组织工程概述

1、组织工程,一、组织工程研究概况 二、种子细胞 三、支架材料 四、生长因子 五、组织工程的临床应用,组织工程,组织工程一词最早是在1987年美国科学基金会()在华盛顿举办的生物工程小组会上提出。1988年,的一个专门工作小组对组织工程的内涵作了如下界定:“应用工程科学和生命科学的原理和方法,认识哺乳动物正常和病理组织与器官的结构功能关系,并开发具有生物活性的人工替代物,以恢复、维持或改善组织、器官的功能,组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。共基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种

2、生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的,组织工程的核心,组织工程是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上的又一新的里程碑，它标志着医学将走出器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代。同时，组织工程学作为一门多学科交叉的边缘学科，将带动和促进相关高技术领域的交叉、渗透和发展，并由此演化出新的高技术产业。组织工程将是21世纪具有巨大潜能的高技术产业，必将产生巨大的社会和经济效益,组织工程学的基本原理和

3、方法,将体外培养的高浓度组织细胞,吸附扩增于一种生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的生物材料上,形成细胞-生物材料复合物。该生物材料为细胞提供一个生存的三维空间,有利于细胞获得足够的营养物质,进行营养物交换,并能排除废物,使细胞能在按照预制设计的三维形状支架上生长。然后将此细胞-生物材料复合体植入机体组织病损部位。种植的细胞在生物支架逐步降解吸收过程中,继续增殖并分泌基质,形成新的具有与自身功能和形态相应的组织和器官。这种具有生命力的活体组织能对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代,几个概念,1、基因工程,2、细胞工程,3、组织工程,组织工程的主要内容,组织工程研究主要包括四个

4、方面： 种子细胞 生物材料 细胞因子 构建组织和器官的方法和技术,基本的思路： 将体外培养的细胞接种到可降解生物材料支架上，通过细胞之间的相互粘附、生长繁殖、分泌细胞外基质，从而形成具有一定结构和功能的组织或器官,目前临床上常用的组织修复途径大致有3种： 即自体组织移植 异体组织移植 应用人工代用品 这三种方法都分别存在不足，如免疫排斥反应及供体 不足等。组织工程的发展将从根本上解决组织和器官 缺损所致的功能障碍或丧失治疗的问题,组织工程的临床应用,一、种子细胞研究,种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要来源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组织细胞应为首选,由于组织工程细胞培养多需

5、要高浓度的细胞接种，自体组织细胞存在着数量上的局限性及长期传代后细胞功能老化的问题。现在的研究多集中于以下的几个方面,微载体的研制 自Van Wezel（1967年）用DEAE-Sephadex A 50 研制的第一种微载体问世以来，国际市场上出售的微载体商品的类型已经达十几种以上，包括液体微载体、大孔明胶微载体、聚苯乙烯微载体、PHEMA微载体、甲壳质微载体、聚氨酯泡沫微载体、藻酸盐凝胶微载体以及磁性微载体等,1载体等技术用于细胞的快速增殖,细胞在微载体表面的贴附和铺展 组织工程种子细胞主要为贴壁依赖性细胞，该类细胞只有贴附在固体基质表面才能增殖，故细胞在微载体表面的贴附是进一步铺展和生长的

6、关键。细胞和微载体相互作用的强弱不取决于电荷的极性，而是由电荷的密度决定的。Maroudas报道，对Biosilon微载体而言，210104mel/cm2的负电荷对细胞铺展是最合适的,细胞在微载体表面的生长 影响细胞在微载体表面生长的因素很多，可以分为细胞、微载体和环境三个方面。在细胞方面，如细胞群体、状态和类型；在微载体方面，如微载体表面状态、吸附的大分子和离子；在培养环境中，如培养基组成、温度、pH、DC以及代谢废物等均明显影响细胞在微载体上的生长,2干细胞工程,干细胞工程是利用现代生物医学和组织工程技术，通过对前体细胞，进行体外分离纯化、定向诱导分化、转基因及核移植、大量扩增和整合构建，

7、在体外重构人骨、软骨、肌肉、肌腱、瓣膜、脂肪、真皮、基质、神经、血管、皮肤、角膜以及造血和免疫等组织。它作为组织工程的“上游”研究，对未来的组织器官修复和替代具有极其重要的作用和深远的影响。在组织器官的细胞来源、细胞扩增与定向诱导分化、重构组织器官的种类、重构效率、重构组织器官的植入等方面，与传统的组织工程相比均存在着明显的不同和优势。其中骨髓基质干细胞是一研究热点,3酶调节与延缓细胞的老化,细胞的永生化,曹谊林教授等科研人员培养出的组织工程化的人耳,国内外组织工程研究概况,一、软骨组织工程方面： 1977年，Green曾试图将分离的软骨细胞移植导去钙的骨骼支架中，以复制软骨； 1989年，W

