组织工程讲座课件

心血管疾病

组织工程学中南大学湘雅二医院胸心外科湖南省心血管疾病研究所吴忠仕心血管疾病

组织工程学中南大学湘雅二医院胸心外科湖南省心血管1讲义提纲组织工程学基本概况组织工程血管研究组织工程瓣膜研究心肌细胞移植研究生物反应器讲义提纲组织工程学基本概况2组织工程学研究涉及到材料学、工程学、生物化学、分子生物学、细胞生物学、临床医学、伦理学等多学科交叉与结合组织工程组织工程学研究涉及到材料学、工程学、生物化学、组织工程3组织工程概况器官移植制造组织器官生物工程基因工程组织工程组织工程概况器官移植制造组生物工程基因工程组织工程4"Tissueengineeringistheapplicationoftheprinciplesandmethods

ofengineeringandthelifesciencetowardthefundamental

understandingofstructure-functionrelationshipsinnormaland

pathologicalmammaliantissueandthedevelopmentofbiological

substitutestorestore,maintainorimprovefunctions."

SkalakandFox(eds.),TissueEngineering,AlanLiss,1988

"Tissueengineeringisaninterdisciplinaryfieldthatappliestheprinciplesofengineeringandthelifesciencestowardthedevelopmentofbiologicalsubstitutesthatrestore,maintainorimprovetissuefunction."LangerandVacanti,Science260,1993组织工程定义"Tissueengineeringistheapp5"TheAgeof'TissueEngineering'isuponus.Aswearethrusttowardanewmillenniumsotooareourbeliefsthattheamalgamationofengineeringandmedicinewillresultinanexplosionofknowledgethatwillenhanceourunderstandingofdevelopmentalbiologyandculminateinanewerainmedicineenablingustorestorelosttissuefunction."MikosandVacanti,TissueEngineering1,1995Thegoaloftissueengineeringisto"restorefunctionthroughthedeliveryoflivingelementswhichbecomeintegratedintothepatient."VacantiandLanger,Lancet354,1999TissueEngineeringisalsooftenreferredtoas"regenerativemedicine"and/or"reparativemedicine".组织工程的定义"TheAgeof'TissueEngineerin6组织工程的基本要素组织工程的核心就是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组织工程的基本要素组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维7国外组织工程学研究Tepha公司和波士顿儿童医院获得美国商务部200万美元AdvancedTechnologyProgram研究基金，用于人工心血管组织的研制美国研制出人工心脏

英国：利用骨髓干细胞修复受损心肌

国外组织工程学研究Tepha公司和波士顿儿童医院获得美国商务8在美国，目前已经形成价值60亿美元的组织工程产业，并以每年25%的速度递增培育的骨骼、软骨、血管、皮肤以及神经组织正在进行体内实验再造的肝脏、胰脏、乳房、心脏、手指、角膜等正在实验室里生长成形

据估计全球组织工程及其技术衍生产品则约有1000亿美元的潜在市场可供开拓

国外组织工程学研究在美国，目前已经形成价值60亿美元的组织工程产业，并以每年9国内组织工程研究国内组织工程研究10国内组织工程研究我国开展组织工程研究的领先单位军事医学科学院基础医学研究所中科院化学所高分子物理与化学国家重点实验室中国医学科学院组织工程研究中心上海组织工程研究中心（“973”组织工程项目首席科学家曹谊林教授领衔）

上海第二医科大学附属第九人民医院整复外科

四川大学华西医院卫生部移植工程与移植免疫重点实验室组织工程研究室

重庆大学生物工程学院生物力学及组织工程教育部重点实验室

暨南大学生物医学工程研究所

复旦大学高分子科学系聚合物分子工程教育部重点实验室

国内组织工程研究我国开展组织工程研究的领先单位111，胚胎干细胞的培养、诱导分化及鉴定上海等地建立了人类胚胎干细胞和小鼠胚胎干细胞系，建立了诱导分化为成神经干细胞、成肌肉干细胞、成血管内皮干细胞等技术，为应用胚胎干细胞作为组织工程种子细胞的来源进行了开创性的工作2，骨髓间质干细胞的分离、纯化及定向分化诱导

北京和上海建立了成年骨髓基质干细胞作为组织工程种子细胞来源的成熟技术体系3，种子细胞功能老化规律和延缓老化的研究4，生物材料表面修饰及材料与细胞间亲和性改进的研究

5，生物降解高分子合成、降解速率调控及支架构筑研究6，组织工程中的生物力学问题

7，组织工程化组织构建研究

上海成功构建组织工程化骨、软骨、肌健、皮肤、角膜基质、血管组织中国的组织工程学研究进展

1，胚胎干细胞的培养、诱导分化及鉴定中国的组织工程学研究进展12成体干细胞——组织工程种子细胞的新来源干细胞的可塑性与干细胞移植的基础研究成体干细胞的可塑性与受损组织的功能材料外胚间充质干细胞在神经组织工程中的应用自体骨髓干细胞移植在下肢缺血中的应用组织工程种子细胞的大规模培养用于组织工程的生物反应器及实验装置细胞移植与人工血管生物化生物力学与组织工程组织工程的免疫学问题生物力学在功能化组织工程中的应用组织工程皮肤的产业化组织工程骨的产业化思路及组织工程肌腱的产业化思路开展心肌组织工程和胰岛移植研究提高我国心脏病和糖尿病整体治疗水平组织工程化周围神经移植体的研究牙再生相关问题研究国内组织工程研究成体干细胞——组织工程种子细胞的新来源国内组织工程研究13

