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1组织工程学第一章★1.组织工程学的定义组织工程学是应用生命科学和工程学的原理与方法，在正确认识哺乳动物的正常和病理状态下组织结构与功能特点的基础上，研究、开发用于人体各种组织或器官损伤后的器官修复和重建的生物替代物，从而恢复人体器官正常的功能和形态结构的一门新兴科学2.组织工程学的研究策略和方法（1）研究策略：3•将患者或捐献人体上新分离或培养的细胞及细胞群体注入受伤组织或可降解支架中，形成组织复合物后再植入体内，进行器官重塑•首先将细胞与支架在体外联合培养产生活的器官，构建成人体需要的活器官，然后再植入动物或人体内，修复欠缺或代替缺损组织•组织的原位再生。直接将支架植入到损伤部位，依靠体内自身细胞的迁移进行重建局部组织，实现活体内器官或组织的自身修复（2）常用的组织器官修复方法3•同种异体器官移植•自体组织移植•人工合成组织代用品3.组织工程学研究的基本问题（1）种子细胞的研究种子细胞的类型自体细胞、同种异体细胞、胚胎干细胞、异体细胞补：种子细胞来源及调控补：生物因子（2）支架的研究支架的重要性细胞培养的过程就是种子细胞与支架的融合并获得生长的过程，其中支架是细胞停泊和生长的支撑和环境，获得好的支架材料是细胞培养能否成功的关键之一支架的要求：7①生物相容性好、无致毒性，无致炎症反应和无致畸致癌的作用②体内降解速度与组织构建同步、产物无害、能完全被吸收或排出体外、不在体内残留③有一定的力学强度④可塑性好⑤材料的孔径和孔隙率适度，微孔分布与走向符合器官力学特点、生长规律并配布均衡⑥材料具有适宜及诱导组织再生能力⑦细胞与支架无严重的相互作用6.常用术语：细胞类术语细胞周期、分化、染色体、成体干细胞,细胞周期依赖性蛋白激酶,脑源性神经生长因子,骨形态形成蛋白,细胞周期依赖性蛋白激酶,细胞因子,多能干细胞第二章种子细胞2种子细胞的基本要求①采用非侵袭手段或微创手段即可获得；②分裂增殖能力强；③功能旺盛；④无或仅有极微弱的免疫排斥反应；⑤能连续传代，并且传代培养后不发生形态、功能及遗传物质的改变。种子细胞的主要种类（一）自体种子细胞（二）同种异体种子细胞（三）异种细胞（四）胚胎干细胞★干细胞1定义:可从胚胎、胎儿或成人组织中分离出来,其主要特征为在特定的条件下可长期无限增殖(成体干细胞则可在个体存活期内不断自我复制),并可分化为至少一种类型以上的特殊细胞。可简单概括为具有自我更新(增殖)和分化能力的细胞2特征:具有自我更新(增殖)和分化能力3分裂方式:★对称分裂：形成两个相同的干细胞★非对称分裂：一个子细胞保持亲代的特征，仍作为干细胞保留下来，另外一个子细胞不可逆的走向分化的终端成为功能专一的分化细胞分类★按照发生学来源，干细胞可以分为胚胎干细胞(embryonicstemcell，ES细胞)成体干细胞(adultstemcell)★根据不同的分化潜能，干细胞可以分为全能干细胞(totipotentstemcell)多能干细胞(pluripotentstemcell)单能干细胞(unipotentstemcell)祖细胞又叫前体细胞(progenitororprecursorcell)：是胚胎和成体组织中发生部分分化的细胞，可以分裂并形成某种类型的分化细胞。★祖细胞与干细胞的区别1当一个干细胞分裂时，两个子代细胞中至少有一个是具有自我复制能力的干细胞2当一个祖细胞分裂时，可以形成两个祖细胞or同时产生两个分化细胞，但这些细胞都失去了自我复制能力3干细胞能分化成各种类型细胞；祖细胞的分化方向已比较确定★胚胎干细胞ESC★来源：4~5日胚胎(又称囊胚)的内细胞团★特点：1.具有发育全能性,在一定条件下有向3个胚层细胞分化的能力，在理论上可以诱导分化为机体中所有种类的细胞；2.具有种系传递能力，能够形成嵌合体动物；3.胚胎干细胞易于进行基因改造操作。3内细胞团在形成内中外3个胚层时开始分化。