8、akitani将软骨细胞埋植于胶质支架中培养，获得成功； 1994年，Kim和Vacanti等将可降解材料PGA(聚羟基乙酸)生物材料与分离的软骨细胞联合培养，获得新生的软骨组织； 1996年，曹谊林等在大鼠及兔 体内制成有皮肤覆盖并有血供 的人形耳软骨,二、骨组织工程方面： 1989年，Lang将自体分离培培养的成骨细胞与羟基磷灰石明胶生物材料联合培养，然后植体内，发现明显提高新的骨组织重建； 1993年，Vacanti等将骨膜细胞种植于PGA(聚羟基乙酸)中，再植于裸鼠体内，证实骨细胞可以增殖成为骨骼； 1995年，Ono等将成骨细胞移植于同种异体赋形材料上，产生出新骨组织成功地应用,三、

9、肌腱组织工程方面： 1984年，Ricci和Grina用鼠的腱细胞与碳纤维、聚乙烯、尼龙和涤纶进行体外复合培养，观察了细胞与材料复合的形态学变化； 1991年，我校王铁丹、曹启迪教授尝试了天然材料“可降解人发角蛋白”应用于肌腱损伤的修复，并获得了成功。 1995年，杨志明等人对5月胎龄胎儿的肌腱细胞进行分离培养，并进行了形态、遗传特性等研究,四、肌组织工程方面： 80年代，Weinbeng将培养的平滑肌细胞种植在可降解的胶原管外层，模仿了组织工程血管； 1992、94年，Gasson和Law先后将成肌细胞移植治疗于人的肌营养不良症； 1997年，Polonchuk用微孔的二氧化钛陶瓷、不锈钢编

10、制的支架与心肌细胞进行复合培养，形成了能搏动的细胞团,五、周围神经组织工程方面： 进来很多学者将体外培养的雪旺细胞种植到可降解套管中进行培养，桥接神经缺损，获得成功。证明雪旺细胞对周围神经缺损的修复具有很好的应用前景,六、皮肤组织工程方面： 1981年，Bell等先后将新生儿包皮表皮细胞和真皮的成纤维细胞及L型胶原复合培养，制成了具有表皮和真皮的复合人工皮肤（高级生物敷料）； 1992年，Green将角质层细胞在一层3T3成纤维细胞上进行培养，在无生物材料的情况下，细胞的快速增殖，获得人工皮肤（高级生物敷料），用于烧伤的治疗,七、其它方面的组织工程研究 实质性器官的组织工程：此研究方面也取得了

11、很大的发展，如肝脏、胰腺、胰岛等。特别是在胰岛组织工程研究中，采用内含胰岛细胞的微型胶囊进行体内植入实验，获得了较好的临床疗效，目前已出现了商品化。 管状器官的组织工程，如食道、气管、小肠、肾脏、支气管等研究也进行了逐步展开。 另外心瓣膜组织工程和血管组织工程的研究正处在开端的阶段,组织工程的提出和建立虽然只有10多年的时间,但已在国际上得到迅猛发展。在美国,组织工程研究开展最早,进展较快。在80年代,美国首先由国家科学基金组织资助建立了一系列组织工程实验室。1995年筹建组织工程学会,并出版了正式刊物“组织工程学”。美国集中了相当数量的研究机构(包括,)、大学(包括,等)公司(如, 等,国外

12、,在美国,目前已经形成价值60亿美元的产业,并以每年25%的速度递增。培育的骨骼、软骨、血管、皮肤以及神经组织正在进行体内实验。再造的肝脏、胰脏、乳房、心脏、手指、角膜等正在实验室里生长成形。 其中一种名为的组织工程化皮肤产品已经实现商品化,正式进入临床应用。软骨组织工程产品已进入临床实验,在几年内就可应用于临床,临时的助肝装置正在进行临床实验,组织工程化骨产品不久也将面世。德国、日本、加拿大、奥地利、瑞士和英国等也开展了与组织工程相关的研究工作,在我国,组织工程学研究虽然起步较晚,但近几年国家对组织工程研究给予了高度重视,并逐步加大研究经费的投入, 我国青年学者曹谊林博士在的实验室中,于19

13、96年在世界上第一个成功地在裸鼠身上培养制成了人形耳廓软骨支架。目前,国内已见到有关软骨、肌腱、血管、皮肤和神经等组织以及微囊化胰岛细胞、肝细胞11等研究报道。这些研究目前均处于实验研究阶段,要形成产品用于临床尚需时日,国 内,种子细胞包括组织细胞和干细胞，组织细胞包括,种子细胞来源,1）病人的自体细胞 ； 最佳的细胞来源是病人的自体细胞，将其进行体外一定数量的扩增后用于组织工程研究。由于自体细胞具有体内移植后不引起免疫排斥反应等优点，因此受到研究人员的广泛青睐，是目前组织工程研究中应用最为广泛的一种细胞来源。尽管如此，自体细胞作为种子细胞来源也存在明显局限性，如自体细胞来源有限，在体外难以大