组织工程血管组织工程瓣膜组织工程心肌重建

先天性心脏病冠状动脉疾病血管疾病瓣膜疾病心肌疾病心血管疾病组织工程学研究范围

组织工程血管先天性心脏病心血管疾病组织工程学研究14心脏瓣膜替代物生物瓣膜机械瓣膜心脏瓣膜替代物生物瓣膜机械瓣膜15血管替代物Dacron人工血管

膨体聚四氟乙烯（ePTFE）

自体血管

异体血管乳内血管大隐静脉异种血管同种血管

理想的血管移植物生物血管人工合成血管免疫，血栓，感染，钙化血管替代物Dacron人工血管膨体聚四氟乙烯（e16组织工程化血管研究组织工程化血管研究17动脉静脉

腔大，壁薄，管壁常塌陷中膜平滑肌和弹性组织不发达内弹性膜不明显或缺如部分静脉有静脉瓣内膜：单层扁平内皮细胞中层：SMC和胶原正常血管结构动脉静脉

腔大，壁薄，管壁常塌陷内膜：单层扁平内皮细胞正常血18血管细胞外基质成分胶原非胶原糖蛋白氨基聚糖蛋白聚糖弹性蛋白血管细胞外基质成分胶原19血管胶原Ⅰ，Ⅲ型胶原为主血管胶原Ⅰ，Ⅲ型胶原为主20纤粘连蛋白（FIBRONECTIN）

细胞与基质连接基质与基质连接在肽链中央的与细胞相结合的模块中存在RGD序列，是细胞表面某些整合素受体识别与结合的部位

纤粘连蛋白（FIBRONECTIN）细胞与基质连接在肽链中21氨基聚糖与蛋白聚糖在心血管基质中主要为硫酸软骨素硫酸皮肤素硫酸乙酰肝素氨基聚糖与蛋白聚糖在心血管基质中主要为22弹性蛋白（elastin)弹性蛋白（elastin)23组织工程化血管血管组织工程学的目的在体外构建理想的血管移植物具有高度的组织相容性可生长性可塑性无排异反应无血栓形成不易感染无免疫排异反应能维持管腔的长期通畅组织工程化血管血管组织工程学的目的24内皮化人工血管1986年Jarrell将获取的ECs接种于Dacron

1999年Deusch等将血管ECs种植于ePTFE上

ECs在材料上长期黏附和存活问题需进一步改进内皮化人工血管1986年Jarrell将获取的ECs接25以胶原为基础的组织工程血管研究

1986年Weinberg从动物体内分离得到的胶原制成管状网格支架在支架外套上Dacron网,再接种成纤维细胞向管内注入ECs悬液行旋转培养建成了类似的肌性动脉以胶原为基础的组织工程血管研究1986年Weinbe261998年L′Heureux分别用血管SMCs和人皮肤FBs进行培养细胞和ECM融合成膜片状物将FBs膜片套在ePTFE多孔管轴外,裹上SMCs膜片;再裹上FBs膜片待管壁细胞和ECM成熟后,脱去ePTFE管轴最后在腔内接种ECs,培育出有生理活性的天然环层结构血管以细胞膜片技术为基础的血管移植物1998年L′Heureux分别用血管SMCs和人皮肤27该TEBV的优点为:有生理活性,可自我更新植入后的血管可自行适应体内环境感染率低,机体免疫反应小,远期通畅率高制作设备简单其缺点为:

制作周期长,需要3个月以上,临床应用不便缺乏足够的动物实验及临床观察的依据来判断其在体内的生物学行为管壁力学强度有待进一步提高该TEBV的优点为:28组织工程应用的可降解材料聚乳酸(polylacticacid，PLA)聚羟基乙酸(polygly-colicacid，PGA)两者的共聚物(PLA/PGA)聚4－羟基丁酸盐（P4HB）聚乙醇酸(PLLA)组织工程应用的可降解材料聚乳酸(polylacticacid29可吸收材料为支架的TEBV1998年,Shinoka以聚乙二醇酸(PGA)制成管状支架将羊血管细胞种植于支架上,置换相应长度的幼羊主肺动脉的11周后,支架结构完全消失,管壁内胶原蛋白含量相当于自体肺动脉的73%是一种具有生长、修复功能的活血管

该TEBV存在以下缺点:PGA的机械支撑力较弱,用于肺循环尚可,却难以耐受较高的体循环压力PGA过于僵硬,手术缝合性不佳可吸收材料为支架的TEBV1998年,Shinoka以30可吸收材料为支架的TEBV

