第九讲 组织工程专题
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
by Y.C. Fung (Biomechanics)
“Tissue engineering is an interdisciplinary field which applies the principles of engineering and the life sciences towards the development of biological substitutes that restore, maintain, or improve tissue function.”
2
Cell niche and 3D cell culture
3
Development of Biomaterials
第三代（2000’s）
目标：再生功能化的组织 生物活性、整合性、完全吸收； 在分子水平刺激所需的细胞反应 （例：增殖、分化、ECM分泌）
第二代（1980’s<）
目标：生物活性 可吸收的生物材料；可控的 生理反应（例：可吸收缝线等）
Fundamentals of Engineering Biology 《工程生物学基础》
第九讲 组织工程专题
姚 睿 教研副教授
清华大学机械工程系 生物制造中心 生物制造与快速成形技术北京市重点实验室
开放交流时间：每周三4:00-5:00pm 开放交流地点：李兆基大楼A836（请提前预约）
COURSE REVIEW
自体移植（Autografting）：供体和受体为同一个体，称为自体移植 其优点是没有免疫排斥反应问题，可能实现完全的组织再生和功能修复 其缺点是：供区受限、可移植的组织有限、二次手术、额外创伤等 临床常见的自体移植组织包括：皮肤、软骨、毛发、脂肪等
描画耳廓
切割自体肋骨
收集肋骨
雕刻软骨 8
Clinical treatments-Allografting
异体移植（Allografting）：供体组织或器官来自 于同种的不同个体，称为异体移植
异体移植的优点是组织和器官来源较自体移植更 为广泛，可实现组织或器官功能的完全修复
缺点是免疫排斥反应，可能致死；需要免疫抑制 剂等药物的辅助，副作用大；需要供体
by MICHAEL J. LYSAGHT, Ph.D., and JOYCE REYES, B.A. (The Growth of Tissue Engineering) 15
Rapid development of tissue engineering
High Growth Medtech. White Paper. 2018
Tissue Engineering
From: Scientific American 280(4); April 1999
Definition of tissue engineering
“Tissue engineering is defined as the application of the principles of engineering and biology toward a fundamental understanding of the structurefunction relationship of tissue, and the development of biological substitutes替 代物 to restore, maintain, or improve tissue functions.”
并抵抗材料内细胞的收缩力 基于特定应用场合的其他性能……
20
Three factors of tissue engineering-factors
活性因子是在细胞间传递信息并对细胞生长具有调节作用 的一些多肽物质，可以促进或抑制细胞的增殖、分化、迁 移、表型和功能
旁分泌
电突触
内分泌
自分泌
21
by Langer R and Vacanti J (Science, 1993)
The field of tissue engineering was defined as devices or processes that: (1) combine living cells and biomaterials, (2) utilize living cells as therapeutic治疗 or diagnostic诊断 reagents, (3) generate tissues or organs in vitro for subsequent implantation, and/or (4) provide materials or technology to enable such approaches.
Examples of tissue engineering products
6
Massive demand of tissue/organ transplant
US National Patient waiting list - Sep 2019
Kidney
94,600
Pancreas
831
近年来在美国，75%的患 者选择生物瓣，即以猪主 动脉瓣或牛心包经过处理 后制成，瓣叶柔软，生物 相容性好，20年生存率 可达到90%以上
11
Clinical treatments-permanent implants
永久性移植物是指：利用生物相容性良好的惰性生物材 料制备的移植物
永久性移植物的优点是：相比异种移植而言，免疫排斥 反应更小，能替代受损组织的大部分功能
缺点是寿命有限（一般低于15年），之后需要二次手术 取出或重新植入，费用和风险都较大；时常伴有长期副 作用，如炎症、疼痛、骨吸收等
12
Propos源自文库 of tissue engineering
自体组织移植的供体部位有限、异体移植的组 织来源有限、异种移植的免疫排斥反应大、永 久性移植物不能替代器官的所有功能，不能修 复组织或器官的损伤
10
Clinical treatments-Xenografting
异种移植（Xenografting）：指将一个物种的组织或器官 移植到另一个物种体内
1905年，法国的Princeteau进行了世界第一例异种器官移 植手术。将兔肾植入肾功能衰竭儿童体内，手术很成功， 但16天后由于排异反应，儿童死于肺部感染
Nat Biotechnol. 2017 Jun 7;35(6):530-542.