14、量扩增，并且存在去分化现象等。 （2）动物的异种细胞,由于人体许多组织都缺乏自身细胞供应，科研人员希望将异种细胞作为种子细胞来源之一。美国Diacrin公司的科学家们开展了相关研究，希望获得一种“万能供体”细胞系，即通过去除或掩盖细胞表面识别“异体”细胞的蛋白质，以克服免疫排斥反应问题。目前该项研究已经有了初步研究成果。但由于异种细胞进行体内移植也存在明显限制，如容易引起病原体体内传播、免疫排斥等，因此大大降低了研究人员开展相关研究的积极性,体外培养成纤维细胞,干细胞,人胚胎干细胞和组织干细胞的研究进展为从根本上解决制约组织工程的细胞问题提供了可能。到目前为止,将胚胎干细胞分化而来的定向细胞用

15、于治疗的实验已有报道,如将由胚胎干细胞衍化而来的少突神经胶质细胞移植到骨髓鞘缺陷型(-)大鼠胚胎的大脑脑室中,这些细胞会广泛分布,并形成髓鞘环绕在宿主的神经轴突周围。髓鞘缺陷型大鼠是人类遗传性髓鞘疾病的模型,进一步的工作便将衍化胶质细胞移植至动物模型的骨髓,发现髓鞘生长良好。这些实验都为将来人类疾病的攻克奠定基础,干细胞,按来源来分,1）胚胎干细胞（embryonic stem cells，ES,胚胎干细胞的分化和增殖构成动物发育的基础，即由单个受精卵发育成为具有各种组织器官的个体,2）成体干细胞（Adult stem cells,成体干细胞的进一步分化是成年动物体内组织和器官修复再生的基础,

16、种子细胞的分离和培养,为支架材料提供生命源泉、 并能形成组织的功能细胞称为种子细胞。 依据其来源可分为自体、同种异体和异种细胞。 自体细胞可由活检或穿刺所得到的组织进行分离培养,获得所需要的功能细胞; 同种异体细胞主要来自胚胎、新生儿和成体组织; 异种细胞主要来自于猪、牛等动物。其中干细胞研究最为突出,种子细胞的作用,种子细胞的获取,以软骨细胞为例,1）：无菌条件下切取关节软骨,2）：加入0 .05%透明质酸酶溶液、0. 20%胰蛋白酶溶 液及0. 20%型胶原酶溶液消化,3):用300目滤网过滤收获软骨细胞,经细胞计数(台盼蓝 染色细胞活度90%),4):接种于常规原代细胞培养液( 12+

17、+10%胎牛血清+0.1%青、链霉素)中,5）：置37、5%2培养箱内孵育至细胞形成单层,6）：以(23)104 2接种于含常规传代 细胞培养液(+10%胎牛血清 +0.1%青、链霉素) 置37、5%2 培养箱内孵育扩增细胞,种子细胞永生化,人体内获取的种子细胞来源有限;并且细 胞增殖能力低,代谢缓慢,体外培养对密度高度 依赖,且为有限增殖,传代到第9代左右,细胞出 现老化现象,使传代难以为继，都是种子细胞 库建立及组织工程必须解决的难题,永生化的定义及意义,所谓“永生化”(immortalization), 就是指细胞处于 连续的细胞周期而终止其发育进程,通俗一点说就是“使 细胞获得了无限的

18、增殖能力,建立永生化细胞的优势,1）：可以在体外研究种子细胞的分化与生长及增殖 之间的关系； （2）：永生化的种子细胞可以作为种子细胞工程的细 胞库或基因治疗的靶细胞； （3）：可以作为药理或毒理研究的标准细胞； （4）: 为组织工程提供足够量的种子细胞,细胞永生化的方法,1）把编码癌蛋白的外源性遗传信息如yc、neu、腺 病毒1、人类乳头瘤病毒7片段等转入靶细胞, 它们使生长抑制基因和(或)53功能失活,突破 细胞周期抑制关卡，从而使靶细胞在细胞周期中循 环增殖而达到永生化,2）40,3）端粒酶 由病毒介导的hTERT的表达激活了正常细胞端粒酶的表 达,进而导致端粒的增长和细胞生命周期的延伸

19、,4）放射性因素,1996年,Razmik等从高剂量原子弹辐射后的幸存者身上 得到了自发永生化的皮肤成纤维细胞。 射线、电离辐射、60等放射性因素可以进行细胞永生化,种子细胞永生化面临的问题,组织工程的支架材料,组织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体,该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所,是新的具有形态和功能的组织、器官的基础。生物材料在组织工程中起着替代细胞外基质或组织、器官的基质的作用。其主要功能包括以下两点,支架材料的功能,1、为体外构建工程组织或器官提供三维的细胞生长支架,使细胞间形成适宜的空间分布和细胞联系; 2、提供特殊的生长和分化信号,诱导细胞的定向分化和维持细胞分化,支架材料的选择,在组织工程研究中,寻找能充分发挥组织再生潜力的细胞外基质材料是核心内容。理想的组织工程细胞外基质材料必须具有如下特征: 良好的生物相容性: 除满足生物材料的一般要求,如无毒性、不致畸等外,还要利于种子细胞粘附、生长和分化; 良好的生物降解性: 降解率应与组织细胞生长率相适应,降解时间应能根据