组织工程及再生医学基本概念及应用范围

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
• 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
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？？
• 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
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
影响再生的因素
• 全身因素
• 年龄、全身性疾病、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
• 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
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
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)
组织工程及再生医学基本 概念及应用范围
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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
全能干细胞在发育中的作用
Google 图片
治疗性克隆技术或体细胞核移植技术
Therapeutic cloning, or somatic-cell nuclear transfer (SCNT)
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.
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.
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
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。