5
Outline
Concepts of tissue engineering
Propose and development of tissue engineering Three factors of tissue engineering Key scientific problems in tissue engineering
Three factors of tissue engineering-factors
活性因子用于组织工程技术中有两种主要方式：1. 将因 子复合或固定在支架上；2. 在支架上种植能分泌生长因 子的细胞
添加因子时需要考虑传递方式、释放动力学和多种因子 的协同作用
活性因子有助于诱导宿主细胞、血管等的长入，并能促 进移植细胞更好地形成再生组织
组织工程支架是指能植入生物体并与组织活体细胞结 合的三维结构体，它是工程化组织的最基本构架
支架在体内组织再生过程中发挥以下作用：在结构上 加强缺损部位的强度；作为种子细胞在体内扩增、增 殖和定位的支撑；作为细胞、因子和基因的生物载体； 利用与细胞整合素以及受体的相互作用，可作为一种 可溶的细胞功能调节因子
22
Tissue engineering strategy
16
Three factors of tissue engineering
细胞微环境
组织工程结构体
17
Three factors of tissue engineering-cells
工程化组织要求大量具有活力、功能和可靠来源的细胞 种子细胞在体外培养过程中的老化和功能丧失是一个严
重的问题，解决的办法包括：延缓细胞功能老化、同种 异体细胞（如软骨细胞）、干细胞（任何一种组织中皆 有特异干细胞，可以由少量细胞分化扩增成大量具有良 好功能的组织细胞）
第一代（1950’s<）
目标：生物惰性 最低的相互作用/反应
4
Situation-based study
2017年在美国，器官移植等待名单上增加了5万患者，而 14倍于这个数字的患者由于器官疾病去世。全世界4%的 人口需要器官移植，而其中只有不到6%的患者接受移植； 非洲只有不到0.5%的患者能找到供体，完成移植。本课 程学习的知识将为解决器官短缺的问题提供思路。
* Data obtained from The Organ and Transplantation Network: http://optn.transplant.hrsa.gov/
Clinical treatments-Autografting
将个体的某一部分（如细胞、组织或器官）用手术或经其他途径移植到 自己体内或另一个体的某一部位的方法，叫做移植术。被移植的部分叫 做移植物，献出移植物的个体叫做供者，接受移植物的个体叫做受者或 叫宿主
19
Properties of scaffold materials
理想的支架需要具有的性能：
必要的微孔结构和化学组成，保证细胞的营 养交换和正常生命活性的进行；
降解速率与新组织的形成速率匹配； 支架降解产生的微粒等产物对周围组织和宿
主无害； 合适的力学性能，为体内负重提供临时支撑，
We can not just harvest cells, layout them in the designed patterns, and expect them to grow and form a functional tissue, Why?
18
Three factors of tissue engineering-scaffold
Kidney/Pancreas
1,624
Liver
12,972
Intestine
228
Heart
3,714
Lung
1,403
Heart/Lung
49
Total
112,852
美国平均每年有2000万人罹患器官衰竭或组织缺失； 超过12万人在器官捐献表上焦急地等待； 此外还有超过18万人在等待捐献的过程中死去； 平均每年用于这些病人的治疗费用达4千亿美元
免疫排斥反应参见生物材料科学：医用材料导论
（原著第2版）（中文版）第四章
9
Joseph Murray (third from left), performing the first successful organ (Kidney) transplant at the Peter Bent Brigham Hospital, Boston, MA, December 23, 1954.
Structural design of tissue-engineered constructs
Structural design regulate cell activity Structural design regulate immune reaction Structural design regulate degradation rate Structural design regulate angiogenesis
如何克服自体和异体组织移植中存在的不足， 从根本上解决组织、器官缺损的修复和功能重 建等问题？
13
Tissue
A group of similar cells united to perform a specific function
Engineering
The design and manufacture of complex structures through the application of science and mathematics
“Tissue engineering is an interdisciplinary field which applies the principles of engineering and the life sciences towards the development of biological substitutes that restore, maintain, or improve tissue function.”
