细胞工程 组织工程

细胞工程 组织工程 第5节 组织工程 桑兰 ? 桑兰1998年在纽约市长岛举办的友好 运动会上不幸因脊髓严重挫伤而造成 瘫痪。 ? 第五-七颈椎呈开放性、粉粹性骨折， 75%错位，中枢神经严重损伤，双手和 胸以下失去知觉。 ? 霍金(英国 )被认为是继爱因斯坦之后最杰 出的理论物理学家。撰写于1988年的《时间 简史》，迄今被译成30多种语言，在全世界 发行超过2500万册。 ? ,,岁时患有卢伽雷氏症(肌萎缩性侧索硬 化症，运动神经元疾病)，他已被禁锢于轮 椅达20多年，全身惟一能动的是左手的3根 手指和部分面部肌肉。 ? 他的科普名著《时间简史》和《果壳中的宇 宙》 损伤的组织或器官还能够被修 复吗,,, ?自体移植: 传 统 ?异体移植: 办 法 ?组织代用品: 目前国内外器官严重短缺 解决器官严重短缺的 自体和异体移植 人造器官 组织工程 异种移植 一、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. 生物支架 组织工程的核心问题是: 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， 从而形成具有和机体组织相似功能的组织 或器官。 二组织工程的关键技术: 1、组织构成细胞的培养 ?生物组织是由细胞构成。首先要求获取所要培养 组织的种子细胞。 ?细胞可来源于自体细胞或异体细胞，但是受到种 类、数量、时间等限制。 ?其它方式获取细胞:胚胎干细胞、成体干细胞等 2、生物材料及构架制备 ?为了形成具有三维结构的组织，必须提供一 个生物支架， ?支架选择的聚合体必须有足够的弹性，提供 细胞生长一个类似生命体的力学环境， ?有充分多的孔隙允许培养液浸润生长的组织， 传输营养物质和清除细胞代谢废物， 细胞在生物支架中 ?生物材料随着组织的生长能够自我降解， ?但是降解速度不能太快，要有足够的时间 保证细胞长进去，及时填补聚合体溶解留 下的空隙。 ?常用的生物材料有:蛋白质支架、多糖支 架、聚羟基乙酸、聚乳酸类等生物材料。 生物材料支架特点 1生物相容性好 2可以生物降解 多 聚 乳 酸 生 物 支 架 壳聚糖生物支架 组织工程的三个支柱: 细胞繁殖 和分化 生物支架 生物分子 种子细胞 三 组织工程应用 组织工程的研究涉及: 多种哺乳动物的几乎所有器官的不同组 织，包括皮肤、骨骼肌肉系统、消化系 统、泌尿系统、心脏血管系统、血液系 统、神经系统、角膜和内分泌腺等。 1996年，世界上第一个在裸鼠背上复制“人耳”形成了 人耳廓形态软骨的试验由曹谊林教授完成,曹教授因而获 得了1998年度国际整形外科界James Barrett Brown奖。 ? 这只“人耳鼠”的产生方法是在老 鼠的背上割开一道口子，然后将已 经培养好的“人耳”植入后缝合。 ? “人耳”是在植入之前一星期开始 制备的，先用一种高分子化学材 料——聚羟基乙酸做成“人耳”的 模型支架( ? 然后让老鼠细胞在这个支架上繁殖 生长。 ? 支架降解消失后，“人耳”便与老 鼠浑然成为一体。 (二)骨组织工程: 例1:曹谊林 ? 2001年10月，一只小狗在出生仅7天就撞破了 脑袋。曹谊林教授从小狗身上抽取了5毫升骨 髓，然后在骨髓中分离出骨髓基质干细胞， 经过诱导分化，得到骨的“单元” 成骨细胞。 ——种子细胞来源 ? 曹谊林教授借用猪骨搭出框架，让小狗的成 骨细胞“攀附”其上，随着成骨细胞的逐渐 生长，猪骨逐渐被吸收，长成了狗头盖骨的 形状。 ——生物支架构建和骨细胞生长 小狗撞破的脑袋 小狗长好的头盖骨 续:骨组织工程 ? 由于人造狗头骨的原材料取自小狗自身， 因此装上“补丁”的小狗全无排异反应， 经过3个月的生长愈合，狗的颅骨缺损部分 被完全修复了。 ? 这块复制的2平方厘米见方的狗颅骨，其硬 度完全达到了小狗的生理标准。 ? 这是中国科学家首次为高等哺乳动物再造 并成功移植的体外骨组织，修复面之大为 世界之最。 曹谊林 例2:曹谊林-骨组织工程 ? 一场车祸造成 一男孩颅骨粉碎性骨折，经 过抢救，虽然保住了生命，但孩子的头部 却留下巴掌大的颅骨缺损: ? 额头明显凹下一块，甚至可以看到薄薄的 一层皮肤下内部的脑组织。 ? 