组织工程及再生医学基本概念及应用范围

建立具有再生能力的细胞
• 核移植的胚胎干细胞
– 含病人遗传信息
• 诱导多能干细胞（iPS）
– 重编程体细胞核 – 将成熟细胞去分化到最原始的多能
干细胞
Induced Pluripotent Stem Cells (iPS, 全能干细胞）
R&D 网站
Dr. Yamanaka, 京都 大学教授，2013年诺
免疫系统在组织再生中的作用
Cell Stem Cell 15, July 3, 2014
免疫系统在组织再生中的作用
J Clin Invest, Volume 124 Number 3 March 2014
免疫系统在组织再生中的作用
J Clin Invest, Volume 124 Number 3 March 2014
组织再生的策略
再生医学的研究策略
• 基础研究
– 发育生物学，干细胞， 基因调控
• 干预性研究
– 组织工程，干细胞，再生生物材料、基因 治疗
• 激发或扩大再生潜能的研究
– 生长因子，信号转到因子，传统中药，免 疫治疗
再生医学相关领域及应用范围 发育生物学
胚胎发育早期组织具有再生能力
胎儿外科实验外科
Cell Stem Cell 15, October 2, 2014
再生医学相关领域及应用范围
免疫与炎症
免疫系统
• 传统概念中是用来抵抗病原体侵入 • 近来研究显示其在组织发育、维持机体内
环境稳定、创伤愈合及组织再生中起着关 键的作用 • 两栖类动物缺乏完整的免疫系统 • 哺乳动物发育早期免疫系统不成熟，是其 具有再生的重要机制之一
达到70次 • 切除后通过多种因子启动有丝分裂激活相关信
号通路 • 分裂增殖恢复体积和功能 • 胰腺、肌腱、韧带等都存在这种代偿性增生。
二、成体干细胞活化
• 不对称分裂 • 多向分化 • 上皮干细胞 • 间充质干细胞 • 造血干细胞 • 肌肉干细胞 • 内皮干细胞 • 神经干细胞。
三、去分化
• 已经分化的细胞失去表型特征转变为成体 干细胞并进一步增殖、分化以替代损伤组 织。
J. R. Soc. Interface (2011) 8, 153–170
J. R. Soc. Interface (2011) 8, 153–170
Stryker BMP product for bone regeneration
bing 图片
再生医学相关领域及应用范围
细胞信号转导
重要的信号 转导分子
组织器官的损伤修复
Resection (切除） Repair(修复）
Replacement(替代） Regeneration（再生）
再生的理念（普罗米修斯肝脏再生）
人体组织具有再生能力
• 肝脏是特殊的 组织
• 部分切除后具 有全部再生的 能力
低等动物具有再生能力
成体哺乳类动物无再生能力
再生的理念(蝾螈肢体再生)
英国克隆技术专利、曾经克隆出多利羊的生物制药公司Geron Corp在今年1月宣布，美国FDA批准了全球首宗人类胚胎干细 胞临床试验。然而，到现在为止，Geron公司的临床Ⅰ期试验
至今没有开展，FDA目前暂时停止Geron公司临床试验
体细胞重编程释放原始细胞的再生能力
核移植
克隆羊
专一分化的成体细胞仍然 含有所后组织再生和发育的信息
模拟胚胎发育生物学再生胰岛细胞
Douglas A. Melton
• 哈佛大学教授 • 哈佛干细胞研究所
co-chair • 生物学学士 • 艺术学士：科学史
和哲学史专业 • 生物学博士
部分重编程策略再生组织
模拟胚胎发育来构建器官
‘‘Organ Niche’’ and ‘‘Developmental Compensation:’’
• 常见于低等脊椎动物再生中，如两栖动物 和鱼类的鳍、触须、心脏、脊髓、肢体等 的再生。自然状况下哺乳动物不存在去分 化现象
Dedifferentiation of committed epithelial cells into stem cells in vivo
Nature. 2013 November 14; 503(7475): 218–223
低等动物组织再生现象
海星的再生： 当海星的一条腿和部分中间组织 被切断，两部分都能够发育成为独立的海星。这 种现象叫做组织再生，在许多动物中都存在。
个别成体哺乳动物具有 组织再生能力
Skin regener ation in adult MRL mice
Clin Immunol Immunopathol. 1998 Jul;88(1):3545.
