第1講-組織工程學概述

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組織工程導論12/6/202412/6/20242學分：2學時：32學時授課時間：周二下午5-6節(jié)周四上午1-2節(jié)(3-10周）授課地點：西苑7-40412/6/202412/6/20243答疑時間及地點：周五下午3：30～5：30景華校區(qū)5-20412/6/202412/6/20244教材:

[1]柏樹令主編.組織工程學教程.北京：人民軍醫(yī)出版社,2009.主要參考書:

[1]曹誼林主編.組織工程學.北京：科學技術出版社,2008.

[2]楊志明主編．組織工程基礎與臨床．第1版．成都：四川科學技術出版社，2005．

[3]金巖主編．組織工程學原理與技術．第1版．西安：第四軍醫(yī)大學出版社，2003．

[4]張勝民主編．生物材料與組織工程導論．第1版．武漢：華中科技大學材料科學教研室，2004．

[5]與組織工程相關的各級各類國內(nèi)外期刊、報紙、雜志、會議、新聞、專利、網(wǎng)頁等等．

成績組成平時成績20%

平時課堂表現(xiàn)10分學期報告10分期末考試80%12/6/202412/6/20247本課程主要內(nèi)容組織工程學概述組織工程支架材料以及制造組織工程種子細胞生長因子骨與軟骨組織工程應用血管、神經(jīng)組織工程應用肌腱、心肌組織及其它組織工程周次星期節(jié)次內(nèi)容學時33445566778899101024242424242424245-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-25-61-2組織工程學概述組織工程學的方法與內(nèi)容組織工程用生物材料組織工程支架制造組織工程種子細胞組織工程種子細胞生長因子生長因子骨組織工程應用軟骨組織工程應用血管與神經(jīng)組織工程應用其他組織工程應用人體復雜器官工程+生物制造學生報告研討學生報告研討學生報告研討2222222222222222什么是組織工程學？我們?yōu)槭裁葱枰獙W習？我們怎么學習這門課？12/6/202412/6/202410

第一章組織工程學概述一組織工程學基本概念二組織工程學的建立和發(fā)展三組織工程學三要素你所認為的組織工程是什么？組織工程12/6/202412組織工程學基本概念

(Tissueengineering)分子(molecule)細胞(cell)組織

(tissue)器官(organ)系統(tǒng)

(system)個體

(organism)族(population)群落(community)生態(tài)系(ecosystem)生物組成之階層

(Thehierarchyofbiologicalorder)12/6/202412/6/202413組織工程學是應用生命科學和工程學的原理與方法，研究、開發(fā)用于修復、增進或改善人體各種組織或器官損傷后的功能和形態(tài)的一門學科。

組織、器官的損傷和功能障礙是人類健康所面臨的主要危害之一。也是人類疾病和死亡的最主要原因。每個國家每年有數(shù)百萬計的人患有各種組織、器官的損傷或功能障礙?！锶丝诶淆g化、人類對健康與長壽的要求提高

★人類活動范圍加大，中青年創(chuàng)傷增多★環(huán)境污染，飲食變化，疑難病癥增多美國每年需要進行800萬次手術，年耗資400億美元。我國創(chuàng)傷住院年增長率達7.2％，高居住院人數(shù)第2位。美國1998年用于骨骼-肌肉系統(tǒng)損傷患者的治療費高達1280億美元，僅骨缺損患者就達123萬，其中80％需用生物醫(yī)學材料治療。隨著現(xiàn)代外科學的發(fā)展，人類對組織、器官的治療有了很大的進步，但仍然存在許多問題。12/6/2024過去常用的組織器官修復方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品12/6/2024過去常用的組織器官修復方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品“狗腿子”的故事12/6/2024過去常用的組織器官修復方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品暴走媽媽12/6/2024把別人的器官移植到病人身上，在犧牲他人的基礎上滿足病人的需要，以傷治傷。這又帶來兩個問題，一是排斥作用，成活率很低，二是供應器官的人太少，許多等供體的病人等到死也沒有找到合適的供體，只好遺憾地離開人間。12/6/2024過去常用的組織器官修復方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品12/6/2024

自體組織移植，是一種“挖肉補瘡、以傷治傷、拆東墻補西墻”的方法，國外學者稱之為“RobPetertopayPaul”。它在修復或矯正一個部位缺損或畸形的同時，會造成供區(qū)不同程度的形態(tài)和功能損害。另外，自體組織移植修復組織缺損的原則之一是“同物相濟”，即以相同的組織修復相同的組織缺損，如用下唇組織瓣修復上唇缺損等。然而，這一原則只有在組織缺損量較少時，才可應用。

