第1讲 组织工程学概述
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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
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
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。
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。
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
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)
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
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 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
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
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
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)
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
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。
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。
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。
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。
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”
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？
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
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.
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
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。
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。
• 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。
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
• 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．
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。
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
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
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。
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。
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
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)
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
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 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
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
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
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)
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
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。
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。
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。
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。
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”
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？
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
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.
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
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。
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。
• 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。
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
• 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．
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。