2
Cell niche and 3D cell culture
3
Development of Biomaterials
第三代（2000’s）
目标：再生功能化的组织 生物活性、整合性、完全吸收； 在分子水平刺激所需的细胞反应 （例：增殖、分化、ECM分泌）
第二代（1980’s<）
目标：生物活性 可吸收的生物材料；可控的 生理反应（例：可吸收缝线等）
Fundamentals of Engineering Biology 《工程生物学基础》
第九讲 组织工程专题
姚 睿 教研副教授
清华大学机械工程系 生物制造中心 生物制造与快速成形技术北京市重点实验室
开放交流时间：每周三4:00-5:00pm 开放交流地点：李兆基大楼A836（请提前预约）
COURSE REVIEW
自体移植（Autografting）：供体和受体为同一个体，称为自体移植 其优点是没有免疫排斥反应问题，可能实现完全的组织再生和功能修复 其缺点是：供区受限、可移植的组织有限、二次手术、额外创伤等 临床常见的自体移植组织包括：皮肤、软骨、毛发、脂肪等
描画耳廓
切割自体肋骨
收集肋骨
雕刻软骨 8
Clinical treatments-Allografting
异体移植（Allografting）：供体组织或器官来自 于同种的不同个体，称为异体移植
异体移植的优点是组织和器官来源较自体移植更 为广泛，可实现组织或器官功能的完全修复
缺点是免疫排斥反应，可能致死；需要免疫抑制 剂等药物的辅助，副作用大；需要供体
by MICHAEL J. LYSAGHT, Ph.D., and JOYCE REYES, B.A. (The Growth of Tissue Engineering) 15
Rapid development of tissue engineering
High Growth Medtech. White Paper. 2018
Tissue Engineering
From: Scientific American 280(4); April 1999
Definition of tissue engineering
“Tissue engineering is defined as the application of the principles of engineering and biology toward a fundamental understanding of the structurefunction relationship of tissue, and the development of biological substitutes替 代物 to restore, maintain, or improve tissue functions.”
并抵抗材料内细胞的收缩力 基于特定应用场合的其他性能……
20
Three factors of tissue engineering-factors
活性因子是在细胞间传递信息并对细胞生长具有调节作用 的一些多肽物质，可以促进或抑制细胞的增殖、分化、迁 移、表型和功能
旁分泌
电突触
内分泌
自分泌
21
by Langer R and Vacanti J (Science, 1993)
The field of tissue engineering was defined as devices or processes that: (1) combine living cells and biomaterials, (2) utilize living cells as therapeutic治疗 or diagnostic诊断 reagents, (3) generate tissues or organs in vitro for subsequent implantation, and/or (4) provide materials or technology to enable such approaches.
Examples of tissue engineering products
6
Massive demand of tissue/organ transplant
US National Patient waiting list - Sep 2019
Kidney
94,600
Pancreas
831
近年来在美国，75%的患 者选择生物瓣，即以猪主 动脉瓣或牛心包经过处理 后制成，瓣叶柔软，生物 相容性好，20年生存率 可达到90%以上
11
Clinical treatments-permanent implants
永久性移植物是指：利用生物相容性良好的惰性生物材 料制备的移植物
永久性移植物的优点是：相比异种移植而言，免疫排斥 反应更小，能替代受损组织的大部分功能
缺点是寿命有限（一般低于15年），之后需要二次手术 取出或重新植入，费用和风险都较大；时常伴有长期副 作用，如炎症、疼痛、骨吸收等
12
Propos源自文库 of tissue engineering
自体组织移植的供体部位有限、异体移植的组 织来源有限、异种移植的免疫排斥反应大、永 久性移植物不能替代器官的所有功能，不能修 复组织或器官的损伤
10
Clinical treatments-Xenografting
异种移植（Xenografting）：指将一个物种的组织或器官 移植到另一个物种体内
1905年，法国的Princeteau进行了世界第一例异种器官移 植手术。将兔肾植入肾功能衰竭儿童体内，手术很成功， 但16天后由于排异反应，儿童死于肺部感染
Nat Biotechnol. 2017 Jun 7;35(6):530-542.