1999年,Shum-Tim用羟化烷烃的聚合物(PHA)的双层管状支架构建了TEBV。内层以有孔的PGA网作为细胞载体,外层以无孔的PHA加强机械支撑作用,该TEBV的血管壁中胶原蛋白到3个月时占相应自体腹主动脉的25%,5个月时达99%,内层有平整的内皮细胞,中层有大量的弹力纤维生成可吸收材料为支架的TEBV1999年,Shum-T312001年,Hoerstrup采用了一种新型可吸收的PGA/P4HB复合材料通过热焊接技术,制成管形支架采用动态培养.该TEBV达到了一定的抗张裂强度和缝合固持度,基本符合外科手术的要求2001年,Hoerstrup采用了一种新型可吸收的P32可吸收材料为支架的TEBV2003年,东京女子医科大学的Matsumura将骨髓干细胞(BMCs)作为细胞来源制成了TEBV,进行了22例临床实验,没有发生管道的血栓形成和狭窄以及因该项技术而导致的患者死亡可吸收材料为支架的TEBV2003年,东京女子医科大学的M33组织工程血管作为心外管道行全腔静脉肺动脉连接组织工程血管临床应用

组织工程血管作为心外管道行全腔静脉肺动脉连接组织工程血管临床34天然生物性材料来源于生物体可分为

大分子无结构材料如胶原胶、藻酸盐等

去细胞纤维组织材料脱细胞小肠粘膜下层基质脱细胞真皮基质脱细胞血管基质生物材料提供近似体内组织发生发育的ECM支架条件植入体内时无或只有极低的免疫排斥反应。血管相容性,顺应性、通畅率等都优于非天然生物性材料血管天然生物性材料为支架的TEBV天然生物性材料来源于生物体可分为天然生物性材料为支架的TEB35组织工程血管的发展方向血管组织工程学仍然处于实验探索阶段目前TEBV面临着巨大的挑战:机械强度和弹性:可以承受一定的肺循环压力,体循环压力难以承受远期通畅率:小口径(<6mm)TEBV的远期通畅率仍不理想TEBV的顺应性如何能更好的与临近受者血管相匹配组织工程血管的发展方向血管组织工程学仍然处于实验探索阶段目前36组织工程血管的发展方向种子细胞来源目前主要选用各种成熟的功能细胞再分化能力低培养生长慢难以保障功能的完整性胚胎干细胞或骨髓基质干细胞作为种子细胞是今后重要的发展方向组织工程血管的发展方向种子细胞来源目前主要选用各种成熟37组织工程血管支架/细胞外基质异种或同种血管组织（如去细胞的猪主动脉，BJVC）是常用的天然生物组织冻存的同种血管已用作冠脉搭桥管道，其缺点是通畅率差和容易形成动脉瘤天然生物组织人工高分子可吸收材料

PGA/P4HB复合材料组织工程血管的发展方向组织工程血管支架/细胞外基质异种或同种血管组织（如去细胞38细胞与细胞间信号传导细胞与ECM相互作用细胞生长同生长因子间的关系种子细胞的黏附、迁移、分化、生长研究生物反应器仿生条件的选择组织工程学三维培养技术的研究组织工程血管的发展方向组织工程学三维培养技术的研究组织工程血管的发展方向39组织工程心脏瓣膜组织工程心脏瓣膜40需要终身抗凝由于抗凝导致的出血,血栓和感染不能随人体的生长而生长或塑形较好的血流动力学特点抗感染能力相对较强无需抗凝潜在的免疫原性或鞣制剂抑制宿主自体细胞的生长，导致了生物瓣耐久性差机械瓣生物瓣人工瓣膜特点需要终身抗凝较好的血流动力学特点机械瓣生物瓣41组织工程瓣膜的构建组织工程瓣膜的构建42基本思路采用人工合成材料、同种或异种的脱细胞心脏瓣膜作为组织工程心脏瓣膜的支架/细胞外基质,通过将体外扩增的患者自体活细胞种植在瓣膜支架上,细胞能够牢固黏附、生长,使其具有正常瓣膜组织的新陈代谢功能,最后应用于置换病变的瓣膜,在体发挥类似于正常瓣膜的功能组织工程心脏瓣膜不仅从功能上发挥正常瓣膜的功能,而且在结构上类似于正常瓣膜,目前被喻为活体生物瓣克服目前所用两类人造心脏瓣膜的缺点,具有非常重要的临床应用前景基本思路采用人工合成材料、同种或异种的脱细胞心脏瓣膜作为组织43理想的瓣膜支架/基质材料须具备特征

良好的生物相容性良好的生物降解性具有三维多孔立体结构良好的可塑性和一定的机械强度良好的细胞-材料界面理想的瓣膜支架/基质材料须具备特征良好的生物相容性44基质材料

