第1讲 组织工程学概述
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在生物的个体发育中，由于基因在特定时间和空间 下选择性地表达而形成不同器官，因此，要实现细胞的 全能性，首先必须使生物体的细胞处于离体状态。 当植物细胞脱离了原来所在植物体的器官或组织而处 于离体状态时，在一定的营养物质、激素和其他外界条件 的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。
41 5/26/2012
4 5/26/2012
•
成绩组成
• 平时成绩20% 平时课堂表现10分 学期报告10分 • 期末考试80%
本课程主要内容
• • • • • • • 组织工程学概述 组织工程支架材料以及制造 组织工程种子细胞 生长因子 骨与软骨组织工程应用 血管、神经组织工程应用 肌腱、心肌组织及其它组织工程
7 5/26/2012
53 5/26/2012
第一只克隆宠物猫CC
54 5/26/2012
55 5/26/2012
56
克隆马及其“母亲兼姐 姐”
• 美国每年需要进行800万次手术，年耗资 400亿美元。 • 我国创伤住院年增长率达7.2％，高居住 院人数第2位。美国1998年用于骨骼-肌肉 系统损伤患者的治疗费高达1280亿美元 ，仅骨缺损患者就达123万，其中80％需 用生物医学材料治疗。
• 随着现代外科学的发展，人 类对组织、器官的治疗有了 很大的进步，但仍然存在许 多问题。
原生质体B
原生质体融合
杂合的原生质体
再生出细胞壁
杂种细胞
细胞分裂
愈伤组织
分化发育
杂种植株
5/26/2012
植物体细胞杂交
原生质体制备（酶解法去细胞壁）
原生质体融合（人工诱导）
纤维素酶、果胶酶等
杂种细胞的筛选和培养（形成愈伤组织）
杂种植株的再生与鉴定
物理法：离心、振动、电刺激等 化学法：聚乙二醇等试剂
5/26/2012 28
人造皮肤
29 5/26/2012 29
金属支架
30 5/26/2012 30
人造关节
Fra Baidu bibliotek
31 5/26/2012 31
人工肝脏-血液透析(类似洗肝机)
32 5/26/2012
5/26/2012
人类物质、文化生活水平的 提高，对损伤、疾病的治疗要求 越来越高，科技的发展，催生了 组织工程学，并促使其发展。组 织工程重建修复受损器官为什么 能进行，又是如何进行的呢？这 一点我们得从植物说起。
过去常用的组织器官修复方法
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
5/26/2012
人造器官
25 5/26/2012 25
人造耳与真人耳的比较
26 5/26/2012 26
人造眼与真人眼的比较
27 5/26/2012 27
机械心脏阀
28
Thrombus on a mechanical heart valve (courtesy of RWTH-Aachen)
5/26/2012
过去常用的组织器官修复方法
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
5/26/2012
自体组织移植，是一种“挖肉补疮、以伤 治伤、拆东墙补西墙”的方法，国外学者称之 为“Rob Peter to pay Paul”。它在修复或矫正 一个部位缺损或畸形的同时，会造成供区不同 程度的形态和功能损害。另外，自体组织移植 修复组织缺损的原则之一是“同物相济”，即 以相同的组织修复相同的组织缺损，如用下唇 组织瓣修复上唇缺损等。然而，这一原则只有 在组织缺损量较少时，才可应用。
组织工程学概述 组织工程学的方法与内容 组织工程用生物材料 组织工程支架制造 组织工程种子细胞 组织工程种子细胞 生长因子 生长因子 骨组织工程应用 软骨组织工程应用 血管与神经组织工程应用 其他组织工程应用 人体复杂器官工程+生物制造 学生报告研讨 学生报告研讨 学生报告研讨
• 什么是组织工程学？ • 我们为什么需要学习？ • 我们怎么学习这门课？
5/26/2012
多利是在1996年7月5日 由罗斯林研究所的伊恩· 威尔穆特教授等人通过 体细胞克隆法培育问世， 是世界上首只成年体细 胞克隆动物。
52 5/26/2012
一时在世界引起了轰动、令人类茫然失措， 科幻小说里克隆希特勒与克隆人兵团身影 仿佛从这只温顺羊羔的背后浮现出来。 在接下来的几年中，一面是实验室里 各种克隆动物的屡屡出现，一面是政治会 议上禁止克隆人的法规层出不穷。