Heart regeneration in adult MRL mice
“奇迹老鼠”的再生能力由大约7种基因控制 PNAS, 2001;98(17):9830-5.
组织再生的机制是什么？
再生的生物学机制
一、代偿性增生
• 已分化细胞的增殖以重新生成新的组织 • 肝脏：肝细胞具有强大的增殖能力，最多可以
免疫与再生
• “免疫”干扰了再生。在生物体的系统发育过程 中，获得性免疫的进化、发展与再生能力的逐渐 丧失存在一定关系。大量的研究证实：哺乳动物 表现出高度发育、进化的获得性免疫和相对极弱 的再生能力；而获得性免疫发育较差的脊椎动物 ，例如硬骨鱼、无尾动物的幼虫以及泄殖腔的两 栖动物对损伤的反应，表现为微弱的炎症反应（ 免疫反应）和强大的组织/器官再生能力。例如 ，蝾螈或两栖动物，具有完全再生能力，与这类 低等动物相比，哺乳动物的再生能力明显下降。
• Notch • Wnt • Hedgehog • RTK • JAK/STAT
细胞信号转导
• 细胞功能维持的必要手段 • 参与组织发育过程 • 参与再生过程中的细胞增殖、分化、组
织代偿和纤维化等过程 • 参与对组织损伤的反应 • 生物活性因子发挥功能的重要途径 • 多个下游分子目标
DOI 10.1186/s13619-015-0017-8
脏器关键 建立器官缺陷小鼠 基因敲除 “organ niche”
WT ES 细胞（含脏
器发育基因）部分替 换内细胞团细胞
替换后的胚胎植
入假孕小鼠，形 成特殊的器官
模拟胚胎发育来构建器官
Cell 2010; 142:787–799
模拟胚胎发育来构建器官
Cell 2010; 142:787–799
模拟胚胎发育来构建器官
贝尔医学奖
全 能 干 细 胞
Cell 126, 663–676, August 25, 2006
全 能 干 细 胞
Cell 126, 663–676, August 25, 2006
发育生物学在再生医学中的应用
• 建立具有再生能力的全能干细胞 • 阐明组织和器官发育过程中的关键调控因
子和信号转导途径，并加以模拟和应用
• 模拟胚胎发育来构建器官
模拟胚胎发育生物学再生胰岛细胞
Three transcription factors: Ngn3, Pdx1 and Mafa
胰岛发育的关键基因
模拟胚 胎发育 生物学 再生胰 岛细胞
科学设想
能够通过导入 这三个基因将 外分泌腺细胞 转变为内分泌 腺细胞
模拟胚 胎发育 生物学 再生胰 岛细胞
免疫系统在组织再生中的作用
J Clin Invest, Volume 124 Number 3 March 2014
再生医学相关领域及应用范围
生长因子
生长因子
• 生长因子为可溶性生物因子，在细胞功 能发挥中起着重要的调节作用。
• 这些细胞功能在组织再生中起着重要的 作用
• 添加生长因子便可以人为放大机体自身 的再生能力从而达到组织再生和修复的 目的
• 变形再生（morphallaxis） • 通过剩余组织重新构建 形成一个较小的整体， 然后生长成为原有大小 的再生过程。
再生发生的生物学水平
组织再生的内源性因素
• 诱导信号 • 诱导信号调节了细胞的增殖和分化 • 生长因子、细胞因子 • 内分泌、旁分泌和自分泌等方式发挥作用
• 再生细胞 • 通过细胞增殖、分化、分泌基质和重塑，再生组织
• 细胞外基质（ECM) • 提供细胞所需的微环境，支持细胞的迁移等功能发挥， 也可通过ECM成分来影响细胞的功能
组织再生中的重要信号转到分子
• 信号转导途径与胚胎发育过程基本相似 • Notch，Wnt，Hedgehog，RTK，TGF-β， JAK/STAT等
• 干细胞未分化状态和多分化潜能的维持、自 我更新、细胞增殖、分化以及胚胎发育 • Oct-4，Sox2，nanog
MLR=Murphy Roths Large (mouse strain).