生物可降解高分子材料生物可降解高分子材料所制成的瓣膜支架可随着种植细胞外基质的形成,支架逐渐降解、重吸收,被新生瓣膜组织细胞取代,最终在瓣膜组织中不遗留任何异物,因此,它无疑是瓣膜支架的最好选择聚乳酸(polylacticacid，PLA)聚羟基乙酸(polygly-colicacid，PGA)两者的共聚物(PLA/PGA)聚4－羟基丁酸盐（P4HB）聚乙醇酸(PLLA)基质材料生物可降解高分子材料生物可降解高分子材料所制成的瓣45消除了抗原性和免疫原性保持正常瓣膜三维空间,纤维网络结构以及可能包含有细胞表面受体的特异性结合位点，有利于细胞种植和生长,并且有很好的抗张强度临床应用前景好脱细胞处理后的瓣膜支架优势消除了抗原性和免疫原性脱细胞处理后的瓣膜支架优势46种子细胞来源和种植目前实验研究所用的细胞来源动脉或静脉的血管内皮细胞血管或皮肤的成纤维细胞或平滑肌细胞骨髓基质干细胞脐带血干细胞骨髓基质干细胞应该是最有研究价值和临床价值的种子细胞来源先种植成纤维细胞细胞外基质增加种植内皮细胞种子细胞来源和种植目前实验研究所用的细胞来源先种植细胞外基47组织工程讲座48组织工程讲座49组织工程讲座50Steinhoff采用同种去细胞的心脏瓣膜种植自体成肌纤维细胞和内皮细胞

原位肺动脉带瓣管道移植的羊动物模型进行在体功能评价对照组显示瓣膜部分变性，没有瓣膜细胞间质间的重建组织工程瓣显示瓣膜组织的完全重建、内皮细胞充分融合覆盖组织工程瓣膜

动物及临床实验Steinhoff采用同种去细胞的心脏瓣膜种植自体成肌纤维细51Hoerstrup将体外种植、培养的瓣膜置换自体肺动脉瓣术后20周时新生瓣膜的机械特性和自体瓣膜相似,瓣膜的内皮细胞有增殖能力组织学检查发现植入的瓣膜结构与自体瓣膜相似组织工程瓣膜

动物及临床实验Hoerstrup将体外种植、培养的瓣膜置换自体肺动脉瓣52Dohmen应用体外构建的组织工程瓣膜植入施行Ross手术患者的肺动脉瓣3个月后心脏超声检查显示瓣膜功能良好1例于术后1年复查,其瓣膜功能优良,无瓣膜增厚或钙化组织工程瓣膜

动物及临床实验Dohmen应用体外构建的组织工程瓣组织工程瓣膜

53修复心肌的细胞移植

修复心肌的细胞移植54心力衰竭为临床常见的综合征传统的治疗方法均存在缺陷寻求一种新的更好的治疗手段已成为目前临床的迫切需求之一研究背景心力衰竭为临床常见的综合征寻求一种新的更好的治疗手段已成为目55

各种原因所致心力衰竭的共同特点是具有完全舒缩功能的心肌细胞数量减少

增加具有完善收缩功能的心肌细胞数目应该是有效地治疗心肌损伤的关键

细胞心肌移植，为修复心肌损伤开辟了一条全新的途径

研究背景各种原因所致心力衰竭的共同特点是具有完全舒缩研究背景56将某种来源的干细胞通过细胞移植的方法种植到病变区域，使其增生分化为心肌细胞，从而达到增加和恢复具有完善收缩功能心肌细胞的数目，逆转心肌重塑，改善心功能，防治心力衰竭的目的心肌细胞移植心肌细胞移植57肌源性细胞心肌细胞骨骼肌成肌细胞平滑肌细胞

非肌源性细胞成纤维细胞肝脏来源的干细胞血管内皮细胞

胚胎干细胞

骨髓多能干细胞骨髓造血干细胞骨髓基质细胞骨髓内皮祖细胞骨髓单个核细胞细胞来源细胞来源58移植方式

心外膜局部肌肉注射

心内膜局部肌肉注射外周静脉注射冠状动脉内注射冠状静脉窦内注射移植方式心外膜局部肌肉注射59SPECT细胞移植效果细胞移植前细胞移植后SPECT细胞移植效果细胞移植前细胞移植后60细胞移植作用的可能机制

分泌生长因子，促进侧枝循环形成，改善了心梗区灌注心肌细胞的凋亡减轻，受损心肌细胞得以修复长期存活使心梗区室壁弹性增加，减轻了心肌张力移植细胞直接参与收缩，改善心功能减少胶原沉积，限制瘢痕组织扩大细胞移植作用的可能机制分泌生长因子，促进侧枝循环形成，61需解决的问题

细胞来源的选择移植的指征移植时机方法及数目疗效的合理评价作用机制

需解决的问题细胞来源的选择62生物反应器是用来进行生物或/和生物化学反应的一种装置其内部环境及操作条件将受到严格控制和监测，如PH，温度，压力，营养供应和废物排出等生物反应器是组织工程产品从实验研究到大规模应用的关键生物反应器Bioreactor生物反应器是用来进行生物或/和生物化学反应生物反应器Bio63生物反应器已广泛应用于多个领域:工业发酵处理废水处理食品处理药物生产蛋白质重组（生长因子等）生物反应器已广泛应用于多个领域:64组织工程研究应用的生物反应器的类型A微控搅拌式反应器B壁旋转式反应器C中空纤维反应器D直接灌注式反应器E机械刺激生物反应器组织工程研究应用的生物反应器的类型A微控搅拌式反应器65Experimentalhollowfibrebioreactor