5
Outline
Concepts of tissue engineering
Propose and development of tissue engineering Three factors of tissue engineering Key scientific problems in tissue engineering
Three factors of tissue engineering-factors
活性因子用于组织工程技术中有两种主要方式：1. 将因 子复合或固定在支架上；2. 在支架上种植能分泌生长因 子的细胞
添加因子时需要考虑传递方式、释放动力学和多种因子 的协同作用
活性因子有助于诱导宿主细胞、血管等的长入，并能促 进移植细胞更好地形成再生组织
组织工程支架是指能植入生物体并与组织活体细胞结 合的三维结构体，它是工程化组织的最基本构架
支架在体内组织再生过程中发挥以下作用：在结构上 加强缺损部位的强度；作为种子细胞在体内扩增、增 殖和定位的支撑；作为细胞、因子和基因的生物载体； 利用与细胞整合素以及受体的相互作用，可作为一种 可溶的细胞功能调节因子
22
Tissue engineering strategy
16
Three factors of tissue engineering
细胞微环境
组织工程结构体
17
Three factors of tissue engineering-cells
工程化组织要求大量具有活力、功能和可靠来源的细胞 种子细胞在体外培养过程中的老化和功能丧失是一个严
重的问题，解决的办法包括：延缓细胞功能老化、同种 异体细胞（如软骨细胞）、干细胞（任何一种组织中皆 有特异干细胞，可以由少量细胞分化扩增成大量具有良 好功能的组织细胞）
第一代（1950’s<）
目标：生物惰性 最低的相互作用/反应
4
Situation-based study
2017年在美国，器官移植等待名单上增加了5万患者，而 14倍于这个数字的患者由于器官疾病去世。全世界4%的 人口需要器官移植，而其中只有不到6%的患者接受移植； 非洲只有不到0.5%的患者能找到供体，完成移植。本课 程学习的知识将为解决器官短缺的问题提供思路。
* Data obtained from The Organ and Transplantation Network: http://optn.transplant.hrsa.gov/
Clinical treatments-Autografting
将个体的某一部分（如细胞、组织或器官）用手术或经其他途径移植到 自己体内或另一个体的某一部位的方法，叫做移植术。被移植的部分叫 做移植物，献出移植物的个体叫做供者，接受移植物的个体叫做受者或 叫宿主
19
Properties of scaffold materials
理想的支架需要具有的性能：
必要的微孔结构和化学组成，保证细胞的营 养交换和正常生命活性的进行；
降解速率与新组织的形成速率匹配； 支架降解产生的微粒等产物对周围组织和宿
主无害； 合适的力学性能，为体内负重提供临时支撑，
We can not just harvest cells, layout them in the designed patterns, and expect them to grow and form a functional tissue, Why?
18
Three factors of tissue engineering-scaffold
Kidney/Pancreas
1,624
Liver
12,972
Intestine
228
Heart
3,714
Lung
1,403
Heart/Lung
49
Total
112,852
美国平均每年有2000万人罹患器官衰竭或组织缺失； 超过12万人在器官捐献表上焦急地等待； 此外还有超过18万人在等待捐献的过程中死去； 平均每年用于这些病人的治疗费用达4千亿美元
免疫排斥反应参见生物材料科学：医用材料导论
（原著第2版）（中文版）第四章
9
Joseph Murray (third from left), performing the first successful organ (Kidney) transplant at the Peter Bent Brigham Hospital, Boston, MA, December 23, 1954.
Structural design of tissue-engineered constructs
Structural design regulate cell activity Structural design regulate immune reaction Structural design regulate degradation rate Structural design regulate angiogenesis
如何克服自体和异体组织移植中存在的不足， 从根本上解决组织、器官缺损的修复和功能重 建等问题？
13
Tissue
A group of similar cells united to perform a specific function
Engineering
The design and manufacture of complex structures through the application of science and mathematics