再生医学概论上传第一页，共69页。内容摘要再生医学概论上传。片蛭之所以头部和尾部都能再生，就是因为它全身都存在干细胞。可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态。谢谢大家第二页，共69页。普罗米修斯（Prometheus）2021/3/203第三页，共69页。孙悟空拔毛变猴2021/3/204第四页，共69页。再生现象自然界的普遍现象2021/3/205第五页，共69页。再生现象自然界的普遍现象将片蛭切断将片蛭切断后，如果切掉的后，如果切掉的是头，头部将在是头，头部将在该位置再生；如该位置再生；如果切掉的是尾，果切掉的是尾，尾巴将在该位置尾巴将在该位置再生。再生。2021/3/206第六页，共69页。再生现象自然界的普遍现象蝾螈的四肢、壁虎的尾蝾螈的四肢、壁虎的尾巴都具有自然再生的能巴都具有自然再生的能力。力。青蛙（与蝾螈同属两栖青蛙（与蝾螈同属两栖动物）却不具备再生的能动物）却不具备再生的能力，但青蛙的前身蝌蚪却力，但青蛙的前身蝌蚪却又显示出四肢再生的能力。又显示出四肢再生的能力。2021/3/207第七页，共69页。再生现象生物体的修复方式人体潜在的再生能力2021/3/208第八页，共69页。再生现象人体潜在的再生能力附属结构的再生附属结构的再生骨折愈合骨折愈合血管新生血管新生神经再生神经再生肝脏再生肝脏再生2021/3/209第九页，共69页。再生的生物学机制代偿性增生成体干细胞活化成熟细胞去分化2021/3/2010第十页，共69页。再生模式新建再生 epimorphosis变形再生 morphallaxis2021/3/2011第十一页，共69页。人体大部分器官的修复方式炎症反应瘢痕形成通过成纤维结节的塑性形成胶原疤痕，完成修复。通过成纤维结节的塑性形成胶原疤痕，完成修复。纤维组织缺乏正常组织的功能纤维组织缺乏正常组织的功能, , 只能维持组织存在的只能维持组织存在的最基本要求。如何防止组织的纤维修复代之以再生修最基本要求。如何防止组织的纤维修复代之以再生修复复, , 最大程度地恢复组织功能就成为人类医学研究的最大程度地恢复组织功能就成为人类医学研究的重点之一重点之一, , 也由此诞生了再生医学。也由此诞生了再生医学。2021/3/2012第十二页，共69页。传统的医疗模式药物治疗手术治疗再生医学治疗2021/3/2013第十三页，共69页。外科学的修复方式切除 resection修复 repair替代 replacement再生 regeneration2021/3/2014第十四页，共69页。外科治疗的七种手段切除（resection）修复（repair）再植（replantation）置换（replacement）重建（reconstraction）重塑（remodeling）康复（rehabilitation）再生 (regeneration)2021/3/2015第十五页，共69页。再生机制的研究u新生的片蛭细胞是否会生成一个整体？u同是两栖动物的蝾螈、青蛙和蝌蚪的再生能力为什么不同？u人类为什么不能再生肢体？这些问题的研究有助于人类解决损伤、病变或老化组织、器官或者肢体的再生。2021/3/2016第十六页，共69页。再生医学的定义再生医学是指通过研究机体正常的组织特征与功能、受创伤修复与再生机制及干细胞分化机制，寻找有效的生物治疗文涛，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。2021/3/2017第十七页，共69页。再生医学的定义u再生医学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。u是生物学、基础医学、临床医学、材料学的交叉学科，甚至涉及社会伦理学2021/3/2018第十八页，共69页。再生医学的研究内容促进组织器官再生物理治疗促进再生物理治疗促进再生 微波、直流电刺激、磁场、热疗、光疗等微波、直流电刺激、磁场、热疗、光疗等促进再生促进再生 细胞移植促进再生细胞移植促进再生 组织细胞、干细胞组织细胞、干细胞再生医学材料促进再生再生医学材料促进再生 再生医学材料是指植入体内后能引发再生医学材料是指植入体内后能引发机体的自我再生修复机制的智能材料或功能机体的自我再生修复机制的智能材料或功能材料。主要有：材料。主要有：生物源材料，生物源材料，改性的合改性的合成材料，成材料，纳米材料等。纳米材料等。再生医学药物促进再生再生医学药物促进再生 生物活性因子、改善微环境、微量元素、生物活性因子、改善微环境、微量元素、中药促进再生等。中药促进再生等。2021/3/2019第十九页，共69页。