内胚层将分化为肝肺肠等，中胚层将形成骨骼、血液、肌肉等，外胚层将分化为皮肤、眼睛、神经系统等★成体干细胞ASC定义(adultstemcell)：指存在于分化组织中的未分化的细胞，并能分化成该细胞来源组织中的细胞成分(如表皮干细胞)。有些成体干细胞(如骨髓间充质干细胞或脂肪干细胞)则可分化为其他组织中的细胞成分，如骨髓间充质干细胞可分化为软骨细胞等。来源骨髓、血液、角膜、大脑、骨骼肌、牙髓、肝脏、皮肤、消化道上皮和胰腺等。优点（与胚胎干细胞相比，在研究和应用方面）1.成体干细胞的自体移植避免了免疫排斥；2.成体干细胞在正常情况下处于静止状态，只有在病理情况下才显示出一定的自我更新潜能，不像胚胎干细胞具有无限的自我更新能力，因此成体干细胞导致癌变的可能性较小；3.成体干细胞的分化潜能比较局限，更容易向特定的组织细胞分化，也可以直接用于体内组织的原位修复；4.某种类型的成体干细胞有向同种组织的损伤部位迁移的趋势，这有助于临床应用干细胞来进行疾病替代治疗时的定位；5.分离和使用成体干细胞不存在伦理学问题。其应用受到的制约因素1.目前尚未在人体的所有部位分离出成体干细胞；2.在一些遗传性疾病中，遗传错误也会出现在患者的干细胞中，这种干细胞是不适合移植的，而且由于环境因素的影响，成体干细胞有可能有基因突变等DNA异常；3.成体干细胞没有胚胎干细胞的增殖能力强。★临床应用骨髓移植：主要用于治疗急慢性白血病,使急性白血病的长期生存率提高到50%～70%。外周血和脐血干细胞移植：用于治疗各种恶性血液病及非血液系统的实体瘤等。人造皮肤是开发最早的组织工程产品：Apligraft是第一种获得FDA批准的含有人体活细胞的组织工程产品。临床角膜移植、心肌细胞、骨骼肌细胞、胰岛细胞、神经细胞等。★骨髓间充质干细胞BMSC★定义：人骨髓中所含的细胞可以分为造血类细胞和非造血类细胞。前者中含有的干细胞主要为造血干细胞，而后者中含有间充质干细胞，能够分化为骨、软骨、肌腱、脂肪、皮肤和其他类型的细胞。★来源：存在于全身结缔组织和器官间质中，以骨髓中含量最为丰富★特点：具有高度自我更新能力、多向分化潜能可分化为中胚层的骨、软骨、肌肉、脂肪细胞等，还可跨胚层分化为具有神经元or神经胶质细胞表型的细胞优势：来源广泛、取材方便、对人创伤性较小；易在体外培养、扩增和诱导；取自自体，克服了使用胎儿组织的伦理学和免疫学方面的问题；4★分离方法①差速贴壁筛选法②密度梯度离心法③流式细胞仪分选法④免疫磁珠分选法神经干细胞ＮＳＣ定义是一类重要的成体干细胞，分布于成人及胚胎的中枢及周围神经系统。在生长因子、神经递质、激素及损伤、环境因素改变的刺激下，可分化为不同类型的神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。分布成人及胚胎的中枢及周围神经系统主要分布于：脑室管膜、室下区、纹状体、海马齿状回等区域脂肪干细胞ＡＤＳＣｓ定义:从脂肪组织中分离得到的一群多能干细胞，具有向多种组织分化的潜能。补：种子细胞的来源，原代培养以及传代培养的生物学特性，鉴定二、未分化细胞的获取培养1.胚胎干细胞：概念当受精卵分裂发育成囊胚时，内细胞团的细胞即为ESC特性具有发育的全能性，能够自我更新并具有分化成体内所有组织的潜能获取方法以昆明小鼠ESC的分离与培养为例：饲养层细胞的制备――囊胚的获得――囊胚的培养――内细胞团的分离――ESC的鉴定2.成体干细胞以SD大鼠BMSC的分离与培养为例：处死、取骨、清除、漂洗――收集骨髓、离心、分离――重悬、接种培养――传代、观察――鉴定第三章组织工程支架材料支架材料★按来源分类1.天然支架材料:珊瑚、海藻（酸盐类）、黏多糖、软骨素、胶原类、壳聚糖等；2.人工合成支架材料:各种多聚物类高分子材料、金属合金、陶瓷、硅胶等。３．新型生物材料构建的基本原则①须经无污染的处理：严格无菌和无毒操作，避免任何病原微生物和有毒物质的污染。②须为细胞提供生存和分化良好的微环境：根据修复材料的大小，设计其材料内部的孔隙率，使其适合种子细胞存活、生长、发育并产生功能，或使其植入生物体后，体内的细胞能够沿着材料内部的孔隙进行迁移并行使功能从而逐渐替代所植入的支架材料。