3.051/BE.340 第22讲组织工程(续) 实例列举 1.细胞封囊化治疗糖尿病 蘑尿病 Mellitus型或只与胰岛素有关):胰腺停止产生胰岛素,胰腺紊乱 世界范围100M病例 美国15M病例→每年94B美元用于治疗 症状:疲劳,体重减轻,极渴 注意:Ⅱ型糖尿病,胰岛素可被 制造但不能发挥作用 传统疗法:每日注射胰岛素 问题:异常的释放模式将产生长期的并发症 肢端循环丧失 肾功能衰竭 胰岛素是什么? ●根据血液中葡萄糖水平而释放出的荷尔蒙(分子量~6kD) ●葡萄糖吸收过程中的辅助细胞
1 3.051/BE.340 第 22 讲 组织工程（续） 实例列举 1． 细胞封囊化治疗糖尿病 糖尿病 Mellitus( Ⅰ型或只与胰岛素有关)：胰腺停止产生胰岛素，胰腺紊乱。 z 世界范围 100M 病例 z 美国 15M 病例⇒ 每年 94B 美元用于治疗 z 症状：疲劳，体重减轻，极渴 传统疗法：每日注射胰岛素 问题：异常的释放模式将产生长期的并发症 z 失明 z 肢端循环丧失 z 肾功能衰竭 胰岛素是什么？ z 根据血液中葡萄糖水平而释放出的荷尔蒙（分子量～6kD） z 葡萄糖吸收过程中的辅助细胞 注意：Ⅱ型糖尿病，胰岛素可被 制造但不能发挥作用
3.051/BE.340 胰岛突起 胰腺:一种内分泌腺,可结合: 胰腺泡:对十二指肠释放消化酶 胰岛突起:(占胰腺体积的1-2%):对血液释放胰岛素 细胞微囊化疗法 二十世纪70年代中期报道的第一例( W.L. Chick, Joslin res.Lab, Boston) →在兔子中达到的葡萄糖动态平衡 二十世纪90年代早期,在对狗实施胰脏切除术时植入的管状植入物( R PAnza) 丙烯酸基 寄身处 像m0 胰岛 PVC-PAN膜
2 3.051/BE.340 胰腺：一种内分泌腺，可结合： ¾ 胰腺泡：对十二指肠释放消化酶 ¾ 胰岛突起：（占胰腺体积的 1-2%）：对血液释放胰岛素 细胞微囊化疗法 z 二十世纪 70 年代中期报道的第一例（W.L.Chick, Joslin Res. Lab., Boston） ⇒ 在兔子中达到的葡萄糖动态平衡 z 二十世纪 90 年代早期，在对狗实施胰脏切除术时植入的管状植入物（R.P.Lanza） 胰腺 胰岛突起 胰岛 丙烯酸基 寄身处 PVC-PAN 膜
3.051/BE.340 从腹腔植入 通过PTFE接枝,膜与脉管系统相连 >10周无需体外供给胰岛素 30周很少纤维化(生物相容性很好的丙烯酸类) 失效的几种原因 a)膜坍塌(5-7个月时,80%-90%装置会发生) b)血栓症 c)感染 d胰岛功能丧失,胰岛坏死 ·194年人体试用(Shap和Lacy) 皮下植入 PAN-PVC中空纤维(15厘米长) 载于藻酸盐上的人胰岛 2周后90%-95%的胰岛具有生存能力 局限性:胰岛素数量一需足够用于细胞疗法的几米纤维 可能的解决方案 a)“超级”细胞系一胰岛素高输出,营养物低需求 b)在脉管基因方面有新突破 参考资料: RHLi,“细胞胶囊材料”, Adv Drug Dlivery Rec.301998)87-109 R PAnza,R. Langer, W.L. Chick,《组织工程原理》 R GLandes co: Austin,TX,1997