能否找到一個兩全其美的辦法，既不損害別人，又能保存自己?于是從事組織工程研究的科學家們，利用細胞生物學、分子生物學以及材料科學等最新技術，開始研究用人工培養(yǎng)的辦法培養(yǎng)出人體需要的正常組織或器官，醫(yī)院就像工廠生產(chǎn)零部件一樣，根據(jù)病人的缺失情況，需要什么培養(yǎng)什么，需要多少做多少，量體裁衣，做好了安裝上就能發(fā)揮作用，起到人體正常組織所能起的作用。12/6/2024過去常用的組織器官修復方法1異種異體器官移植2同種異體器官移植3自體組織移植4人工合成組織替代品12/6/202412/6/20242525人造器官12/6/202412/6/20242626人造耳與真人耳的比較12/6/202412/6/20242727人造眼與真人眼的比較12/6/202412/6/20242828機械心臟閥Thrombusonamechanicalheartvalve

(courtesyofRWTH-Aachen)12/6/202412/6/20242929人造皮膚12/6/202412/6/20243030金屬支架12/6/202412/6/20243131人造關節(jié)12/6/202412/6/202432人工肝臟-血液透析(類似洗肝機)12/6/202412/6/2024

人類物質、文化生活水平的提高，對損傷、疾病的治療要求越來越高，科技的發(fā)展，催生了組織工程學，并促使其發(fā)展。組織工程重建修復受損器官為什么能進行，又是如何進行的呢？這一點我們得從植物說起。12/6/202412/6/202435

植物組織培養(yǎng)

(planttissueculture)12/6/202412/6/202436植物：組織（苗、嫩枝、根），無性生殖或營養(yǎng)生殖，生成新個體。12/6/202412/6/202437仙人掌每塊落地就生根12/6/202412/6/202438一株草莓依靠它沿地“爬走”的匍匐莖，一年內(nèi)就能長出數(shù)百株草莓苗12/6/202412/6/202439富貴竹插枝即活12/6/202412/6/202440概念：細胞的全能性是指生物體的細胞具有使后代細胞形成完整個體的潛能。原因：是生物體的每一個細胞都含有該物種所特有的全套遺傳物質及發(fā)育為完整個體所必需的全部基因。細胞的全能性12/6/202412/6/202441細胞的全能性

當植物細胞脫離了原來所在植物體的器官或組織而處于離體狀態(tài)時，在一定的營養(yǎng)物質、激素和其他外界條件的作用下，就可能表現(xiàn)出全能性，發(fā)育成完整的植株。

在生物的個體發(fā)育中，由于基因在特定時間和空間下選擇性地表達而形成不同器官，因此，要實現(xiàn)細胞的全能性，首先必須使生物體的細胞處于離體狀態(tài)。受精卵的全能性最高；其次是生殖細胞（尤其是卵細胞）；體細胞的全能性比生殖細胞低得多。

19世紀30年代，德國植物學家施萊登和德國動物學家施旺創(chuàng)立了細胞學說，根據(jù)這一學說，如果給細胞提供和生物體內(nèi)一樣的條件，每個細胞都應該能夠獨立生活。1902年，德國植物學家哈伯蘭特在細胞全能性的理論是植物組織培養(yǎng)的理論基礎。1958年，一個振奮人心的消息從美國傳向世界各地，美國植物學家斯蒂瓦特等人，用胡蘿卜韌皮部的細胞進行培養(yǎng)，終于得到了完整植株，并且這一植株能夠開花結果，證實了哈伯蘭特在五十多年前關于細胞全能的預言。植物組織培養(yǎng)

植物組織培養(yǎng)就是在無菌和人工控制的條件下，將離體的植物器官、組織、細胞，培養(yǎng)在人工配置的培養(yǎng)基上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導其產(chǎn)生愈傷組織（這一步稱為脫分化），然后誘導愈傷組織再分化最終形成一顆完整的植株。其培養(yǎng)基一般為液態(tài)培養(yǎng)基，最終目的是要獲得完整的植株。離體、消毒的植物器官、組織或細胞：適宜的養(yǎng)料和激素，溫度和無菌條件下培養(yǎng)植物體根、芽脫分化再分化植物組織培養(yǎng)愈傷組織植物體的局部受到創(chuàng)傷刺激后，在傷口表面新生的組織。它由活的薄壁細胞組成，可起源于植物體任何官內(nèi)各種組織的活細胞。