19世纪30年代，德国植物学家施莱登和 德国动物学家施旺创立了细胞学说，根据这一 学说，如果给细胞提供和生物体内一样的条件 ，每个细胞都应该能够独立生活。1902年，德 国植物学家哈伯兰特在细胞全能性的理论是植 物组织培养的理论基础。1958年，一个振奋人 心的消息从美国传向世界各地，美国植物学家 斯蒂瓦特等人，用胡萝卜韧皮部的细胞进行培 养，终于得到了完整植株，并且这一植株能够 开花结果，证实了哈伯兰特在五十多年前关于 细胞全能的预言。
• 主要参考书:
[1]曹谊林 主编. 组织工程学. 北京：科学技术出版社, 2008. [2]杨志明 主编．组织工程基础与临床．第1版．成都： 四川科学技术出版社，2005． [3] 金岩 主编．组织工程学原理与技术．第1版．西安： 第四军医大学出版社，2003． [4]张胜民 主编．生物材料与组织工程导论．第1 版．武汉：华中科技大学材料科学教研室，2004． [5] 与组织工程相关的各级各类国内外期刊、报纸、杂 志、会议、新闻、专利、网页等等．
分子 (molecule) 細胞 (cell) 组织 (tissue) 器官 (organ) 系统 (system) 个体 (organism) 族 (population) 群落 (community) 生态系 (ecosystem)
5/26/2012
• 组织工程学是应用生命科学和工程学的 原理与方法，研究、开发用于修复、增 进或改善人体各种组织或器官损伤后的 功能和形态的一门学科。
脱分化 再分化
离体、消毒 的植物器官、 胚 脱分化 再分化 组织或细胞： 愈伤组织 状 适宜的养料和激 体 素，温度和无菌
条件下培养
植物体的局部受到创伤刺激 后，在伤口表面新生的组织。 它由活的薄壁细胞组成，可 起源于植物体任何官内各种 组织的活细胞。
根、芽
植物体
植物组织培养技术的应用
●快速繁殖 ●培育无病毒植物 ●生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等 ●制作人工种子 ●转基因植物的培育 用植物组织培养的方法，诱 导离体的植物组织形成具有生根 发芽能力的胚状结构，包裹上人 造种皮，制成人工种子，可以解 决有些作物品种繁殖能力差、结 子困难或发芽率低等问题。
13 5/26/2012
组织、器官的损伤和功能障碍是人类 健康所面临的主要危害之一。也是人类疾 病和死亡的最主要原因。每个国家每年有 数百万计的人患有各种组织、器官的损伤 或功能障碍。
★人口老龄化、人类对健康与长寿的要求提高 ★人类活动范围加大，中青年创伤增多 ★ 环境污染，饮食变化，疑难病症增多
第一章 组织工程学概述
一 组织工程学基本概念 二 组织工程学的建立和发展 三 组织工程学三要素
10 5/26/2012
• 你所认为的组织工程是什么？ • 组织 • 工程
一．组织工程学基本概念
(Tissue engineering)
• • • • • • • • •
12
生物组成之阶层 (The hierarchy of biological order)
植物组织培养
植物组织培养就是在无菌和人工控制 的条件下，将离体的植物器官、组织、细 胞，培养在人工配置的培养基上，给予适 宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织（这 一步称为脱分化），然后诱导愈伤组织再 分化最终形成一颗完整的植株。其培养基 一般为液态培养基，最终目的是要获得完 整的植株。
植物组织培养
45 5/26/2012
植物体细胞杂交 植物细胞A
植物体细胞杂 交是用两个来自于 不同植物的体细胞 融合成一个杂种细 胞，并且把杂种细 胞培育成新的植物 体的方法。（因为 不同种生物之间存 在着生殖隔离，所 以用传统的有性杂 交方法是不可能做 到这一点的）
46
植物细胞B
去掉细胞壁
去掉细胞壁
原生质体A
组织工程导论
1 5/26/2012
学分：2
学时：32 学时
授课时间：周二下午5-6节 周四上午1-2节(3-10周） 授课地点：西苑7-404
2 5/26/2012
答疑时间及地点：
周五下午3：30～5：30
景华校区5-204
3 5/26/2012
• 教材:
[1] 柏树令 主编. 组织工程学教程. 北京：人民军医出 版社, 2009.