3 3.051/BE.340 - 从腹腔植入 - 通过 PTFE 接枝，膜与脉管系统相连 - ＞10 周无需体外供给胰岛素 - 30 周很少纤维化（生物相容性很好的丙烯酸类） - 失效的几种原因： a)膜坍塌（5-7 个月时，80%-90%装置会发生） b)血栓症 c)感染 d)胰岛功能丧失，胰岛坏死 局限性：胰岛素数量—需足够用于细胞疗法的几米纤维 可能的解决方案： a)“超级”细胞系—胰岛素高输出，营养物低需求 b) 在脉管基因方面有新突破 参考资料： R.H.Li, “细胞胶囊材料”，Adv.Drug Dlivery Rec.33(1998)87-109. R.P.Lanza, R.Langer, W.L.Chick, 《组织工程原理》R.G.Landes Co.:Austin, TX,1997 z 1994 年人体试用（Sharp 和 Lacy） - 皮下植入 - PAN-PVC 中空纤维（1.5 厘米长） - 载于藻酸盐上的人胰岛 - 2 周后 90%-95%的胰岛具有生存能力
3.051/BE.340 2.体外软骨重建 软骨的基本情况 仅有一种细胞类型(软骨细胞) ●与脉管系统连接量低(限制了体内再生能力) 提供结合处的润滑作用(膝盖) ●软结构性膜的主要成份(鼻,耳) 软骨拉伤(运动员受伤)(在美国每年~0.5M) 风湿性关节炎(来自吞噬细胞的酶将软骨降解) 天生残缺/整容(在美国每年28,000 软骨 接合液 半月板 体外软骨形成 材料:无纺PGA纤维网或盐-滤出支架;~95%孔隙率 程序:支架用培养液预湿并种植细胞 过一段时间PGA基材被细胞、胶原和GAGs取代 由3082学生制备的滤颜/ 盐支架 10%聚乳酸
4 3.051/BE.340 2． 体外 软骨重建 软骨的基本情况： z 仅有一种细胞类型（软骨细胞） z 与脉管系统连接量低（限制了体内再生能力） z 提供结合处的润滑作用(膝盖) z 软结构性膜的主要成份（鼻，耳） 环境： z 软骨拉伤（运动员受伤）（在美国每年～0.5M） z 风湿性关节炎（来自吞噬细胞的酶将软骨降解） z 天生残缺/整容（在美国每年 28,000） 体外软骨形成 z 材料：无纺 PGA 纤维网或盐-滤出支架；～95%孔隙率 z 程序：支架用培养液预湿并种植细胞 z 过一段时间 PGA 基材被细胞、胶原和 GAGs 取代 软骨 半月板 接合液 由 3.082 学生制备的滤 盐支架 10%聚乳酸
3.051/BE.340 局限: a)固含量低:在培养基中质量传输差 b)不规则的组织形态:体外缺少流场 改进方法:生物反应器( R. Langer,MT) 旋转瓶 介质 呂 组织构建 磁力搅拌珠 旋转脉管 C 液体取代 组织构建 (自由移动)
5 3.051/BE.340 局限： a)固含量低：在培养基中质量传输差 b)不规则的组织形态：体外缺少流场 改进方法：生物反应器（R. Langer, MIT） 旋转瓶 介质 磁力搅拌珠 组织构建 旋转脉管 液体取代 组织构建 （自由移动）
3.051/BE.340 GAG 胶原 静态 4 15 旋转态 7 天然杰 生物反应器中生长的组织 组织的尺寸与初始的支架接近 比静态骨含量高 ●组织结构模拟天然软骨 30微米囊状扁平细胞 和胶原:提供刚性 细胞,GAG,胶原的均 混合 商业现状:基因酶( Cambridge,MA) FDA-批准的自体同源的膝盖软骨修复 面临挑战 a)按比例增大组织的尺寸 b)改进机械性能
6 3.051/BE.340 细胞 GAG 胶原 水 静态 4 10 15 旋转态 7 30 19 88 天然态 4 38 42 75 生物反应器中生长的组织： z 组织的尺寸与初始的支架接近 z 比静态骨含量高 z 组织结构模拟天然软骨 商业现状：基因酶（Cambridge,MA） FDA-批准的自体同源的膝盖软骨修复 面临挑战： a)按比例增大组织的尺寸 b)改进机械性能 ～30 微米囊状扁平细胞 和胶原：提供刚性 细胞，GAG，胶原的均 一混合
3.051/BE.340 2.体内神经重建 中枢神经系统(CNS):脑和脊髓 脊髓:神经元被少突细胞覆盖一分泌液抑制再生 外围神经系统(PNS):处理来自环境信息的神经分枝:部分具有再生能力 神经:被包裹在神经外 膜中的几束神经丛 神经丛:被结缔组织围绕 的轴突束 种树枝状细胞质突起 轴突 神经元 施沃恩细胞: 产生髓磷脂(隔离剂) 分泌神经营养因子
