组成之阶层

(Thehierarchyofbiologicalorder)分子

(molecule)細胞(cell)组织

(tissue)器官(organ)系统

(system)个体

(organism)族群(population)群聚(community)生态系(ecosystem)

植物细胞与组织培养

动物细胞或动物组织培养蝾螈可以断肢再生，人肝脏切除3/4后可以再生出完整的肝脏。12/6/202412/6/202450动物：一个细胞在体外培养下产生的一群细胞；由少量组织，大片组织。（由一个个体，通过无性繁殖手段，获得遗传上相同的个体群）。

12/6/202412/6/202451

克隆是英文“

clone”的音译，来自希腊文klon

，原意为苗或嫩枝，指以无性生殖或营养生殖的一些植物。随着时间的推移和科学的发展，它的含义增加了许多内容，如一个细胞在体外培养下产生的一群细胞；由“亲本”序列产生的DNA序列等等。概言之，克隆是指由一个细胞或个体，通过无性繁殖手段，获得遗传上相同的细胞群或个体群。

克隆12/6/202412/6/202452多利是在1996年7月5日由罗斯林研究所的伊恩·威尔穆特教授等人通过体细胞克隆法培育问世，是世界上首只成年体细胞克隆动物。12/6/202412/6/202453一时在世界引起了轰动、令人类茫然失措，科幻小说里克隆希特勒与克隆人兵团身影仿佛从这只温顺羊羔的背后浮现出来。在接下来的几年中，一面是实验室里各种克隆动物的屡屡出现，一面是政治会议上禁止克隆人的法规层出不穷。12/6/202412/6/202454第一只克隆宠物猫CC12/6/202412/6/20245512/6/202412/6/202456克隆马及其“母亲兼姐姐”12/6/202412/6/202457中国的克隆牛中国科学家童第周早在1963年就通过将一只雄性鲤鱼的遗传物质注入雌性鲤鱼的卵中从而成功克隆了一只雌性鲤鱼，比多利羊的克隆早了33年。但由于相关论文是发表在一本中文科学期刊，并没有翻译成英文，所以并不为国际上所知晓。10年之后，童第周又克隆了一条欧洲鲤鱼。12/6/202412/6/202459克隆技术造福人类一、克隆可以有效地繁殖具有“高附加值的牲畜”。二、克隆可以用来挽救珍稀动物。三、克隆对人类疾病的防治、寿命的延长具有重要的意义。12/6/2024

克隆着眼于个体繁殖，组织工程着眼于器官组织，这些技术的发展为组织工程的发展提供了基础。12/6/202412/6/202461

第一章组织工程学概述一组织工程学基本概念二组织工程学的建立和发展三组织工程三要素12/6/2024二组织工程的建立和发展组织工程的发展背景组织工程的优点组织工程的三个发展阶段12/6/2024二组织工程的建立和发展组织工程的发展背景组织工程的优点组织工程的三个发展阶段12/6/202412/6/202464①随着人类物质、文化生活水平的提高，对损伤、疾病的治疗要求越来越高，不仪要求治好伤、病，还要求良好的功能及完美的外形，应用传统的治疗方法难以达到如此完善的地步，需要寻找新的治疗途径。(老龄化、创伤增多、环境恶化，疾病增多)②科学技术总体水平的提高，为患者、医生对治疗提出的高要求有实现的可能，如完善的细胞培养技术和可控降解的高分子材料的问世，为体外构建“组织”、“器官”提供了条件。组织工程的发展背景12/6/202412/6/202465③高、新技术的开发与利用是组织工程学研究的基础，如基因工程技术、免疫隔离技术等为改造细胞提供了新方法。④巨大的市场需求为组织工程学发展注入了动力。众多的投资公司注入大量资本进行组织工程学研究。这些是组织工程学研究发展的基础与动力。组织工程的发展背景12/6/2024二组织工程的建立和发展组织工程的发展背景组织工程的优点组织工程的三个发展阶段12/6/202412/6/202467组织工程的优点通过构建结构完整、功能完全、具有生命力的健康活体组织，对病损组织进行形态、结构和功能的全面重建。所形成的组织在体内与机体正常组织整合良好，可对体内各种生物学刺激产生应答，并可永久性替代。以最少量的组织细胞经体外培养扩增后，修复体积较大的组织缺损，达到无损伤和真正意义上的功能重建。可根据组织器官缺损情况，构建相应形态与结构的组织，达到完美的形态修复。12/6/2024二组织工程的建立和发展组织工程的发展背景组织工程的优点组织工程的三个发展阶段12/6/202412/6/202469组织工程的三个发展阶段第一阶段：20世纪80年代末~20世纪90年代中期，主要进行了组织工程化组织构建的初步探索，证明了应用组织工程技术能够构建组织工程化组织。骨、软骨、肌腱。12/6/202412/6/2024701980’sJosephVacanti

及RobertLanger结合医学及工程材料背景，研发能修复人体病变组织与器官的治疗方式12/6/2024华人教授冯元桢提出“组织工程学”术语，1987美国国家科学基金会采用这一术语描述这一新兴学科。12/6/2024

1990年举办第一届组织工程学术研讨会，1995年发行专业期刊TissueEngineering

人造组织目前发展方向：皮肤、神经、肌肉骨骼系统(硬骨,软骨,肌肉)、心血管系统(血管,心办膜)、内分泌器官(肝,胰,肾...)12/6/202412/6/202473成果1.体外培养:1992年在多孔状结构高分子材料上培养出软骨细胞，并形成新的软骨组织。2.活体培养:老鼠背上培养出人耳形状的软骨。12/6/202412/6/202474第二阶段：20世纪90年代末期。组织工程的研究成果向临床过渡。实现在具有完全免疫功能的哺乳动物体内构建组织工程化组织，修复组织缺损，重建组织功能。12/6/202412/6/202475第三阶段：组织工程的临床应用与初步产业化阶段12/6/202412/6/202476中国组织工程学的发展及所面临的挑战12/6/202412/6/2024771994年，组织工程重大研究项目正式立项，标志着中国组织工程正式起步。1997年，上海组织工程研究重点实验室。2001年，上海组织工程研究与开发中心暨国家“863”计划生物领域组织工程研发基地成立。12/6/202412/6/202478我国组织工程研究和发展的整体水平1.具有我国特色的组织工程研究体系初步形成。形成了一支多学科交叉、优势互补、年轻化、专业化的组织工程研究队伍开展了产业化的布局，若干组织工程高科技企业已经初步建立在国际组织工程学术领域占有重要位置12/6/202412/6/2024792.组织工程研究中若干关键问题的研究取得突破在种子细胞来源方面在生物材料研究方面在组织和器官构建方面12/6/202