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
暴走妈妈
5/26/2012
把别人的器官移植到病人身上， 在牺牲他人的基础上满足病人的需要， 以伤治伤。这又带来两个问题，一是 排斥作用，成活率很低，二是供应器 官的人太少，许多等供体的病人等到 死也没有找到合适的供体，只好遗憾 地离开人间。
动物细胞或动物组织培养
植物细胞与组织培养
5/26/2012
• 蝾螈可以断肢再生， • 人肝脏切除3/4后可以再生出完整的肝脏。
动物：一个细胞在体外培养下产生的一群 细胞；由少量组织，大片组织。（由一 个个体，通过无性繁殖手段，获得遗传 上相同的个体群）。
50 5/26/2012
克
隆
克隆是英文“ clone ”的音译，来自希 腊文 klon ，原意为苗或嫩枝，指以无性生 殖或营养生殖的一些植物。随着时间的推移 和科学的发展，它的含义增加了许多内容， 如一个细胞在体外培养下产生的一群细胞； 由“亲本”序列产生的 DNA 序列等等。概言 之， 克隆是指由一个细胞或个体，通过无 性繁殖手段，获得遗传上相同的细胞群或个 体群。51
周次 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10
星期 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4
节次 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2
内
容
学时 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
5/26/2012
富贵竹插枝即活
39 5/26/2012
细胞的全能性
概念：细胞的全能性是指生物体的细胞具有 使后代细胞形成完整个体的潜能。
原因：是生物体的每一个细胞都含有该物种 所特有的全套遗传物质及发育为完整 个体所必需的全部基因。
40 5/26/2012
细胞的全能性
受精卵的全能性最高； 其次是生殖细胞（尤其是卵细胞）； 体细胞的全能性比生殖细胞低得多。
5/26/2012
植物组织培养
(plant tissue culture)
35 5/26/2012
植物：组织（苗、嫩枝、根），无性生殖或 营养生殖，生成新个体。
36 5/26/2012
37
仙人掌每块落地就生根
5/26/2012
一株草莓依靠它沿地“爬走”的匍 匐茎，一年内就能长出数百株草莓 38 苗
5/26/2012
能否找到一个两全其美的办法，既不损害 别人，又能保存自己?于是从事组织工程研究 的科学家们，利用细胞生物学、分子生物学以 及材料科学等最新技术，开始研究用人工培养 的办法培养出人体需要的正常组织或器官，医 院就像工厂生产零部件一样，根据病人的缺失 情况，需要什么培养什么，需要多少做多少， 量体裁衣，做好了安装上就能发挥作用，起到 人体正常组织所能起的作用。
47 5/26/2012
生物组成之阶层
(The hierarchy of biological order)
•分子 (molecule) •細胞 (cell) •组织 (tissue) •器官 (organ) •系统 (system) •个体 (organism) •族群 (population) • 群聚 (community) •生态系 48 (ecosystem)
过去常用的组织器官修复方法
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
5/26/2012
过去常用的组织器官修复方法
“狗腿子”的故事
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
5/26/2012
过去常用的组织器官修复方法
41 5/26/2012
4 5/26/2012
•
成绩组成
• 平时成绩20% 平时课堂表现10分 学期报告10分 • 期末考试80%
本课程主要内容