7 3.051/BE.340 2．体内 神经重建 中枢神经系统（CNS）：脑和脊髓 脊髓：神经元被少突细胞覆盖—分泌液抑制再生 外围神经系统（PNS）：处理来自环境信息的神经分枝；部分具有再生能力 上进 神经：被包裹在神经外 膜中的几束神经丛 神经丛：被结缔组织围绕 的轴突束 轴突 种树枝状细胞质突起 神经元 施沃恩细胞： - 产生髓磷脂（隔离剂） - 分泌神经营养因子
3.051/BE.340 不适状况:神经已断 丧失支持(神经营养因子) 疤痕向内生长 新芽突的取代 神经导向通道:利用PNS的再生能力 发展历程 WWI 用作引导轴突生长的橡胶管 生物相容性低 1960 0's 硅橡胶试用(交联的硅树脂橡胶) 现今 限制性地临床使用 硅树脂和PGA装置 最大的可架桥的间隙为~1c 末梢残余(距器官) 最近的残余(距脊骨)
8 3.051/BE.340 不适状况：神经已断 z 丧失支持（神经营养因子） z 疤痕向内生长 z 新芽突的取代 神经导向通道：利用 PNS 的再生能力 发展历程 WWI - 用作引导轴突生长的橡胶管 - 生物相容性低 1960’s - 硅橡胶试用（交联的硅树脂橡胶） 现今 - 限制性地临床使用 - 硅树脂和 PGA 装置 - 最大的可架桥的间隙为～1cm 最近的残余（距脊骨） 末梢残余（距器官）
3.051/BE.340 病例研究:硅树脂引导下的被切断了的鼠坐骨神经 实测时间 形态 数小时 血浆,纤维蛋白,神经营养因子流入 纵向导向纤维蛋白与桥残余接合 一周 细胞渗入:巨噬细胞,成纤维细胞,施沃恩细胞和内皮 细胞 最近的残余端有轴突的新芽长出 四周 轴突到达末端残余(~lcm) 再生神经 轴突较少,鞘较薄 信号传导速率慢 低振幅信号
9 3.051/BE.340 病例研究：硅树脂引导下的被切断了的鼠坐骨神经 实测时间 形态 数小时 血浆，纤维蛋白，神经营养因子流入 一周 纵向导向纤维蛋白与桥残余接合 细胞渗入：巨噬细胞，成纤维细胞，施沃恩细胞和内皮 细胞 最近的残余端有轴突的新芽长出 四周 轴突到达末端残余（~1cm） 再生神经 z 轴突较少，鞘较薄 z 信号传导速率慢 z 低振幅信号
3.051/BE.340 导管设计时需考虑: 可吸收与不可吸收 可吸收一存在较大概率炎性反应 不可吸收一易受压力性伤害 韭渗透性与多孔性 非渗透性一营养物质,排泄物和氧气传输能力差 多孔性一被伤口愈合机制所干涉,定位性差 半透膜一分子量在50-100kD能够传输和阻隔GF 施沃恩种植细胞凝胶 分泌营养物-促进基片,NGFs 能被遗传性地设计成分泌营养素 CNS再生支持的迹象(光学神经再生,已被证实的) 面临挑战 a)大缺口的修复 bCNS再生(MIT的脊髓研究结果) 组织工程领域面临的重要挑战 1.脉管基因/质量传递的限制性 2.给细胞传递恰当的信号 3.提供恰当的,便于生长的机械性刺激
10 3.051/BE.340 导管设计时需考虑： 可吸收与不可吸收 可吸收—存在较大概率炎性反应 不可吸收—易受压力性伤害 非渗透性与多孔性 非渗透性—营养物质，排泄物和氧气传输能力差 多孔性—被伤口愈合机制所干涉，定位性差 半透膜—分子量在 50-100kD 能够传输和阻隔 GF 施沃恩种植细胞凝胶 - 分泌营养物-促进基片，NGFs - 能被遗传性地设计成分泌营养素 - CNS 再生支持的迹象（光学神经再生，已被证实的） 面临挑战： a)大缺口的修复 b)CNS 再生（MIT 的脊髓研究结果） 组织工程领域面临的重要挑战 1. 脉管基因/质量传递的限制性 2. 给细胞传递恰当的信号 3. 提供恰当的，便于生长的机械性刺激