③植入人体后在自身修复过程中适时降解组织工程支架材料在植入人体后必须适时降解，为人体自身修复创造出更好的空间★常用生物支架特征：51)良好的生物相容性,不引起炎症反应,排异反应和毒性反应；2)良好的生物降解性和可吸收性，能彻底地被自身组织替代。降解率应与组织细胞生长率相适应,降解时间应能根据组织生长特性作人为调控。3)良好的可塑性：可塑造为任意三维结构，与机体原有特定形状保持一致。54）良好的表面化学特性和表面微细结构：有利于细胞的粘附和生长。5）为细胞创造良好的微环境条件：生物材料的孔径、方向、纤维结构及涂层细有利于细胞的生长发育和迁徙。1.天然可降解生物材料1)胶原•在动物体内含量丰富，是细胞外基质中的框架结构，具有高度的抗张力，有助于保持其结构的完整性•20种左右的胶原结构有共性--原胶原（胶原分子）均由三条相同或不同的α链形成三螺旋结构，每条α链的组成可以用(Gly-X-Y)n来表示•可塑性好，容易加工成型，有生物塑料之称•人工皮肤、人工血管、肌腱、晶体、角膜和骨等的支架材料•缝合线、烧烫伤敷料及化妆品领域等2）弹性蛋白•由两类短肽段交替排列构成（疏水肽段—使分子具有弹性；含有大量丙氨酸和赖氨酸残基的a螺旋—可在相邻分子间形成交联）•氨基酸组成与胶原相类似，亦富含甘氨酸及脯氨酸，但很少含有羟脯氨酸，而不含羟赖氨酸，所以不具备胶原特有的Gly-X-Y序列，不能形成规则的三股螺旋结构•通过赖氨酸残基参与交联形成具有高弹性的网状结构3）藻酸盐•从褐藻中提取•带负电荷，能同带正电的分子牢固结合•具有良好的生物相容性•用作药物制剂的添加剂、伤口敷料、止血剂、药签等•用于移植材料和组织工程4）甲壳素及壳聚糖•甲壳素存在于虾蟹等的外壳、海藻真菌等的细胞壁中，资源丰富、分布广泛•壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物，无毒、无味、有良好的生物相容性•都有复杂双螺旋结构，易于进行理化性质的改变，故有很多衍生物•可吸收缝合线、人工皮肤、支架材料等5）纤维素•植物和真菌细胞壁的主要成分，自然界数量最多的碳水化合物•血液透析材料、人工肾、模拟人工肺、埋植材料、齿科修补材料6）透明质酸HA•带负电荷最大的粘多糖•主要来源是：鸡冠，人脐带和动物眼球，提取的透明质酸一般以游离状态存在，易于分离纯化和规模化生产•极强的吸水性—天然保湿因子•是人体自身的基质成分，外源性HA抗原性极低，生物相容性极好•眼科手术、关节病治疗、组织修复等7）珊瑚•含有大量碳酸钙和少量有机质•数量很大，能够满足组织工程大量需求•呈多孔状，类似骨松质，利于血管和组织的长入。6•其成分及结构与矿化骨相似，植入后可与骨组织直接结合，两者间不形成纤维组织•来源广泛，具有良好的生物相容性和可降解性，加工处理方便•新型的生物活性移植骨材料人工合成的可降解生物材料优点：①其组成成分、分子量、表面微结构、大体形态、机械性能、降解时间等都能预先设计和调控，②最后基本降解完全，避免了长期异物反应的危险，缺点：缺乏细胞识别信号，不利于细胞特异性粘附及特异基因的激活。★分类1聚乳酸类：PLA、PGA、PLGA等2微生物聚酯类：3-羟基丁酸等3共聚物：聚酰胺共聚物等3.新型生物材料1）纳米生物材料2）复合生物材料（分类6、优势-举例3）常用无机材料名称：•羟基磷灰石HAP•磷酸三钙TCP•生物活性玻璃陶瓷BGC①无机—无机复合材料，如：HAP/β-TCP复合材料（双相磷酸钙BCP）。既保持了生物活性，又使强度得到明显提高。其骨传导性优于单一的HAP或β-TCPBCP的成骨机理是以HAP为骨架，β-TCP降解提供钙、磷源，使新骨不断长入β-TCP降解后所形成的空隙中。②无机—金属复合材料，如：金属无机涂层材料，羟基磷灰石涂层材料。③无机—有机复合材料,如：HAP/PLA复合材料。可以提高材料的韧性，满足机械强度的要求；PLA的酸性降解产物可以被HAP缓冲，同时HAP的骨诱导性可提供良好的骨细胞粘附生长环境复合物的多孔结构