• • • • • • • 组织工程学概述 组织工程支架材料以及制造 组织工程种子细胞 生长因子 骨与软骨组织工程应用 血管、神经组织工程应用 肌腱、心肌组织及其它组织工程
7 5/26/2012
53 5/26/2012
第一只克隆宠物猫CC
54 5/26/2012
55 5/26/2012
56
克隆马及其“母亲兼姐 姐”
• 美国每年需要进行800万次手术，年耗资 400亿美元。 • 我国创伤住院年增长率达7.2％，高居住 院人数第2位。美国1998年用于骨骼-肌肉 系统损伤患者的治疗费高达1280亿美元 ，仅骨缺损患者就达123万，其中80％需 用生物医学材料治疗。
• 随着现代外科学的发展，人 类对组织、器官的治疗有了 很大的进步，但仍然存在许 多问题。
原生质体B
原生质体融合
杂合的原生质体
再生出细胞壁
杂种细胞
细胞分裂
愈伤组织
分化发育
杂种植株
5/26/2012
植物体细胞杂交
原生质体制备（酶解法去细胞壁）
原生质体融合（人工诱导）
纤维素酶、果胶酶等
杂种细胞的筛选和培养（形成愈伤组织）
杂种植株的再生与鉴定
物理法：离心、振动、电刺激等 化学法：聚乙二醇等试剂
5/26/2012 28
人造皮肤
29 5/26/2012 29
金属支架
30 5/26/2012 30
人造关节
Fra Baidu bibliotek
31 5/26/2012 31
人工肝脏-血液透析(类似洗肝机)
32 5/26/2012
5/26/2012
人类物质、文化生活水平的 提高，对损伤、疾病的治疗要求 越来越高，科技的发展，催生了 组织工程学，并促使其发展。组 织工程重建修复受损器官为什么 能进行，又是如何进行的呢？这 一点我们得从植物说起。
过去常用的组织器官修复方法
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
5/26/2012
人造器官
25 5/26/2012 25
人造耳与真人耳的比较
26 5/26/2012 26
人造眼与真人眼的比较
27 5/26/2012 27
机械心脏阀
28
Thrombus on a mechanical heart valve (courtesy of RWTH-Aachen)
5/26/2012
过去常用的组织器官修复方法
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
5/26/2012
自体组织移植，是一种“挖肉补疮、以伤 治伤、拆东墙补西墙”的方法，国外学者称之 为“Rob Peter to pay Paul”。它在修复或矫正 一个部位缺损或畸形的同时，会造成供区不同 程度的形态和功能损害。另外，自体组织移植 修复组织缺损的原则之一是“同物相济”，即 以相同的组织修复相同的组织缺损，如用下唇 组织瓣修复上唇缺损等。然而，这一原则只有 在组织缺损量较少时，才可应用。
组织工程学概述 组织工程学的方法与内容 组织工程用生物材料 组织工程支架制造 组织工程种子细胞 组织工程种子细胞 生长因子 生长因子 骨组织工程应用 软骨组织工程应用 血管与神经组织工程应用 其他组织工程应用 人体复杂器官工程+生物制造 学生报告研讨 学生报告研讨 学生报告研讨
• 什么是组织工程学？ • 我们为什么需要学习？ • 我们怎么学习这门课？
5/26/2012
多利是在1996年7月5日 由罗斯林研究所的伊恩· 威尔穆特教授等人通过 体细胞克隆法培育问世， 是世界上首只成年体细 胞克隆动物。
52 5/26/2012
一时在世界引起了轰动、令人类茫然失措， 科幻小说里克隆希特勒与克隆人兵团身影 仿佛从这只温顺羊羔的背后浮现出来。 在接下来的几年中，一面是实验室里 各种克隆动物的屡屡出现，一面是政治会 议上禁止克隆人的法规层出不穷。
