3.051/BE.340 第21讲组织工程 组织工程:在组织或器官范围内,通过人工处理、操作细胞方式借助于细胞外环境寻 种可以取代、修复或增强生物功能的研究领域 目标: 1.完成生物性机械作用(骨,软骨) 代替生理功能(肝脏,神经) 3.输送分泌物(胰岛素) 4.上述目标的综合 3种主要途径: 1.体外/细胞囊封化(3) 2.体外合成(1-4) 3.体内合成(1-4)
1 3.051/BE.340 第 21 讲 组织工程 组织工程：在组织或器官范围内，通过人工处理、操作细胞方式借助于细胞外环境寻找一 种可以取代、修复或增强生物功能的研究领域。 目标： 1． 完成生物性机械作用（骨，软骨） 2． 代替生理功能(肝脏，神经) 3． 输送分泌物（胰岛素） 4． 上述目标的综合 3 种主要途径： 1． 体外/细胞囊封化（3） 2． 体外合成（1-4） 3． 体内合成（1-4）
3.051/BE.340 1.体外/细胞囊封化 方法: 1.把需要的细胞密封在半透膜中 2.植入密封装置或与体内连接 3.细胞分泌物→治疗 4.当治疗完成时装置取出或断开连接 半透膜 氧,营养物 二氧化碳 排泄物 治疗分子 悬浮在溶胶中 的细胞 免疫系统:Ab,T细 胞,B细胞 优点: 从活细胞角度的天然治疗方案 非宿主细胞的使用一免疫隔离 不足 有来自补体蛋白吸收所造成的潜在的、不希望的免疫反应(类似于血液滤膜) 有血栓形成的可能性(体内处理过程中使用的抗凝血) 存在植入装置破裂的可能性
2 3.051/BE.340 1． 体外/细胞囊封化 方法： 1． 把需要的细胞密封在半透膜中 2． 植入密封装置或与体内连接 3． 细胞分泌物 ⇒ 治疗 4． 当治疗完成时装置取出或断开连接 优点： ¾ 从活细胞角度的天然治疗方案 ¾ 非宿主细胞的使用—免疫隔离 不足： ¾ 有来自补体蛋白吸收所造成的潜在的、不希望的免疫反应（类似于血液滤膜） ¾ 有血栓形成的可能性（体内处理过程中使用的抗凝血） ¾ 存在植入装置破裂的可能性 半透膜 氧，营养物 二氧化碳， 排泄物 治疗分子 悬浮在溶胶中 的细胞 免疫系统：Ab,T 细 胞, B 细胞
3.051/BE.340 应用研究: 糖尿病治疗* 慢性病 神经变性疾病:ALS( Lou gehrig病,神经肌肉),帕金森, Alzheimers,亨廷顿病 (渐进性脑坏死) 矮小症 贫血/血友病 斑点恶化(失明) 癌症 肝功能衰竭* =临床试用 装置实例 胰岛微囊化(胰岛技术公司, St pau,MN) 细胞帼:用于葡萄糖控制的可植入性膜包裹胰岛 细胞:产生胰岛素的胰岛 用途:糖尿病的长期治疗 装置:限制胰岛的海藻盐膜 治疗:胰岛被植入于患者胰腺中,或通过膜于病人的血液中,胰岛监测葡萄糖水平的 变化并通过胰岛素的分泌加以响应 状态:临床使用前的试用(胰岛植入已在临床试用) 胰岛细胞 海藻膜
3 3.051/BE.340 应用研究： ¾ 糖尿病治疗* ¾ 慢性病* ¾ 神经变性疾病：ALS（Lou Gehrig 病，神经肌肉），帕金森，Alzheimer’s, 亨廷顿病 （渐进性脑坏死） ¾ 矮小症 ¾ 贫血/血友病 ¾ 斑点恶化（失明） ¾ 癌症 ¾ 肝功能衰竭* *=临床试用 装置实例 胰岛微囊化（胰岛技术公司，St Paul, MN） 细胞帽：用于葡萄糖控制的可植入性膜包裹胰岛 细胞：产生胰岛素的胰岛 用途：糖尿病的长期治疗 装置：限制胰岛的海藻盐膜 治疗：胰岛被植入于患者胰腺中，或通过膜于病人的血液中，胰岛监测葡萄糖水平的 变化并通过胰岛素的分泌加以响应 状态：临床使用前的试用（胰岛植入已在临床试用） 胰岛细胞 海藻膜