再生医学的主要研究内容干细胞：再生医学的灵魂组织工程：再生医学的基本手段生长因子：再生的“催化剂”基因治疗：改变细胞再生和功能的策略2021/3/2020第二十页，共69页。再生医学与干细胞的关系片蛭之所以头部和尾部都能再生，就是因为它全身都存在干细胞。干细胞向切断的部位移动，通过增殖和分化，就完成了片蛭再生的全过程。2021/3/2021第二十一页，共69页。干细胞的定义2021/3/2022第二十二页，共69页。干细胞的特征本身不是处于分化途径的终端能无限地增殖分裂可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态2021/3/2023第二十三页，共69页。干细胞的特征通过两种方式生长： 对称分裂对称分裂非对称分裂非对称分裂2021/3/2024第二十四页，共69页。干细胞的分类全能干细胞全能干细胞(totipotent)多能干细胞多能干细胞(pluripotent)单能干细胞单能干细胞(multipotent)亚全能干细胞亚全能干细胞（postembryonic pluripotent ）按分化潜能按发育状态 胚胎干细胞胚胎干细胞(embryonic stem cells, ECs) 成体干细胞成体干细胞(adult stem cells)2021/3/2025第二十五页，共69页。干细胞与再生再生策略动员组织器官自身的干细胞增殖、分化动员组织器官自身的干细胞增殖、分化外源性（异体和自体）干细胞移植外源性（异体和自体）干细胞移植组织工程构建的种子细胞组织工程构建的种子细胞2021/3/2026第二十六页，共69页。干细胞与再生干细胞的分离、培养、扩增、诱导分化：方法、机制诱导后细胞的功能、聚集与组织工程干细胞移植治疗：效果、机制、排斥、安全性诱导性干细胞（重编程）iPS2021/3/2027第二十七页，共69页。干细胞与再生1998年年Wisconsin大学的大学的James Thomson和和Johns Hopkins大学的大学的John Gearhart从人囊胚的从人囊胚的内层细胞团中取得胚胎干细胞。他们把胚胎干细内层细胞团中取得胚胎干细胞。他们把胚胎干细胞与小鼠的骨髓间质细胞进行了共培养。结果表胞与小鼠的骨髓间质细胞进行了共培养。结果表明胚胎干细胞可以进行长达明胚胎干细胞可以进行长达5个月的非分化增殖，个月的非分化增殖，同时还保持着分化为滋养层组织及三种胚层组同时还保持着分化为滋养层组织及三种胚层组织的能力。这为胚胎干细胞的临床应用奠定了织的能力。这为胚胎干细胞的临床应用奠定了基础。基础。2021/3/2028第二十八页，共69页。干细胞与再生1999年年Goodell等人用肌肉来源的干细胞在等人用肌肉来源的干细胞在小鼠体内分化成各种血细胞。这表明成体干细小鼠体内分化成各种血细胞。这表明成体干细胞在一定的微环境的作用下，可以横向分化为胞在一定的微环境的作用下，可以横向分化为需要的细胞和组织，从而起到极其有效的治疗需要的细胞和组织，从而起到极其有效的治疗作用。作用。 2021/3/2029第二十九页，共69页。干细胞与再生2021/3/2030第三十页，共69页。干细胞与再生2021/3/2031第三十一页，共69页。干细胞与再生2006年日本京都大学Shinya Yamanaka领导的实验室在世界著名学术杂志细胞上率先报道了iPS的研究。他们把他们把Oct3/4、Sox2、c-Myc和和Klf4这这4种转种转录因子引入小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞，发现可录因子引入小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞，发现可诱导其发生转化，产生的诱导其发生转化，产生的iPS细胞在形态、基因细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等都与胚胎类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等都与胚胎干细胞极为相似。干细胞极为相似。2021/3/2032第三十二页，共69页。干细胞与再生2007年11、12月Yamanaka研究团队再次成功地利用3-4个基因导入人类皮肤细胞病将其成功地转变成 iPS细胞。同时，美国威斯康新的James Thomson研究团队利用4个基因将人类体细胞重新设定变回干细胞。2021/3/2033第三十三页，共69页。干细胞与再生2021/3/2034第三十四页，共69页。干细胞与再生2021/3/2035第三十五页，共69页。干细胞与再生2021/3/2036第三十六页，共69页。