19世纪30年代，德国植物学家施莱登和 德国动物学家施旺创立了细胞学说，根据这一 学说，如果给细胞提供和生物体内一样的条件 ，每个细胞都应该能够独立生活。1902年，德 国植物学家哈伯兰特在细胞全能性的理论是植 物组织培养的理论基础。1958年，一个振奋人 心的消息从美国传向世界各地，美国植物学家 斯蒂瓦特等人，用胡萝卜韧皮部的细胞进行培 养，终于得到了完整植株，并且这一植株能够 开花结果，证实了哈伯兰特在五十多年前关于 细胞全能的预言。
• 主要参考书:
[1]曹谊林 主编. 组织工程学. 北京：科学技术出版社, 2008. [2]杨志明 主编．组织工程基础与临床．第1版．成都： 四川科学技术出版社，2005． [3] 金岩 主编．组织工程学原理与技术．第1版．西安： 第四军医大学出版社，2003． [4]张胜民 主编．生物材料与组织工程导论．第1 版．武汉：华中科技大学材料科学教研室，2004． [5] 与组织工程相关的各级各类国内外期刊、报纸、杂 志、会议、新闻、专利、网页等等．
分子 (molecule) 細胞 (cell) 组织 (tissue) 器官 (organ) 系统 (system) 个体 (organism) 族 (population) 群落 (community) 生态系 (ecosystem)
5/26/2012
• 组织工程学是应用生命科学和工程学的 原理与方法，研究、开发用于修复、增 进或改善人体各种组织或器官损伤后的 功能和形态的一门学科。
脱分化 再分化
离体、消毒 的植物器官、 胚 脱分化 再分化 组织或细胞： 愈伤组织 状 适宜的养料和激 体 素，温度和无菌
条件下培养
植物体的局部受到创伤刺激 后，在伤口表面新生的组织。 它由活的薄壁细胞组成，可 起源于植物体任何官内各种 组织的活细胞。
根、芽
植物体
植物组织培养技术的应用
●快速繁殖 ●培育无病毒植物 ●生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等 ●制作人工种子 ●转基因植物的培育 用植物组织培养的方法，诱 导离体的植物组织形成具有生根 发芽能力的胚状结构，包裹上人 造种皮，制成人工种子，可以解 决有些作物品种繁殖能力差、结 子困难或发芽率低等问题。
13 5/26/2012
组织、器官的损伤和功能障碍是人类 健康所面临的主要危害之一。也是人类疾 病和死亡的最主要原因。每个国家每年有 数百万计的人患有各种组织、器官的损伤 或功能障碍。
★人口老龄化、人类对健康与长寿的要求提高 ★人类活动范围加大，中青年创伤增多 ★ 环境污染，饮食变化，疑难病症增多
第一章 组织工程学概述
一 组织工程学基本概念 二 组织工程学的建立和发展 三 组织工程学三要素
10 5/26/2012
• 你所认为的组织工程是什么？ • 组织 • 工程
一．组织工程学基本概念
(Tissue engineering)
• • • • • • • • •
12
生物组成之阶层 (The hierarchy of biological order)
植物组织培养
植物组织培养就是在无菌和人工控制 的条件下，将离体的植物器官、组织、细 胞，培养在人工配置的培养基上，给予适 宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织（这 一步称为脱分化），然后诱导愈伤组织再 分化最终形成一颗完整的植株。其培养基 一般为液态培养基，最终目的是要获得完 整的植株。
植物组织培养
45 5/26/2012
植物体细胞杂交 植物细胞A
植物体细胞杂 交是用两个来自于 不同植物的体细胞 融合成一个杂种细 胞，并且把杂种细 胞培育成新的植物 体的方法。（因为 不同种生物之间存 在着生殖隔离，所 以用传统的有性杂 交方法是不可能做 到这一点的）
46
植物细胞B
去掉细胞壁
去掉细胞壁
原生质体A
组织工程导论
1 5/26/2012
学分：2
学时：32 学时
授课时间：周二下午5-6节 周四上午1-2节(3-10周） 授课地点：西苑7-404
2 5/26/2012
答疑时间及地点：
周五下午3：30～5：30
景华校区5-204
3 5/26/2012
• 教材:
[1] 柏树令 主编. 组织工程学教程. 北京：人民军医出 版社, 2009.
