1組織工程及再生醫(yī)學(xué)基本概念及應(yīng)用范圍劉偉上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整形外科上海市組織工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組織工程國家工程中心再生醫(yī)學(xué)定義再生醫(yī)學(xué)是研究組織再生的一門科學(xué)。再生醫(yī)學(xué)是指通過研究集體正常組織特征與功能、受創(chuàng)傷后修復(fù)與再生機(jī)制及干細(xì)胞分化基質(zhì)，尋找有效的生物治療方法，促進(jìn)機(jī)體自我修復(fù)與再生，或構(gòu)建出新的組織與器官，以改善或恢復(fù)損傷組織和器官功能的科學(xué)。再生醫(yī)學(xué)也被認(rèn)為是利用生物學(xué)及工程學(xué)的理論和方法，創(chuàng)造出丟失或功能損害的組織和器官，使其具備正常組織和器官的結(jié)構(gòu)和功能。再生醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域包括組織工程、干細(xì)胞/細(xì)胞治療、基因治療、生長因子和小分子藥物等領(lǐng)域組織器官的損傷修復(fù)Resection(切除）

Repair(修復(fù)）Replacement(替代）Regeneration（再生）再生的理念（普羅米修斯肝臟再生）人體組織具有再生能力肝臟是特殊的組織部分切除后具有全部再生的能力低等動(dòng)物具有再生能力

成體哺乳類動(dòng)物無再生能力再生的理念(蠑螈肢體再生)低等動(dòng)物組織再生現(xiàn)象海星的再生：當(dāng)海星的一條腿和部分中間組織被切斷，兩部分都能夠發(fā)育成為獨(dú)立的海星。這種現(xiàn)象叫做組織再生，在許多動(dòng)物中都存在。個(gè)別成體哺乳動(dòng)物具有

組織再生能力SkinregenerationinadultMRLmiceClinImmunolImmunopathol.1998Jul;88(1):35-45.MLR=MurphyRothsLarge(mousestrain).HeartregenerationinadultMRLmicePNAS,2001;98(17):9830-5.HeartregenerationinadultMRLmicePNAS,2001;98(17):9830-5.HeartregenerationinadultMRLmicePNAS,2001;98(17):9830-5.“奇跡老鼠”的再生能力由大約7種基因控制組織再生的機(jī)制是什么？再生的生物學(xué)機(jī)制一、代償性增生已分化細(xì)胞的增殖以重新生成新的組織肝臟：肝細(xì)胞具有強(qiáng)大的增殖能力，最多可以達(dá)到70次切除后通過多種因子啟動(dòng)有絲分裂激活相關(guān)信號通路分裂增殖恢復(fù)體積和功能胰腺、肌腱、韌帶等都存在這種代償性增生。二、成體干細(xì)胞活化不對稱分裂多向分化上皮干細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞造血干細(xì)胞肌肉干細(xì)胞內(nèi)皮干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞。三、去分化已經(jīng)分化的細(xì)胞失去表型特征轉(zhuǎn)變?yōu)槌审w干細(xì)胞并進(jìn)一步增殖、分化以替代損傷組織。常見于低等脊椎動(dòng)物再生中，如兩棲動(dòng)物和魚類的鰭、觸須、心臟、脊髓、肢體等的再生。自然狀況下哺乳動(dòng)物不存在去分化現(xiàn)象DedifferentiationofcommittedepithelialcellsintostemcellsinvivoNature.2013November14;503(7475):218–223DedifferentiationofcommittedepithelialcellsintostemcellsinvivoNature.2013November14;503(7475):218–223組織再生模式新建再生（epimorphosis）干細(xì)胞或祖細(xì)胞的增殖分化修復(fù)或重新形成丟失的身體部分的一種再生模式變形再生（morphallaxis）通過剩余組織重新構(gòu)建形成一個(gè)較小的整體，然后生長成為原有大小的再生過程。再生發(fā)生的生物學(xué)水平組織再生的內(nèi)源性因素誘導(dǎo)信號誘導(dǎo)信號調(diào)節(jié)了細(xì)胞的增殖和分化生長因子、細(xì)胞因子內(nèi)分泌、旁分泌和自分泌等方式發(fā)揮作用再生細(xì)胞通過細(xì)胞增殖、分化、分泌基質(zhì)和重塑，再生組織細(xì)胞外基質(zhì)（ECM)提供細(xì)胞所需的微環(huán)境，支持細(xì)胞的遷移等功能發(fā)揮，也可通過ECM成分來影響細(xì)胞的功能組織再生中的重要信號轉(zhuǎn)到分子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與胚胎發(fā)育過程基本相似Notch，Wnt，Hedgehog，RTK，TGF-β，JAK/STAT等干細(xì)胞未分化狀態(tài)和多分化潛能的維持、自我更新、細(xì)胞增殖、分化以及胚胎發(fā)育Oct-4，Sox2，nanog影響再生的因素全身因素年齡、全身性疾病、神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)以及藥物治療情況局部因素創(chuàng)傷局部的異物、血腫、感染、血供障礙、壞死組織、局部用藥等也是影響再生的關(guān)鍵因素。損傷局部釋放的抑制因子是阻止再生的重要環(huán)節(jié)，如中樞神經(jīng)再生抑制因子：Nogo，MAG,OMgp環(huán)境因素缺氧、高溫組織再生的策略再生醫(yī)學(xué)的研究策略基礎(chǔ)研究發(fā)育生物學(xué)，干細(xì)胞，基因調(diào)控干預(yù)性研究組織工程，干細(xì)胞，再生生物材料、基因治療激發(fā)或擴(kuò)大再生潛能的研究生長因子，信號轉(zhuǎn)到因子，傳統(tǒng)中藥，免疫治療再生醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域及應(yīng)用范圍發(fā)育生物學(xué)胚胎發(fā)育早期組織具有再生能力胎兒外科實(shí)驗(yàn)外科PlastReconstrSurg.1992Nov;90(5):750-6.胎兒實(shí)驗(yàn)外科PlastReconstrSurg.1992Nov;90(5):750-6.胎兒臨床外科胎兒臨床外科Bing圖片胚胎發(fā)育早期組織具有再生能力