脫分化胚狀體再分化12/6/202412/6/202445植物組織培養(yǎng)技術的應用●快速繁殖●培育無病毒植物●生產(chǎn)藥物、食品添加劑、香料、色素和殺蟲劑等●制作人工種子●轉基因植物的培育

用植物組織培養(yǎng)的方法，誘導離體的植物組織形成具有生根發(fā)芽能力的胚狀結構，包裹上人造種皮，制成人工種子，可以解決有些作物品種繁殖能力差、結子困難或發(fā)芽率低等問題。12/6/202412/6/202446植物體細胞雜交

植物體細胞雜交是用兩個來自于不同植物的體細胞融合成一個雜種細胞，并且把雜種細胞培育成新的植物體的方法。（因為不同種生物之間存在著生殖隔離，所以用傳統(tǒng)的有性雜交方法是不可能做到這一點的）植物細胞A植物細胞B去掉細胞壁去掉細胞壁原生質體A原生質體B原生質體融合雜合的原生質體再生出細胞壁雜種細胞細胞分裂分化發(fā)育愈傷組織雜種植株12/6/202412/6/202447植物體細胞雜交原生質體制備（酶解法去細胞壁）原生質體融合（人工誘導）

雜種細胞的篩選和培養(yǎng)（形成愈傷組織）雜種植株的再生與鑒定物理法：離心、振動、電刺激等化學法：聚乙二醇等試劑纖維素酶、果膠酶等12/6/202412/6/202448生物組成之階層

(Thehierarchyofbiologicalorder)分子

(molecule)細胞(cell)組織

(tissue)器官(organ)系統(tǒng)

(system)個體

(organism)族群(population)群聚(community)生態(tài)系(ecosystem)

植物細胞與組織培養(yǎng)

動物細胞或動物組織培養(yǎng)蠑螈可以斷肢再生，人肝臟切除3/4后可以再生出完整的肝臟。12/6/202412/6/202450動物：一個細胞在體外培養(yǎng)下產(chǎn)生的一群細胞；由少量組織，大片組織。（由一個個體，通過無性繁殖手段，獲得遺傳上相同的個體群）。

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克隆是英文“

clone”的音譯，來自希臘文klon

，原意為苗或嫩枝，指以無性生殖或營養(yǎng)生殖的一些植物。隨著時間的推移和科學的發(fā)展，它的含義增加了許多內(nèi)容，如一個細胞在體外培養(yǎng)下產(chǎn)生的一群細胞；由“親本”序列產(chǎn)生的DNA序列等等。概言之，克隆是指由一個細胞或個體，通過無性繁殖手段，獲得遺傳上相同的細胞群或個體群。

克隆12/6/202412/6/202452多利是在1996年7月5日由羅斯林研究所的伊恩·威爾穆特教授等人通過體細胞克隆法培育問世，是世界上首只成年體細胞克隆動物。12/6/202412/6/202453一時在世界引起了轟動、令人類茫然失措，科幻小說里克隆希特勒與克隆人兵團身影仿佛從這只溫順羊羔的背后浮現(xiàn)出來。在接下來的幾年中，一面是實驗室里各種克隆動物的屢屢出現(xiàn)，一面是政治會議上禁止克隆人的法規(guī)層出不窮。12/6/202412/6/202454第一只克隆寵物貓CC12/6/202412/6/20245512/6/202412/6/202456克隆馬及其“母親兼姐姐”12/6/202412/6/202457中國的克隆牛中國科學家童第周早在1963年就通過將一只雄性鯉魚的遺傳物質注入雌性鯉魚的卵中從而成功克隆了一只雌性鯉魚，比多利羊的克隆早了33年。但由于相關論文是發(fā)表在一本中文科學期刊，并沒有翻譯成英文，所以并不為國際上所知曉。10年之后，童第周又克隆了一條歐洲鯉魚。12/6/202412/6/202459克隆技術造福人類一、克隆可以有效地繁殖具有“高附加值的牲畜”。二、克隆可以用來挽救珍稀動物。三、克隆對人類疾病的防治、壽命的延長具有重要的意義。12/6/2024