颅骨缺损的治疗可采用自体骨移植，如取 肋骨移植，如同“拆东墙补西墙”。 ? 这对于任何人来说都是一个不小的创伤。 ? 另外一种方法是，采用人工材料如钛合金 等进行修补，但这些材料与人体正常的骨 组织是截然不同的，有可能发生排异反应， 造成手术失败。 ? 最重要的是其毫无生命力，在体内只能作 为填充物，无法有正常的生理功能。 ? 特别对儿童患者，人工材料不会随着正常 骨组织一起发育。 ? 新的组织工程治疗，只用5ml的骨髓，利用 自体的细胞形成新骨，达到真正意义上的 生理修复。” (三)细胞体外培养再造 膀胱 例1、哈佛医学院----组织工程培养猎犬膀胱 首先，从猎犬膀胱的外面获取平滑肌细胞，在膀胱内表 面获取尿上皮细胞，在体外培养; 其次，应用多分支的、多孔渗水的聚羟基乙酸聚合体，塑 造了一个膀胱形状的生物支架， 第三步，将尿上皮细胞加到聚合体内表面，平滑肌细胞加 到外表面，然后进行无菌培养获得新膀胱。 通过外科手术，用新生长成的膀胱分别替代6 只小猎犬的 正常膀胱。 小猎犬的机体开始用自身的血管供应新膀胱，新 膀胱和正常的膀胱一样能容纳尿液，并维持正常的膀胱形态， 甚至还接受机体神经支配。 例2 膀胱组织工程 ? 据《新科学家》杂志网络版2006年4 月4日报道，美国北卡罗莱纳州维克 大学医学院的安东尼?阿塔拉和其同 事将取自病人本身细胞并在实验室 研制成的膀胱移植到病人的体内， 首次临床试验就获得了成功。 ? 这是第一次体外培养并移植复杂的 人体组织器官。 续:膀胱组织工程 ? 他们将肌细胞以及膀胱细胞放入生物可分解的类似 膀胱状的生物支架内，生长大约两个月的时间。 ? 生物支架是由结构蛋白、胶原组织合成，某些情况 下还含有多聚羟基乙酸。 ? 研究人员通过精细的手术将这种新膀胱移植入病人 体内，对7位年龄在4,19岁之间的病人进行了持续 大约4年的追踪观察。 ? 结果发现，移植膀胱后，这些病人对排尿的控制能 力增强( (四) 心脏组织工程 ? 中新网2006年6月8日电 澳洲科 学家昨天称，实验室研究员已 培植出跳动的心脏组织。 ? 据香港大公报报道，过去，科 学家只能在实验室培植出平面 的器官组织，例如皮肤，但莫 里森称他们已能培植立体的组 织，还有望能培植出整个器官。 莫里森 ? 他们通过显微外科手术把一根血管植入一个 特殊设计的心室里，然后把 干细胞放进去， 过段时间它们就长成各种组织。 ? 该研究机构已用这种技术成功地培育出乳房 组织、 脂肪、肌肉以及产生胰岛素的胰腺 组织。 ? 莫里森向记者播放了一段他的研究小组培育 的心脏组织的录像。他说: ? “这些心脏细胞实际上正按照 ? 它们自己的节奏跳动着。” (五)皮肤组织工程 ? 第一个组织工程产品人工皮肤已于1997年3月 经美国FDA批准上市。 ? 这种产品被称为“适移植”的活性皮肤，它由 新生儿的包皮细胞培植而成，呈层状结构， ? 与正常人的皮肤极为相似，能分泌人体皮肤胶 原、生长因子和结构性蛋白， ? 可与病人自身的皮肤很好地融合，不存在排异 作用，就连病人自身的血管和色素也会逐渐转 移到活性皮肤中去，愈后不留瘢痕。 ? 此外,日本的第一家组织培养风 险企业日本组织工程公司，从 2000年春季开始提供用于治疗烫 伤的培养皮肤。 ? 该公司提供的培养皮肤是从患者 嘴里采取黏膜细胞进行无菌培养 出来的皮肤。 (六) 血管和软骨产品 ? 2000年3月10日，Advanced Tissue Sciences公司宣布了促进心肌血管形成 产品的临床前实验数据。 ? 该产品应用后14天即开始形成新的血管。 ? 据悉，用来修复或取代受损的人体软骨 组织的工程产品---人工软骨也即将上市 Carticel 软骨产品: ?可用来替代损伤的膝关节软骨。 ?它首先从病人机体中获取一些软骨细胞，然 后将这些细胞在一个可降解的生物支架上生长， ?组织长成后，外科医生切去损伤的软骨，用 工程化软骨组织替代。 (七)眼角膜组织工程 ? 国家„973?计划首席科学家曹谊林教授 指导下，由胡晓洁博士等研究人员，经 过,年的悉心研究，从兔子的眼角膜中 分离出角膜缘干细胞和角膜基质细胞， ? 与可降解生物材料复合，经过体外培养、 扩增，构建出有“活性”的眼角膜组织， ? 然后用于移植和修复兔角膜缺损，形成 了结构完整的透明角膜组织