Experimentalhollowfibrebior66Prototypebi-axialrotating-bioreactorsystem

双轴旋转的生物反应器系统样机AssociateProfessorLowHongTonginSingaporePrototypebi-axialrotating-bi67Rotatingwallbioreactorinstrumentedwithprobestoquantifymasstransport.UKcentreRotatingwallbioreactorinstr68ITEMSBioReactor(IntelligentTissueEngineeringviaMechanicalStimulation)机械刺激智能生物反应器ITEMSBioReactor(Intelligent69组织工程讲座70组织工程讲座71组织工程讲座72ITEMS生物反应器的设计特征人性化外观特征

生物反应器设计紧凑，能置于中等大小的有利于控制温度，湿度和环境的孵化系统中生物反应室和动力泵由钛，不锈钢，树酯和玻璃构成，耐久性好独立装置设计减少污染，有利于实验在营养环境下进行反应腔为标准设计，支架旋转细胞种植，且不依赖刺激系统反应腔为高度透明设计，以利于构建物的直接观察，它还使得营养液在血管构建物内外分别流动ITEMS生物反应器的设计特征人性化外观73什么叫组织工程学心血管组织工程学种子细胞有哪些生物可降解材料有哪些目前组织工程血管要解决的主要问题组织工程瓣膜支架有哪些心肌细胞移植生物反应器（bioreactor)课程评价什么叫组织工程学课程评价74结语

组织工程学将为心血管疾病的治疗带来全新的机遇和挑战组织工程学研究正在加速发展组织工程学研究需要多学科人员通力合作组织工程学需要政府支持，加大投入结语组织工程学将为心血管疾病的治疗75心血管疾病

组织工程学中南大学湘雅二医院胸心外科湖南省心血管疾病研究所吴忠仕心血管疾病

组织工程学中南大学湘雅二医院胸心外科湖南省心血管76讲义提纲组织工程学基本概况组织工程血管研究组织工程瓣膜研究心肌细胞移植研究生物反应器讲义提纲组织工程学基本概况77组织工程学研究涉及到材料学、工程学、生物化学、分子生物学、细胞生物学、临床医学、伦理学等多学科交叉与结合组织工程组织工程学研究涉及到材料学、工程学、生物化学、组织工程78组织工程概况器官移植制造组织器官生物工程基因工程组织工程组织工程概况器官移植制造组生物工程基因工程组织工程79"Tissueengineeringistheapplicationoftheprinciplesandmethods

ofengineeringandthelifesciencetowardthefundamental

understandingofstructure-functionrelationshipsinnormaland

pathologicalmammaliantissueandthedevelopmentofbiological

substitutestorestore,maintainorimprovefunctions."

SkalakandFox(eds.),TissueEngineering,AlanLiss,1988

"Tissueengineeringisaninterdisciplinaryfieldthatappliestheprinciplesofengineeringandthelifesciencestowardthedevelopmentofbiologicalsubstitutesthatrestore,maintainorimprovetissuefunction."LangerandVacanti,Science260,1993组织工程定义"Tissueengineeringistheapp80"TheAgeof'TissueEngineering'isuponus.Aswearethrusttowardanewmillenniumsotooareourbeliefsthattheamalgamationofengineeringandmedicinewillresultinanexplosionofknowledgethatwillenhanceourunderstandingofdevelopmentalbiologyandculminateinanewerainmedicineenablingustorestorelosttissuefunction."MikosandVacanti,TissueEngineering1,1995Thegoaloftissueengineeringisto"restorefunctionthroughthedeliveryoflivingelementswhichbecomeintegratedintothepatient."VacantiandLanger,Lancet354,1999TissueEngineeringisalsooftenreferredtoas"regenerativemedicine"and/or"reparativemedicine".组织工程的定义"TheAgeof'TissueEngineerin81组织工程的基本要素组织工程的核心就是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组织工程的基本要素组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维82国外组织工程学研究Tepha公司和波士顿儿童医院获得美国商务部200万美元AdvancedTechnologyProgram研究基金，用于人工心血管组织的研制美国研制出人工心脏

英国：利用骨髓干细胞修复受损心肌

国外组织工程学研究Tepha公司和波士顿儿童医院获得美国商务83在美国，目前已经形成价值60亿美元的组织工程产业，并以每年25%的速度递增培育的骨骼、软骨、血管、皮肤以及神经组织正在进行体内实验再造的肝脏、胰脏、乳房、心脏、手指、角膜等正在实验室里生长成形