Heart regeneration in adult MRL mice
PNAS, 2001;98(17):9830-5.
Heart regeneration in adult MRL mice
PNAS, 2001;98(17):9830-5.
免疫与再生
Cell Stem Cell 15, July 3, 2014
免疫系统在组织再生中的作用
清除异物，激活祖细胞/干细胞功能
Cell Stem Cell 15, July 3, 2014
免疫系统在组织再生中的作用
免疫调控；促进血管化
Cell Stem Cell 15, July 3, 2014
人体发生发育：精密调控的过程
只有一个精子竞争进入卵子内
人体发生发育：精密调控的过程
形成囊胚著床子宫内膜
人体发生发育：精密调控的过程
8周胎儿
人体发生发育：精密调控的过程
4个半月的胎儿
（发育前1/3具有再生的能力）
机理？
• 仍旧是个黑箱 • 推测
– 细胞的全息到特殊化 – 细胞功能的全塑性到专一性 – 基因逐步关闭的过程？？
组织工程及再生医学基本 概念及应用范围
1
再生医学定义
• 再生医学是研究组织再生的一门科学。再生医学是 指通过研究集体正常组织特征与功能、受创伤后修 复与再生机制及干细胞分化基质，寻找有效的生物 治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建出新 的组织与器官，以改善或恢复损伤组织和器官功能 的科学。再生医学也被认为是利用生物学及工程学 的理论和方法，创造出丢失或功能损害的组织和器 官，使其具备正常组织和器官的结构和功能。再生 医学设计的领域包括组织工程、干细胞/细胞治疗、 基因治疗、生长因子和小分子药物等领域
Dedifferentiation of committed epithelial cells into stem cells in vivo
Nature. 2013 November 14; 503(7475): 218–223
组织再生模式
• 新建再生（epimorphosis） • 干细胞或祖细胞的增殖 分化修复或重新形成丢 失的身体部分的一种再 生模式
Plast Reconstr Surg. 1992 Nov;90(5):750-6.
胎儿实验外科
Plast Reconstr Surg. 1992 Nov;90(5):750-6.
胎儿临床外科
胎儿临床外科
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胚胎发育早期组织具有再生能力 为什么？
人体发生发育：精密调控的过程
无数的精子竞争进入卵子内
J. R. Soc. Interface (2011) 8, 153–170
生长因子再生组织策略
• 化学连接方法将生长因子与支架材料相 结合
• 物理包裹并可控的缓释 • 根据环境因子择时释放：因子促发的包
裹材料降解 • pH值、温度、酶、离子或药物
J. R. Soc. Interface (2011) 8, 153–170
影响再生的因素
• 全身因素
• 年龄、全身性疾Βιβλιοθήκη 、神经内分泌反应以及药物治疗 情况
• 局部因素
• 创伤局部的异物、血肿、感染、血供障碍、坏死组 织、局部用药等也是影响再生的关键因素。
• 损伤局部释放的抑制因子是阻止再生的重要环节， 如中枢神经再生抑制因子：Nogo，MAG,OMgp
• 环境因素
• 缺氧、高温
重要的 信号转 导分子
Wnt 信号通路
Wnt a
过 表 达
7 促 进 毛 发 再 生
全能干细胞在发育中的作用
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治疗性克隆技术或体细胞核移植技术
Therapeutic cloning, or somatic-cell nuclear transfer (SCNT)
克隆 多利羊
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Nat 2013；497 克隆人ESC
ESC clinical trials