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
暴走妈妈
5/26/2012
把别人的器官移植到病人身上， 在牺牲他人的基础上满足病人的需要， 以伤治伤。这又带来两个问题，一是 排斥作用，成活率很低，二是供应器 官的人太少，许多等供体的病人等到 死也没有找到合适的供体，只好遗憾 地离开人间。
动物细胞或动物组织培养
植物细胞与组织培养
5/26/2012
• 蝾螈可以断肢再生， • 人肝脏切除3/4后可以再生出完整的肝脏。
动物：一个细胞在体外培养下产生的一群 细胞；由少量组织，大片组织。（由一 个个体，通过无性繁殖手段，获得遗传 上相同的个体群）。
50 5/26/2012
克
隆
克隆是英文“ clone ”的音译，来自希 腊文 klon ，原意为苗或嫩枝，指以无性生 殖或营养生殖的一些植物。随着时间的推移 和科学的发展，它的含义增加了许多内容， 如一个细胞在体外培养下产生的一群细胞； 由“亲本”序列产生的 DNA 序列等等。概言 之， 克隆是指由一个细胞或个体，通过无 性繁殖手段，获得遗传上相同的细胞群或个 体群。51
周次 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10
星期 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4
节次 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2 5-6 1-2
内
容
学时 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
5/26/2012
富贵竹插枝即活
39 5/26/2012
细胞的全能性
概念：细胞的全能性是指生物体的细胞具有 使后代细胞形成完整个体的潜能。
原因：是生物体的每一个细胞都含有该物种 所特有的全套遗传物质及发育为完整 个体所必需的全部基因。
40 5/26/2012
细胞的全能性
受精卵的全能性最高； 其次是生殖细胞（尤其是卵细胞）； 体细胞的全能性比生殖细胞低得多。
5/26/2012
植物组织培养
(plant tissue culture)
35 5/26/2012
植物：组织（苗、嫩枝、根），无性生殖或 营养生殖，生成新个体。
36 5/26/2012
37
仙人掌每块落地就生根
5/26/2012
一株草莓依靠它沿地“爬走”的匍 匐茎，一年内就能长出数百株草莓 38 苗
5/26/2012
能否找到一个两全其美的办法，既不损害 别人，又能保存自己?于是从事组织工程研究 的科学家们，利用细胞生物学、分子生物学以 及材料科学等最新技术，开始研究用人工培养 的办法培养出人体需要的正常组织或器官，医 院就像工厂生产零部件一样，根据病人的缺失 情况，需要什么培养什么，需要多少做多少， 量体裁衣，做好了安装上就能发挥作用，起到 人体正常组织所能起的作用。
47 5/26/2012
生物组成之阶层
(The hierarchy of biological order)
•分子 (molecule) •細胞 (cell) •组织 (tissue) •器官 (organ) •系统 (system) •个体 (organism) •族群 (population) • 群聚 (community) •生态系 48 (ecosystem)
过去常用的组织器官修复方法
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
5/26/2012
过去常用的组织器官修复方法
“狗腿子”的故事
1 异种异体器官移植 2 同种异体器官移植 3 自体组织移植 4 人工合成组织替代品
5/26/2012
过去常用的组织器官修复方法