為什么？人體發(fā)生發(fā)育：精密調(diào)控的過程無數(shù)的精子競爭進(jìn)入卵子內(nèi)只有一個(gè)精子競爭進(jìn)入卵子內(nèi)人體發(fā)生發(fā)育：精密調(diào)控的過程人體發(fā)生發(fā)育：精密調(diào)控的過程形成囊胚著床子宮內(nèi)膜人體發(fā)生發(fā)育：精密調(diào)控的過程8周胎兒人體發(fā)生發(fā)育：精密調(diào)控的過程4個(gè)半月的胎兒（發(fā)育前1/3具有再生的能力）機(jī)理？仍舊是個(gè)黑箱推測細(xì)胞的全息到特殊化細(xì)胞功能的全塑性到專一性基因逐步關(guān)閉的過程？？全能干細(xì)胞在發(fā)育中的作用Google圖片治療性克隆技術(shù)或體細(xì)胞核移植技術(shù)

Therapeuticcloning,orsomatic-cellnucleartransfer(SCNT)Google圖片Nat2013；497克隆人ESC克隆多利羊ESCclinicaltrials英國克隆技術(shù)專利、曾經(jīng)克隆出多利羊的生物制藥公司GeronCorp在今年1月宣布，美國FDA批準(zhǔn)了全球首宗人類胚胎干細(xì)胞臨床試驗(yàn)。然而，到現(xiàn)在為止，Geron公司的臨床Ⅰ期試驗(yàn)至今沒有開展，F(xiàn)DA目前暫時(shí)停止Geron公司臨床試驗(yàn)體細(xì)胞重編程釋放原始細(xì)胞的再生能力核移植克隆羊?qū)Ｒ环只某审w細(xì)胞仍然含有所后組織再生和發(fā)育的信息建立具有再生能力的細(xì)胞核移植的胚胎干細(xì)胞含病人遺傳信息誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS）重編程體細(xì)胞核將成熟細(xì)胞去分化到最原始的多能干細(xì)胞InducedPluripotentStemCells