细胞器官再生的理念突破Koudstaal A et al. Concise Review: Heart Regeneration and the Role of Cardiac Stem Cells. Stem Cells Transl Med. Jun 2013; 2(6): 434443.正常成人心肌细胞平均每年更新1 ，约40 的心肌是由出生后新生的心肌细胞组成。2021/3/2037第三十七页，共69页。干细胞移植治疗神经系统 神经退行性病、神经损伤、脑瘫、缺血性脑病等神经退行性病、神经损伤、脑瘫、缺血性脑病等心血管疾病 心肌梗死，心、脑、周围血管疾病等心肌梗死，心、脑、周围血管疾病等消化系统疾病 终末性肝病、肝纤维化、肠道疾患等终末性肝病、肝纤维化、肠道疾患等呼吸系统疾患 肺纤维化等肺纤维化等泌尿生殖系统疾患 肾功能衰竭等肾功能衰竭等血液系统疾病 白血病、再生障碍性贫血、淋巴瘤等白血病、再生障碍性贫血、淋巴瘤等内分泌系统疾患 糖尿病、甲状腺疾患、等糖尿病、甲状腺疾患、等感官系统疾病 视网膜病变、耳聋等视网膜病变、耳聋等免疫系统疾病 自身免疫性疾病、抗宿主病等自身免疫性疾病、抗宿主病等美容、整形等 抗衰老、除皱、面部塑性、隆胸等抗衰老、除皱、面部塑性、隆胸等 100多种疾病2021/3/2038第三十八页，共69页。再生医学与组织工程的关系再生医学有很悠久的历史，组织工程学的出现，使得再生医学进入了一个新时代。组织工程被认为是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上又一新的里程碑，也是一场意义深远的医学革命。2021/3/2039第三十九页，共69页。再生医学与组织工程的关系组织工程是再生医学治疗手段的一种体现，同时它也拓宽了再生医学的广度和深度。国际再生医学基金会(IFRM)明确把组织工程定为再生医学的一个分支。但有时大家并不明确区分组织工程和再生医学。2021/3/2040第四十页，共69页。组织缺损的修复自体组织移植: 不吻合血管 吻合血管(组织瓣 ) 以以伤治治伤同种异体组织移植: 心、肝、脾、肺、肾、胰腺、骨、角膜等 排斥反排斥反应、伦理、供理、供体短缺体短缺 仅美国每年因得不到捐献器官而死亡的病人就有仅美国每年因得不到捐献器官而死亡的病人就有3000多，此外，多，此外，因接受不合格器官而死亡的每年有因接受不合格器官而死亡的每年有10万人之多。万人之多。 异体组织移植： 排斥反排斥反应、细菌和病毒的菌和病毒的传染染 1984年，美国加州一名婴儿在接受狒狒心脏移植后存活了年，美国加州一名婴儿在接受狒狒心脏移植后存活了20天；天； 其后美国匹兹堡大学用狒狒的肝给成年肝病患者进行了异种移植；其后美国匹兹堡大学用狒狒的肝给成年肝病患者进行了异种移植； 1996年又为艾滋病患者进行了狒狒的骨髓移植年又为艾滋病患者进行了狒狒的骨髓移植2021/3/2041第四十一页，共69页。组织缺损的修复人工材料替代：人工骨、关节、血管、瓣膜、脂肪等 无生命无生命 人工组织与人工器官作为人体病损组织与器官的替人工组织与人工器官作为人体病损组织与器官的替代物已在临床广泛应用。由于其治疗效果确切，美国近年的代物已在临床广泛应用。由于其治疗效果确切，美国近年的调查，不包括齿科材料，植入调查，不包括齿科材料，植入1件以上人工组织与人工器官的件以上人工组织与人工器官的患者，在美国已达患者，在美国已达1100万人，占其总人口的万人，占其总人口的4%，全球估计，全球估计达达3000万人万人 能否制造一种有生命、无排斥反应、能大量生产的组织来修复组织缺损？2021/3/2042第四十二页，共69页。 Robert Langer美国麻省理工学院化学工程师美国麻省理工学院化学工程师 Joseph P Vacanti哈佛大学医院医生哈佛大学医院医生 组织工程的源起2021/3/2043第四十三页，共69页。80年代中期年代中期 Robert Langer and Joseph P Vacanti的的新概念新概念: 在一种可生物降解的支架材料上种植人体活在一种可生物降解的支架材料上种植人体活细胞，在生胞，在生长因子作用下，因子作用下，在体外复制有生命的在体外复制有生命的组织植入体内，完成植入体内，完成组织缺缺损的修复与功能替代，的修复与功能替代，最最终永久成永久成为人体人体组织的一部分。的一部分。