生物醫(yī)學(xué)工程概論

現(xiàn)代生物技術(shù)在組織工程中的應(yīng)用

講課：鄭權(quán)

zhengquan@82339872（辦公室312）/p>

現(xiàn)代生物技術(shù)(biotechnology)是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物（或生物組織、細(xì)胞及其他組成部分）的特性和功能，設(shè)計(jì)、構(gòu)建具有預(yù)期性能的新物質(zhì)或新品系，以及與工程原理相結(jié)合，加工生產(chǎn)產(chǎn)品或提供服務(wù)的綜合性技術(shù)。

生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)的科學(xué)支柱,將影響著世界各國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化。

生物技術(shù)不僅與人們的日常生活、工作、健康密切相關(guān)，也與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及安全密切相關(guān)，因此世界各國(guó)政府均十分重視生物技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)政府成立了“國(guó)家生物技術(shù)研究開發(fā)與促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)導(dǎo)小組”，具體領(lǐng)導(dǎo)全國(guó)的生物技術(shù)研究、開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。生物技術(shù)內(nèi)涵十分豐富，涉及到：

對(duì)生物的遺傳基因進(jìn)行改造或重組，并使重組基因在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生人類需要的新物質(zhì)的基因技術(shù)，如“克隆技術(shù)”；

利用生物細(xì)胞大量加工、制造產(chǎn)品的生物生產(chǎn)技術(shù)，如發(fā)酵；

在納米（即百萬(wàn)分之一毫米）尺度上研究生物大分子精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造利用它們組裝分子設(shè)備的納米生物技術(shù)；

組織工程，器官工程，再生醫(yī)學(xué)等。一、組織工程學(xué)的誕生、定義、基本方法與研究?jī)?nèi)容生物技術(shù)涵蓋的領(lǐng)域以及可以應(yīng)用的領(lǐng)域：

(1)從分子水平層面上，包括基因工程、酶工程、發(fā)酵工程、生化工程、蛋白質(zhì)工程、代謝工程等；

(2)從細(xì)胞層面上，包括細(xì)胞工程；

(3)從其他層面上…...認(rèn)識(shí)事物:從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。基礎(chǔ)研究

(宏觀→微觀，遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜):……人體→器官→組織→細(xì)胞或亞細(xì)胞→分子……應(yīng)用研究（微觀→宏觀，遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜）：……人體（？）←器官（如人工器官、器官工程）←組織（組織工程）

←細(xì)胞或亞細(xì)胞（細(xì)胞工程）←分子水平（包括基因工程、酶工程、發(fā)酵工程、生化工程、蛋白質(zhì)工程、代謝工程等）……美國(guó)科學(xué)家RobertLanger與JosephPVacanti在80年代中期提出的“組織工程學(xué)”概念，是用在一種可生物降解的支架材料上種植人體活細(xì)胞，在生長(zhǎng)因子作用下，再生成為組織的新技術(shù)。

組織工程學(xué)(tissueengineering)：應(yīng)用生命科學(xué)與工程學(xué)原理與技術(shù)，探討正常和病理組織的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，研制生物學(xué)替代物修復(fù)或重建組織器官的結(jié)構(gòu)，維持或改善組織器官功能的一門學(xué)科。

組織工程標(biāo)志著醫(yī)學(xué)將走出器官移植的范疇，步入預(yù)制、再生組織和器官的新時(shí)代。基本方法：

將體外培養(yǎng)的高濃度組織細(xì)胞，擴(kuò)增后吸附于一種生物相容性良好，并可被人體逐步降解、吸收的細(xì)胞外基質(zhì)上；然后將這種復(fù)合體植入機(jī)體病損部位，使其在降解、吸收過(guò)程中增生、繁殖，形成新的具有其原來(lái)特殊功能和形態(tài)的相應(yīng)組織和器官，達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的，從而解決組織和器官缺損所致的功能障礙或喪失的治療問(wèn)題。研究?jī)?nèi)容：(1)種子細(xì)胞的分離培養(yǎng)；(2)生長(zhǎng)因子等組織誘導(dǎo)因子的制備；(3)細(xì)胞外基質(zhì)替代物的研制；(4)組織工程化組織對(duì)各種病損組織的替代研究。