3.051/BE.340 Arbio Systems公司(最近从Crce生物医药处获得) Hepat Assist系统:一种体外的,人造的生物肝脏支持系统 细胞:主要猪的肝细胞 用途:移植给需求人提供暂时性肝功能 装置:空心纤维生物反应器,氧发生器,泵 治疗:通过生物反应器等离子循环并且与血细胞重新结合 状态:I期试验完成
4 3.051/BE.340 Arbio Systems 公司（最近从 Circe 生物医药处获得） Hepat Assist 系统：一种体外的，人造的生物肝脏支持系统 细胞：主要猪的肝细胞 用途：移植给需求人提供暂时性肝功能 装置：空心纤维生物反应器，氧发生器，泵 治疗：通过生物反应器等离子循环并且与血细胞重新结合 状态：I 期试验完成
3.051/BE.340 2.体外合成 方法: 1.体外细胞接种在支架装置上 细胞培养、扩增群体并进行组织工程(在静态培养或生物反应器中) 3.被植入的装置上建立起细胞群 4.装置降解,支架被重塑组织取代
5 3.051/BE.340 2．体外合成 方法： 1． 体外细胞接种在支架装置上 2． 细胞培养、扩增群体并进行组织工程（在静态培养或生物反应器中） 3． 被植入的装置上建立起细胞群 4． 装置降解，支架被重塑组织取代
3.051/BE.340 优点: 从活组织出发的天然治疗对策 永久治疗 允许控制和量化,而这在体内是不易进行的 细胞源 可能的排异 肿瘤一细胞系 器官功能的全部恢复还有挑战(如:皮肤) 应用研究 脉管系统(可吸收和不可吸收性的) 肝组织 神经组织 软组织* 角膜* 膀胱* 皮肤* 骨 韧带 腱 肌肉 心脏阀 最新统计的公司 先进组织科学公司, La jolla. CA:破产文档第十一章02年十月 器官形成, Canton,MA:破产文档第十一章02年九月由 Novartis要求的应用接枝形 人工皮肤技术
6 3.051/BE.340 优点： ¾ 从活组织出发的天然治疗对策 ¾ 永久治疗 ¾ 允许控制和量化，而这在体内是不易进行的 不足： ¾ 细胞源 - 可能的排异 - 肿瘤—细胞系 ¾ 器官功能的全部恢复还有挑战（如：皮肤） 应用研究： ¾ 脉管系统（可吸收和不可吸收性的） ¾ 肝组织 ¾ 神经组织 ¾ 软组织* ¾ 角膜* ¾ 膀胱* ¾ 皮肤* ¾ 骨 ¾ 韧带 ¾ 腱 ¾ 肌肉 ¾ 心脏阀 ¾ 心脏 最新统计的公司： 先进组织科学公司， La Jolla. CA：破产文档 第十一章 02 年十月 器官形成， Canton, MA： 破产文档 第十一章 02 年九月 由 Novartis 要求的应用接枝形 人工皮肤技术
3.051/BE.340 3.体内合成 方法 1.植入多孔支架装置 2.细胞在体内生长 3.支架被重塑组织取代 优点: 来源于活细胞的自然治疗对策 永久性治疗 无细胞源问题 问题 对植入支架的不可控制的生物学反应 应用研究: 脉管系统 骨 神经* 韧带* 软骨(膝盖半月板)
7 3.051/BE.340 3．体内合成 方法： 优点： ¾ 来源于活细胞的自然治疗对策 ¾ 永久性治疗 ¾ 无细胞源问题 问题： ¾ 对植入支架的不可控制的生物学反应 应用研究： ¾ 脉管系统 ¾ 皮肤* ¾ 骨* ¾ 神经* ¾ 韧带* ¾ 软骨（膝盖半月板） 1． 植入多孔支架装置 2． 细胞在体内生长 3． 支架被重塑组织取代