1987年春年春 美国科学基金会美国科学基金会(NSF)在加利福尼在加利福尼亚的的专家家讨论会上会上提出提出“组织工程工程, tissue engineering”一一词 1988年年 NSF的一个的一个专门工作小工作小组对组织工程的内涵作了如下界定工程的内涵作了如下界定:“应用工程科学和生命科学的原理和方法用工程科学和生命科学的原理和方法,认识哺乳哺乳动物正常和物正常和病理病理组织与器官的与器官的结构构功能关系功能关系,并开并开发具有生物活性的人工替具有生物活性的人工替代物代物,以恢复、以恢复、维持或改善持或改善组织、器官的功能、器官的功能.”组织工程的源起2021/3/2044第四十四页，共69页。1988年年美国科学基金会决定开始美国科学基金会决定开始实施施组织工程工程计划划 NSF资助建立了一系列助建立了一系列实验室室,正式展开了正式展开了组织工程工程计划，日划，日本、加拿大、欧洲、澳大利本、加拿大、欧洲、澳大利亚等随之。等随之。1994年年 Reddi组织工程学三准工程学三准则（组成成分，内部成成分，内部结构）构）提供提供给应答答细胞以胞以优化的胞外基化的胞外基质支撑体支撑体为应答答细胞提供分子信号胞提供分子信号 骨形成蛋白骨形成蛋白组织形成的形成的调节信号信号 细胞生胞生长因子因子组织工程的源起2021/3/2045第四十五页，共69页。1992年年 Hein FG,严宗毅宗毅(天津天津) 将将组织工程（工程（tissue engineering）介）介绍到中国到中国1996年年 杨志明志明(四川四川) 组织工程骨、肌腱工程骨、肌腱 1996年年 王常勇（西安）王常勇（西安） 组织工程骨工程骨1997年年 曹曹谊林（上海）林（上海）组织工程工程软骨骨1997年年 吴德升（上海吴德升（上海长征）征）组织工程神工程神经组织工程的源起2021/3/2046第四十六页，共69页。组织工程的基本概念 组织工程是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认组织工程是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。损伤后的功能和形态生物替代物的科学。组织工程的核心 建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。达到永久性替代。组织工程的概念2021/3/2047第四十七页，共69页。组织工程基本原理和方法 将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞- -生物材料复合物生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的。组织工程的概念2021/3/2048第四十八页，共69页。种子细胞可降解的生物材料种子细胞可降解的生物材料有生命的组织或器官有生命的组织或器官修复修复/ /替换缺损组织或器官替换缺损组织或器官重建功能重建功能体外构建植入体内组织工程的概念2021/3/2049第四十九页，共69页。在2007美国的战略计划中，提出了“组织科学与工程”的四个总体目标l 理解和控制细胞应答理解和控制细胞应答l 阐述生物材料的支架功能和组织基质环境阐述生物材料的支架功能和组织基质环境l 开发促成工具（开发促成工具（enabling tool）l 推动大规模生产、转化和商业化推动大规模生产、转化和商业化组织工程的概念2021/3/2050第五十页，共69页。确定了8个优先发展的方向l 理解细胞机器理解细胞机器l 辨别并验证生物标记物及分析方法辨别并验证生物标记物及分析方法l 先进的成像技术先进的成像技术l 阐述细胞阐述细胞/环境的相互作用环境的相互作用l 建立计算机模型系统建立计算机模型系统l 组装和维持复杂组织组装和维持复杂组织l 改进组织的保存和储藏改进组织的保存和储藏l 促进实际应用和商品化促进实际应用和商品化组织工程的概念2021/3/2051第五十一页，共69页。 种子细胞种子细胞 支架材料支架材料 构建组织和器官的方法和技术构建组织和器官的方法和技术 组织工程的临床应用组织工程的临床应用组织工程的研究内容2021/3/2052第五十二页，共69页。u 种子细胞的培养是组织工程的基本要素u 必须具备以下三个基本特征 高增殖能力，低分化程度高增殖能力，低分化程度 能建立稳定的标准细胞系能建立稳定的标准细胞系 尽可能低的抗原性尽可能低的抗原性u 种子细胞主要来源于自体、同种异体、异种组织细胞等u 近几年干细胞是研究热点组织工程的研究内容2021/3/2053第五十三页，共69页。 按细胞的来源分自体细胞自体细胞同种异体细胞同种异体细胞细胞系细胞系异种细胞异种细胞 按细胞种类分 组织细胞组织细胞 前体细胞前体细胞/ /祖细胞祖细胞 干细胞干细胞组织工程的研究内容2021/3/2054第五十四页，共69页。 