据估计全球组织工程及其技术衍生产品则约有1000亿美元的潜在市场可供开拓

国外组织工程学研究在美国，目前已经形成价值60亿美元的组织工程产业，并以每年84国内组织工程研究国内组织工程研究85国内组织工程研究我国开展组织工程研究的领先单位军事医学科学院基础医学研究所中科院化学所高分子物理与化学国家重点实验室中国医学科学院组织工程研究中心上海组织工程研究中心（“973”组织工程项目首席科学家曹谊林教授领衔）

上海第二医科大学附属第九人民医院整复外科

四川大学华西医院卫生部移植工程与移植免疫重点实验室组织工程研究室

重庆大学生物工程学院生物力学及组织工程教育部重点实验室

暨南大学生物医学工程研究所

复旦大学高分子科学系聚合物分子工程教育部重点实验室

国内组织工程研究我国开展组织工程研究的领先单位861，胚胎干细胞的培养、诱导分化及鉴定上海等地建立了人类胚胎干细胞和小鼠胚胎干细胞系，建立了诱导分化为成神经干细胞、成肌肉干细胞、成血管内皮干细胞等技术，为应用胚胎干细胞作为组织工程种子细胞的来源进行了开创性的工作2，骨髓间质干细胞的分离、纯化及定向分化诱导

北京和上海建立了成年骨髓基质干细胞作为组织工程种子细胞来源的成熟技术体系3，种子细胞功能老化规律和延缓老化的研究4，生物材料表面修饰及材料与细胞间亲和性改进的研究

5，生物降解高分子合成、降解速率调控及支架构筑研究6，组织工程中的生物力学问题

7，组织工程化组织构建研究

上海成功构建组织工程化骨、软骨、肌健、皮肤、角膜基质、血管组织中国的组织工程学研究进展

1，胚胎干细胞的培养、诱导分化及鉴定中国的组织工程学研究进展87成体干细胞——组织工程种子细胞的新来源干细胞的可塑性与干细胞移植的基础研究成体干细胞的可塑性与受损组织的功能材料外胚间充质干细胞在神经组织工程中的应用自体骨髓干细胞移植在下肢缺血中的应用组织工程种子细胞的大规模培养用于组织工程的生物反应器及实验装置细胞移植与人工血管生物化生物力学与组织工程组织工程的免疫学问题生物力学在功能化组织工程中的应用组织工程皮肤的产业化组织工程骨的产业化思路及组织工程肌腱的产业化思路开展心肌组织工程和胰岛移植研究提高我国心脏病和糖尿病整体治疗水平组织工程化周围神经移植体的研究牙再生相关问题研究国内组织工程研究成体干细胞——组织工程种子细胞的新来源国内组织工程研究88

组织工程血管组织工程瓣膜组织工程心肌重建

先天性心脏病冠状动脉疾病血管疾病瓣膜疾病心肌疾病心血管疾病组织工程学研究范围

组织工程血管先天性心脏病心血管疾病组织工程学研究89心脏瓣膜替代物生物瓣膜机械瓣膜心脏瓣膜替代物生物瓣膜机械瓣膜90血管替代物Dacron人工血管

膨体聚四氟乙烯（ePTFE）

自体血管

异体血管乳内血管大隐静脉异种血管同种血管

理想的血管移植物生物血管人工合成血管免疫，血栓，感染，钙化血管替代物Dacron人工血管膨体聚四氟乙烯（e91组织工程化血管研究组织工程化血管研究92动脉静脉

腔大，壁薄，管壁常塌陷中膜平滑肌和弹性组织不发达内弹性膜不明显或缺如部分静脉有静脉瓣内膜：单层扁平内皮细胞中层：SMC和胶原正常血管结构动脉静脉

腔大，壁薄，管壁常塌陷内膜：单层扁平内皮细胞正常血93血管细胞外基质成分胶原非胶原糖蛋白氨基聚糖蛋白聚糖弹性蛋白血管细胞外基质成分胶原94血管胶原Ⅰ，Ⅲ型胶原为主血管胶原Ⅰ，Ⅲ型胶原为主95纤粘连蛋白（FIBRONECTIN）

细胞与基质连接基质与基质连接在肽链中央的与细胞相结合的模块中存在RGD序列，是细胞表面某些整合素受体识别与结合的部位

纤粘连蛋白（FIBRONECTIN）细胞与基质连接在肽链中96氨基聚糖与蛋白聚糖在心血管基质中主要为硫酸软骨素硫酸皮肤素硫酸乙酰肝素氨基聚糖与蛋白聚糖在心血管基质中主要为97弹性蛋白（elastin)弹性蛋白（elastin)98组织工程化血管血管组织工程学的目的在体外构建理想的血管移植物具有高度的组织相容性可生长性可塑性无排异反应无血栓形成不易感染无免疫排异反应能维持管腔的长期通畅组织工程化血管血管组织工程学的目的99内皮化人工血管1986年Jarrell将获取的ECs接种于Dacron