3.051/BE.340 组织生长支架 目的:取代外基质的功能(ECM) ECM的功能: 1.细胞寄生 2.细胞定位 3.细胞生长 4.新组织机械性完整 5.组织微环境 6.细胞分化 7.隔绝,储存和呈现可溶性调节蛋白 8.设计组织的蓝本(如:生物矿化组织) ECM类型: 基片(基膜):直接位于上皮细胞之上,包括薄层,胶原,血清纤维结合蛋白,体外连接蛋白 基本组织(间隙基材):提供结构完整性;包括基材-分泌细胞(成纤维细胞,成骨细胞) 胶原,弹性蛋白,纤维蛋白,血清纤维结合蛋白,体外连接蛋白,GAGs,醣蛋白,调节蛋 白 、,s 基本组织
8 3.051/BE.340 组织生长支架 目的：取代外基质的功能（ECM） ECM 的功能： 1． 细胞寄生 2． 细胞定位 3． 细胞生长 4． 新组织机械性完整 5． 组织微环境 6． 细胞分化 7． 隔绝，储存和呈现可溶性调节蛋白 8． 设计组织的蓝本（如：生物矿化组织） ECM 类型： 基片(基膜)：直接位于上皮细胞之上，包括薄层，胶原，血清纤维结合蛋白，体外连接蛋白 基本组织（间隙基材）：提供结构完整性；包括基材-分泌细胞（成纤维细胞，成骨细胞）， 胶原，弹性蛋白，纤维蛋白，血清纤维结合蛋白，体外连接蛋白，GAGs, 醣蛋白，调节蛋 白 基片 基本组织
3.051/BE.340 可吸收性组织工程支架 1.胶原基 如:人工皮肤 不足:产生免疫性 2.生物可降解聚合物:PLA,PGA,PLGA 如:软骨 不足:无附着点(能在RGD上构建) 3.羟基磷灰石,生物玻璃 如:骨再生 不足:脆,强度低 组织工程装置的加工 A.设计问题 1.细胞密度 应该足够高,以确保组织的形成,达到治疗目的 2.营养/氧/排泄物的传输 营养物必须能够到达在支架/囊封在装置内的细胞中
9 3.051/BE.340 可吸收性组织工程支架： 1． 胶原基 如：人工皮肤 不足：产生免疫性 2． 生物可降解聚合物：PLA，PGA，PLGA 如：软骨 不足：无附着点（能在 RGD 上构建） ３．羟基磷灰石，生物玻璃 如：骨再生 不足：脆，强度低 组织工程装置的加工 Ａ．设计问题 １．细胞密度 应该足够高，以确保组织的形成，达到治疗目的 ２．营养／氧／排泄物的传输 营养物必须能够到达在支架／囊封在装置内的细胞中
3.051/BE.340 血管支架架/微囊化装置 距营养物的有限距离可从 Thiele ratio,S中测量(提供消耗的比值) kpx2D营养物在装置中的扩散努力(cm Co=营养物初始浓度( mol/cm3) DC κ=细胞吸收养分的速率常数(mol/sec/cl)l x=到营养源的距离(血流)(cm) p=在装置中的细胞密度(ce1ls/cm3) S》1→细胞消耗远大于可传输的量 S<1→供远大于需 S=1→供需平衡;在装置设计时的定量估计 在设计组织工程装置中的经验:xm=500微米
10 3.051/BE.340 血管支架 支架／微囊化装置 距营养物的有限距离可从 Thiele ratio, S 中测量（提供消耗的比值） D=营养物在装置中的扩散努力（cm 2 /sec） Co=营养物初始浓度（mol/cm3 ） κ=细胞吸收养分的速率常数（mol/sec/cell） ｘ=到营养源的距离（血流）（cm） ρ=在装置中的细胞密度（cells/cm3 ） S>>1⇒ 细胞消耗远大于可传输的量 S<<1⇒ 供远大于需 S=1 ⇒ 供需平衡；在装置设计时的定量估计 在设计组织工程装置中的经验: ｘmax= 500 微米