克隆著眼于個體繁殖，組織工程著眼于器官組織，這些技術的發(fā)展為組織工程的發(fā)展提供了基礎。12/6/202412/6/202461

第一章組織工程學概述一組織工程學基本概念二組織工程學的建立和發(fā)展三組織工程三要素12/6/2024二組織工程的建立和發(fā)展組織工程的發(fā)展背景組織工程的優(yōu)點組織工程的三個發(fā)展階段12/6/2024二組織工程的建立和發(fā)展組織工程的發(fā)展背景組織工程的優(yōu)點組織工程的三個發(fā)展階段12/6/202412/6/202464①隨著人類物質、文化生活水平的提高，對損傷、疾病的治療要求越來越高，不儀要求治好傷、病，還要求良好的功能及完美的外形，應用傳統(tǒng)的治療方法難以達到如此完善的地步，需要尋找新的治療途徑。(老齡化、創(chuàng)傷增多、環(huán)境惡化，疾病增多)②科學技術總體水平的提高，為患者、醫(yī)生對治療提出的高要求有實現(xiàn)的可能，如完善的細胞培養(yǎng)技術和可控降解的高分子材料的問世，為體外構建“組織”、“器官”提供了條件。組織工程的發(fā)展背景12/6/202412/6/202465③高、新技術的開發(fā)與利用是組織工程學研究的基礎，如基因工程技術、免疫隔離技術等為改造細胞提供了新方法。④巨大的市場需求為組織工程學發(fā)展注入了動力。眾多的投資公司注入大量資本進行組織工程學研究。這些是組織工程學研究發(fā)展的基礎與動力。組織工程的發(fā)展背景12/6/2024二組織工程的建立和發(fā)展組織工程的發(fā)展背景組織工程的優(yōu)點組織工程的三個發(fā)展階段12/6/202412/6/202467組織工程的優(yōu)點通過構建結構完整、功能完全、具有生命力的健康活體組織，對病損組織進行形態(tài)、結構和功能的全面重建。所形成的組織在體內(nèi)與機體正常組織整合良好，可對體內(nèi)各種生物學刺激產(chǎn)生應答，并可永久性替代。以最少量的組織細胞經(jīng)體外培養(yǎng)擴增后，修復體積較大的組織缺損，達到無損傷和真正意義上的功能重建?？筛鶕?jù)組織器官缺損情況，構建相應形態(tài)與結構的組織，達到完美的形態(tài)修復。12/6/2024二組織工程的建立和發(fā)展組織工程的發(fā)展背景組織工程的優(yōu)點組織工程的三個發(fā)展階段12/6/202412/6/202469組織工程的三個發(fā)展階段第一階段：20世紀80年代末~20世紀90年代中期，主要進行了組織工程化組織構建的初步探索，證明了應用組織工程技術能夠構建組織工程化組織。骨、軟骨、肌腱。12/6/202412/6/2024701980’sJosephVacanti

及RobertLanger結合醫(yī)學及工程材料背景，研發(fā)能修復人體病變組織與器官的治療方式12/6/2024華人教授馮元楨提出“組織工程學”術語，1987美國國家科學基金會采用這一術語描述這一新興學科。12/6/2024

1990年舉辦第一屆組織工程學術研討會，1995年發(fā)行專業(yè)期刊TissueEngineering

人造組織目前發(fā)展方向：皮膚、神經(jīng)、肌肉骨骼系統(tǒng)(硬骨,軟骨,肌肉)、心血管系統(tǒng)(血管,心辦膜)、內(nèi)分泌器官(肝,胰,腎...)12/6/202412/6/202473成果1.體外培養(yǎng):1992年在多孔狀結構高分子材料上培養(yǎng)出軟骨細胞，并形成新的軟骨組織。2.活體培養(yǎng):老鼠背上培養(yǎng)出人耳形狀的軟骨。12/6/202412/6/202474第二階段：20世紀90年代末期。組織工程的研究成果向臨床過渡。實現(xiàn)在具有完全免疫功能的哺乳動物體內(nèi)構建組織工程化組織，修復組織缺損，重建組織功能。12/6/202412/6/202475第三階段：組織工程的臨床應用與初步產(chǎn)業(yè)化階段12/6/202412/6/202476中國組織工程學的發(fā)展及所面臨的挑戰(zhàn)12/6/202412/6/2024771994年，組織工程重大研究項目正式立項，標志著中國組織工程正式起步。1997年，上海組織工程研究重點實驗室。2001年，上海組織工程研究與開發(fā)中心暨國家“863”計劃生物領域組織工程研發(fā)基地成立。12/6/202412/6/202478我國組織工程研究和發(fā)展的整體水平1.具有我國特色的組織工程研究體系初步形成。形成了一支多學科交叉、優(yōu)勢互補、年輕化、專業(yè)化的組織工程研究隊伍開展了產(chǎn)業(yè)化的布局，若干組織工程高科技企業(yè)已經(jīng)初步建立在國際組織工程學術領域占有重要位置12/6/202412/6/2024792.組織工程研究中若干關鍵問題的研究取得突破在種子細胞來源方面在生物材料研究方面在組織和器官構建方面12/6/202