1999年Deusch等将血管ECs种植于ePTFE上

ECs在材料上长期黏附和存活问题需进一步改进内皮化人工血管1986年Jarrell将获取的ECs接100以胶原为基础的组织工程血管研究

1986年Weinberg从动物体内分离得到的胶原制成管状网格支架在支架外套上Dacron网,再接种成纤维细胞向管内注入ECs悬液行旋转培养建成了类似的肌性动脉以胶原为基础的组织工程血管研究1986年Weinbe1011998年L′Heureux分别用血管SMCs和人皮肤FBs进行培养细胞和ECM融合成膜片状物将FBs膜片套在ePTFE多孔管轴外,裹上SMCs膜片;再裹上FBs膜片待管壁细胞和ECM成熟后,脱去ePTFE管轴最后在腔内接种ECs,培育出有生理活性的天然环层结构血管以细胞膜片技术为基础的血管移植物1998年L′Heureux分别用血管SMCs和人皮肤102该TEBV的优点为:有生理活性,可自我更新植入后的血管可自行适应体内环境感染率低,机体免疫反应小,远期通畅率高制作设备简单其缺点为:

制作周期长,需要3个月以上,临床应用不便缺乏足够的动物实验及临床观察的依据来判断其在体内的生物学行为管壁力学强度有待进一步提高该TEBV的优点为:103组织工程应用的可降解材料聚乳酸(polylacticacid，PLA)聚羟基乙酸(polygly-colicacid，PGA)两者的共聚物(PLA/PGA)聚4－羟基丁酸盐（P4HB）聚乙醇酸(PLLA)组织工程应用的可降解材料聚乳酸(polylacticacid104可吸收材料为支架的TEBV1998年,Shinoka以聚乙二醇酸(PGA)制成管状支架将羊血管细胞种植于支架上,置换相应长度的幼羊主肺动脉的11周后,支架结构完全消失,管壁内胶原蛋白含量相当于自体肺动脉的73%是一种具有生长、修复功能的活血管

该TEBV存在以下缺点:PGA的机械支撑力较弱,用于肺循环尚可,却难以耐受较高的体循环压力PGA过于僵硬,手术缝合性不佳可吸收材料为支架的TEBV1998年,Shinoka以105可吸收材料为支架的TEBV

1999年,Shum-Tim用羟化烷烃的聚合物(PHA)的双层管状支架构建了TEBV。内层以有孔的PGA网作为细胞载体,外层以无孔的PHA加强机械支撑作用,该TEBV的血管壁中胶原蛋白到3个月时占相应自体腹主动脉的25%,5个月时达99%,内层有平整的内皮细胞,中层有大量的弹力纤维生成可吸收材料为支架的TEBV1999年,Shum-T1062001年,Hoerstrup采用了一种新型可吸收的PGA/P4HB复合材料通过热焊接技术,制成管形支架采用动态培养.该TEBV达到了一定的抗张裂强度和缝合固持度,基本符合外科手术的要求2001年,Hoerstrup采用了一种新型可吸收的P107可吸收材料为支架的TEBV2003年,东京女子医科大学的Matsumura将骨髓干细胞(BMCs)作为细胞来源制成了TEBV,进行了22例临床实验,没有发生管道的血栓形成和狭窄以及因该项技术而导致的患者死亡可吸收材料为支架的TEBV2003年,东京女子医科大学的M108组织工程血管作为心外管道行全腔静脉肺动脉连接组织工程血管临床应用

组织工程血管作为心外管道行全腔静脉肺动脉连接组织工程血管临床109天然生物性材料来源于生物体可分为

大分子无结构材料如胶原胶、藻酸盐等

去细胞纤维组织材料脱细胞小肠粘膜下层基质脱细胞真皮基质脱细胞血管基质生物材料提供近似体内组织发生发育的ECM支架条件植入体内时无或只有极低的免疫排斥反应。血管相容性,顺应性、通畅率等都优于非天然生物性材料血管天然生物性材料为支架的TEBV天然生物性材料来源于生物体可分为天然生物性材料为支架的TEB110组织工程血管的发展方向血管组织工程学仍然处于实验探索阶段目前TEBV面临着巨大的挑战:机械强度和弹性:可以承受一定的肺循环压力,体循环压力难以承受远期通畅率:小口径(<6mm)TEBV的远期通畅率仍不理想TEBV的顺应性如何能更好的与临近受者血管相匹配组织工程血管的发展方向血管组织工程学仍然处于实验探索阶段目前111组织工程血管的发展方向种子细胞来源目前主要选用各种成熟的功能细胞再分化能力低培养生长慢难以保障功能的完整性胚胎干细胞或骨髓基质干细胞作为种子细胞是今后重要的发展方向组织工程血管的发展方向种子细胞来源目前主要选用各种成熟112组织工程血管支架/细胞外基质异种或同种血管组织（如去细胞的猪主动脉，BJVC）是常用的天然生物组织冻存的同种血管已用作冠脉搭桥管道，其缺点是通畅率差和容易形成动脉瘤天然生物组织人工高分子可吸收材料