組織工程學(xué)涉及細(xì)胞生物學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)、生物化學(xué)、免疫學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、分子生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)及倫理學(xué)等多學(xué)科的交叉與滲透，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

我國(guó)學(xué)者曹誼林(1997年)在人外耳形狀的支架材料上接種軟骨細(xì)胞，經(jīng)體外培養(yǎng)后植入裸鼠背部皮下，成功地再造了有精細(xì)三維結(jié)構(gòu)人耳廓外形的軟骨。

CaoYL，VacantiJP，PaigeKT，etal.Transplantationofchondrocytesutilizingapolymer-cellconstructtoproducetissue-engineeredcartilageintheshapeofahumanear.PlastReconstrSurg，1997，100(2):297-302.

人耳鼠的實(shí)驗(yàn)流程：二、組織工程化組織的臨床應(yīng)用實(shí)例

組織工程學(xué)的研究領(lǐng)域涉及多種哺乳動(dòng)物的幾乎所有器官的不同組織（如皮膚、角膜、軟骨、血管、肌腱、骨等），組織工程產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始形成。

美國(guó)：1998年，組織工程皮膚是被FDA批準(zhǔn)的臨床應(yīng)用的第一個(gè)組織工程產(chǎn)品，其代表產(chǎn)品有Dermagraft和Apligraf。

Apligraf被FDA批準(zhǔn)用于臨床，是第一個(gè)含活細(xì)胞的真正意義的組織工程皮膚，以膠原為支架，在膠原的下層接種新生兒的成纖維細(xì)胞，在膠原的表層接種新生兒的表皮細(xì)胞，這種具有雙面細(xì)胞的組織工程皮膚用于治療靜脈性潰瘍。

Dermagraft也是一種含活細(xì)胞的組織工程皮膚，于治療糖尿病潰瘍，達(dá)到創(chuàng)面愈合。國(guó)內(nèi)：陜西艾爾膚組織工程有限公司是第一家獲得組織工程皮膚生產(chǎn)批文。組織工程雙層皮膚產(chǎn)品是用組織工程方法對(duì)所取組織進(jìn)行消化、分離成表皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞，并對(duì)其分別培養(yǎng)和擴(kuò)增，達(dá)到一定細(xì)胞數(shù)量后重組形成雙層皮膚組織（包括表皮層及真皮層），這種皮膚產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)基本等同于人類的皮膚組織，包含可角化復(fù)層鱗狀上皮的表皮層和含成纖維細(xì)胞的真皮組織。用于皮膚燒傷、皮膚潰瘍、皮膚創(chuàng)傷和多種原因造成的皮膚缺損修復(fù)。組織工程化皮膚需要改進(jìn)之處：盡管目前已有許多組織工程化皮膚具有與正常皮膚相似的結(jié)構(gòu)及屏障功能，應(yīng)用于臨床取得了一定療效，但仍不具備完整的皮膚結(jié)構(gòu)，也遠(yuǎn)非真正意義的皮膚功能重建，尤其是缺乏皮膚的附屬結(jié)構(gòu)和不具備皮膚的免疫功能。

下一個(gè)組織工程產(chǎn)品：角膜？軟骨？……..三、組織工程面臨的挑戰(zhàn)與干細(xì)胞進(jìn)一步尋求防止種子細(xì)胞功能老化的方法、發(fā)掘新的細(xì)胞來(lái)源途徑、選擇更接近細(xì)胞生長(zhǎng)微環(huán)境的支架材料以及探索增進(jìn)工程化組織器官血管化的有效措施等，均是組織工程研究中亟待解決的重要問(wèn)題。目前的研究熱點(diǎn)主要集中在干細(xì)胞的研究、基因轉(zhuǎn)染技術(shù)的應(yīng)用、生物材料的分子設(shè)計(jì)等方面。

近幾年干細(xì)胞研究最新進(jìn)展。近些年來(lái)，從事干細(xì)胞研究的科學(xué)家已經(jīng)試圖將一些正常的體細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)多能性干細(xì)胞（induced

pluripotent

cells，簡(jiǎn)稱iPCs），它們具有類似胚胎干細(xì)胞（ES）的功能。

2006年3月，日本京都大學(xué)的Shinya

Yamanaka領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在小鼠尾部細(xì)胞中插入一個(gè)四基因聯(lián)合體，成功得到了類胚胎干細(xì)胞。