支架材料的功能为体外构建工程组织或器官提供三维的细胞生长支架为体外构建工程组织或器官提供三维的细胞生长支架, ,使细胞间形成适宜的空间使细胞间形成适宜的空间分布和细胞联系分布和细胞联系; ;提供特殊的生长和分化信号提供特殊的生长和分化信号, ,诱导细胞的定向分化和维持细胞分化。诱导细胞的定向分化和维持细胞分化。支架材料的基本要求 理想的组织工程细胞外基质材料必须具有如下特征良好的生物相容性良好的生物相容性: :良好的生物降解性良好的生物降解性: :具有三维立体多孔结构具有三维立体多孔结构: :具有较高的面积具有较高的面积/ /体积比体积比: :良好的可塑性和一定的机械强度良好的可塑性和一定的机械强度: :良好的材料良好的材料- -细胞界面细胞界面: :组织工程的研究内容2021/3/2055第五十五页，共69页。 从来源可分为 天然、合成、生物陶瓷和生物衍生材料四类天然、合成、生物陶瓷和生物衍生材料四类从形态可分为 固体、胶体、膜三类固体、胶体、膜三类从性质可分为 单体和混合性材料单体和混合性材料从降解性可分为 可降解和非降解材料两类可降解和非降解材料两类组织工程的研究内容2021/3/2056第五十六页，共69页。组织工程器官的构建依据组织工程技术的基本原理与方法，应用种子细胞与可降解生物材料复合，在特定的条件下，形成或再生组织和器官的过程称为组织工程化组织/器官。2021/3/2057第五十七页，共69页。组织工程器官的构建2021/3/2058第五十八页，共69页。组织工程器官的构建2021/3/2059第五十九页，共69页。 旋转式细胞培养系统(rotary cell culture system,RCCS) 美国宇航局美国宇航局(NASA)组织工程器官的构建2021/3/2060第六十页，共69页。2021/3/2061第六十一页，共69页。2021/3/2062第六十二页，共69页。u结构组织的组织工程化构建与应用结构组织的组织工程化构建与应用1997年美国年美国FDA批准组织工程皮肤上市。同时，其他国家也有批准组织工程皮肤上市。同时，其他国家也有组织工程骨、软骨、肌腱等临床应用的初步报告。组织工程骨、软骨、肌腱等临床应用的初步报告。u具有复杂功能的器官的组织工程构建与应用具有复杂功能的器官的组织工程构建与应用2006年年A. Atala在在Lancet杂志上发表了组织工程膀胱临床应用杂志上发表了组织工程膀胱临床应用的学术论文。同时，也有接种细胞的生物人工肝、生物人工肾、心的学术论文。同时，也有接种细胞的生物人工肝、生物人工肾、心脏瓣膜、内分泌器官的组织工程化构建研究。脏瓣膜、内分泌器官的组织工程化构建研究。组织工程器官的发展状况2021/3/2063第六十三页，共69页。u在美国，目前已经形成价值在美国，目前已经形成价值70亿美元的产业，并以每年亿美元的产业，并以每年25%的速度递增，美国大约的速度递增，美国大约有有50余家公司从事组织工程产品的产业化余家公司从事组织工程产品的产业化u组织工程化皮肤产品已经实现商品化，正式进入临床应用组织工程化皮肤产品已经实现商品化，正式进入临床应用u骨骼、软骨、血管、神经组织等正在进行体内实验骨骼、软骨、血管、神经组织等正在进行体内实验u肝脏、胰脏、乳房、心脏、手指、角膜、膀胱等正在实验室里生长成形肝脏、胰脏、乳房、心脏、手指、角膜、膀胱等正在实验室里生长成形u软骨组织工程产品已进入临床实验，在几年内就可应用于临床软骨组织工程产品已进入临床实验，在几年内就可应用于临床u临时的助肝装置正在进行临床实验临时的助肝装置正在进行临床实验u输尿管、尿道、食管、小肠、肾脏、血管和血细胞等的组织工程化研究也取输尿管、尿道、食管、小肠、肾脏、血管和血细胞等的组织工程化研究也取得了某些进展。得了某些进展。 组织工程器官的发展状况2021/3/2064第六十四页，共69页。全器官组织工程构建Retrograde perfusionof cadaveric rat heart using PEG (a), Triton-X-100(b) or SDS (c) over 12 h.Ott HC, et al. Nat Med. 2008;14(2):213-221 2021/3/2065第六十五页，共69页。3D打印是快速成形技术，也称增材制造。它以一种数字模型文件为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。可以解决种子细胞在支架材料上的接种问题，理论上可以打印出任意形态、任意结构的器官。3D打印与组织工程2021/3/2066第六十六页，共69页。3D打印与组织工程2021/3/2067第六十七页，共69页。再生医学2021/3/2068第六十八页，共69页。谢谢大家！第六十九页，共69页。