PGA/P4HB复合材料组织工程血管的发展方向组织工程血管支架/细胞外基质异种或同种血管组织（如去细胞113细胞与细胞间信号传导细胞与ECM相互作用细胞生长同生长因子间的关系种子细胞的黏附、迁移、分化、生长研究生物反应器仿生条件的选择组织工程学三维培养技术的研究组织工程血管的发展方向组织工程学三维培养技术的研究组织工程血管的发展方向114组织工程心脏瓣膜组织工程心脏瓣膜115需要终身抗凝由于抗凝导致的出血,血栓和感染不能随人体的生长而生长或塑形较好的血流动力学特点抗感染能力相对较强无需抗凝潜在的免疫原性或鞣制剂抑制宿主自体细胞的生长，导致了生物瓣耐久性差机械瓣生物瓣人工瓣膜特点需要终身抗凝较好的血流动力学特点机械瓣生物瓣116组织工程瓣膜的构建组织工程瓣膜的构建117基本思路采用人工合成材料、同种或异种的脱细胞心脏瓣膜作为组织工程心脏瓣膜的支架/细胞外基质,通过将体外扩增的患者自体活细胞种植在瓣膜支架上,细胞能够牢固黏附、生长,使其具有正常瓣膜组织的新陈代谢功能,最后应用于置换病变的瓣膜,在体发挥类似于正常瓣膜的功能组织工程心脏瓣膜不仅从功能上发挥正常瓣膜的功能,而且在结构上类似于正常瓣膜,目前被喻为活体生物瓣克服目前所用两类人造心脏瓣膜的缺点,具有非常重要的临床应用前景基本思路采用人工合成材料、同种或异种的脱细胞心脏瓣膜作为组织118理想的瓣膜支架/基质材料须具备特征

良好的生物相容性良好的生物降解性具有三维多孔立体结构良好的可塑性和一定的机械强度良好的细胞-材料界面理想的瓣膜支架/基质材料须具备特征良好的生物相容性119基质材料

生物可降解高分子材料生物可降解高分子材料所制成的瓣膜支架可随着种植细胞外基质的形成,支架逐渐降解、重吸收,被新生瓣膜组织细胞取代,最终在瓣膜组织中不遗留任何异物,因此,它无疑是瓣膜支架的最好选择聚乳酸(polylacticacid，PLA)聚羟基乙酸(polygly-colicacid，PGA)两者的共聚物(PLA/PGA)聚4－羟基丁酸盐（P4HB）聚乙醇酸(PLLA)基质材料生物可降解高分子材料生物可降解高分子材料所制成的瓣120消除了抗原性和免疫原性保持正常瓣膜三维空间,纤维网络结构以及可能包含有细胞表面受体的特异性结合位点，有利于细胞种植和生长,并且有很好的抗张强度临床应用前景好脱细胞处理后的瓣膜支架优势消除了抗原性和免疫原性脱细胞处理后的瓣膜支架优势121种子细胞来源和种植目前实验研究所用的细胞来源动脉或静脉的血管内皮细胞血管或皮肤的成纤维细胞或平滑肌细胞骨髓基质干细胞脐带血干细胞骨髓基质干细胞应该是最有研究价值和临床价值的种子细胞来源先种植成纤维细胞细胞外基质增加种植内皮细胞种子细胞来源和种植目前实验研究所用的细胞来源先种植细胞外基122组织工程讲座123组织工程讲座124组织工程讲座125Steinhoff采用同种去细胞的心脏瓣膜种植自体成肌纤维细胞和内皮细胞

原位肺动脉带瓣管道移植的羊动物模型进行在体功能评价对照组显示瓣膜部分变性，没有瓣膜细胞间质间的重建组织工程瓣显示瓣膜组织的完全重建、内皮细胞充分融合覆盖组织工程瓣膜

动物及临床实验Steinhoff采用同种去细胞的心脏瓣膜种植自体成肌纤维细126Hoerstrup将体外种植、培养的瓣膜置换自体肺动脉瓣术后20周时新生瓣膜的机械特性和自体瓣膜相似,瓣膜的内皮细胞有增殖能力组织学检查发现植入的瓣膜结构与自体瓣膜相似组织工程瓣膜

动物及临床实验Hoerstrup将体外种植、培养的瓣膜置换自体肺动脉瓣127Dohmen应用体外构建的组织工程瓣膜植入施行Ross手术患者的肺动脉瓣3个月后心脏超声检查显示瓣膜功能良好1例于术后1年复查,其瓣膜功能优良,无瓣膜增厚或钙化组织工程瓣膜

动物及临床实验Dohmen应用体外构建的组织工程瓣组织工程瓣膜

128修复心肌的细胞移植

修复心肌的细胞移植129心力衰竭为临床常见的综合征传统的治疗方法均存在缺陷寻求一种新的更好的治疗手段已成为目前临床的迫切需求之一研究背景心力衰竭为临床常见的综合征寻求一种新的更好的治疗手段已成为目130

各种原因所致心力衰竭的共同特点是具有完全舒缩功能的心肌细胞数量减少

增加具有完善收缩功能的心肌细胞数目应该是有效地治