(iPS,全能干細(xì)胞）R&D網(wǎng)站Dr.Yamanaka,京都大學(xué)教授，2013年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)全能干細(xì)胞Cell126,663–676,August25,2006全能干細(xì)胞Cell126,663–676,August25,2006發(fā)育生物學(xué)在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用建立具有再生能力的全能干細(xì)胞闡明組織和器官發(fā)育過程中的關(guān)鍵調(diào)控因子和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，并加以模擬和應(yīng)用模擬胚胎發(fā)育來構(gòu)建器官模擬胚胎發(fā)育生物學(xué)再生胰島細(xì)胞Threetranscriptionfactors:Ngn3,Pdx1andMafa胰島發(fā)育的關(guān)鍵基因模擬胚胎發(fā)育生物學(xué)再生胰島細(xì)胞科學(xué)設(shè)想能夠通過導(dǎo)入這三個(gè)基因?qū)⑼夥置谙偌?xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)分泌腺細(xì)胞模擬胚胎發(fā)育生物學(xué)再生胰島細(xì)胞模擬胚胎發(fā)育生物學(xué)再生胰島細(xì)胞DouglasA.Melton哈佛大學(xué)教授哈佛干細(xì)胞研究所co-chair生物學(xué)學(xué)士藝術(shù)學(xué)士：科學(xué)史和哲學(xué)史專業(yè)生物學(xué)博士部分重編程策略再生組織模擬胚胎發(fā)育來構(gòu)建器官‘‘OrganNiche’’and‘‘DevelopmentalCompensation:’’臟器關(guān)鍵基因敲除建立器官缺陷小鼠“organniche”WTES細(xì)胞（含臟器發(fā)育基因）部分替換內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞替換后的胚胎植入假孕小鼠，形成特殊的器官模擬胚胎發(fā)育來構(gòu)建器官Cell2010;142:787–799模擬胚胎發(fā)育來構(gòu)建器官Cell2010;142:787–799模擬胚胎發(fā)育來構(gòu)建器官CellStemCell15,October2,2014再生醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域及應(yīng)用范圍免疫與炎癥免疫系統(tǒng)傳統(tǒng)概念中是用來抵抗病原體侵入近來研究顯示其在組織發(fā)育、維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、創(chuàng)傷愈合及組織再生中起著關(guān)鍵的作用兩棲類動(dòng)物缺乏完整的免疫系統(tǒng)哺乳動(dòng)物發(fā)育早期免疫系統(tǒng)不成熟，是其具有再生的重要機(jī)制之一免疫與再生“免疫”干擾了再生。在生物體的系統(tǒng)發(fā)育過程中，獲得性免疫的進(jìn)化、發(fā)展與再生能力的逐漸喪失存在一定關(guān)系。大量的研究證實(shí)：哺乳動(dòng)物表現(xiàn)出高度發(fā)育、進(jìn)化的獲得性免疫和相對極弱的再生能力；而獲得性免疫發(fā)育較差的脊椎動(dòng)物，例如硬骨魚、無尾動(dòng)物的幼蟲以及泄殖腔的兩棲動(dòng)物對損傷的反應(yīng)，表現(xiàn)為微弱的炎癥反應(yīng)（免疫反應(yīng)）和強(qiáng)大的組織/器官再生能力。例如，蠑螈或兩棲動(dòng)物，具有完全再生能力，與這類低等動(dòng)物相比，哺乳動(dòng)物的再生能力明顯下降。免疫與再生CellStemCell15,July3,2014免疫系統(tǒng)在組織再生中的作用CellStemCell15,July3,2014清除異物，激活祖細(xì)胞/干細(xì)胞功能免疫系統(tǒng)在組織再生中的作用CellStemCell15,July3,2014免疫調(diào)控；促進(jìn)血管化免疫系統(tǒng)在組織再生中的作用CellStemCell15,July3,2014免疫系統(tǒng)在組織再生中的作用JClinInvest,Volume124Number3March2014免疫系統(tǒng)在組織再生中的作用JClinInvest,Volume124Number3March2014免疫系統(tǒng)在組織再生中的作用JClinInvest,Volume124Number3March2014再生醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域及應(yīng)用范圍生長因子生長因子為可溶性生物因子，在細(xì)胞功能發(fā)揮中起著重要的調(diào)節(jié)作用。這些細(xì)胞功能在組織再生中起著重要的作用添加生長因子便可以人為放大機(jī)體自身的再生能力從而達(dá)到組織再生和修復(fù)的目的生長因子J.R.Soc.Interface(2011)8,153–170化學(xué)連接方法將生長因子與支架材料相結(jié)合物理包裹并可控的緩釋根據(jù)環(huán)境因子擇時(shí)釋放：因子促發(fā)的包裹材料降解pH值、溫度、酶、離子或藥物生長因子再生組織策略J.R.Soc.Interface(2011)8,153–170J.R.Soc.Interface(2011)8,153–170J.R.Soc.Interface(2011)8,153–170StrykerBMPproductforboneregenerationbing圖片再生醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域及應(yīng)用范圍細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)NotchWntHedgehogRTKJAK/STAT重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子細(xì)胞功能維持的必要手段參與組織發(fā)育過程參與再生過程中的細(xì)胞增殖、分化、組織代償和纖維化等過程參與對組織損傷的反應(yīng)生物活性因子發(fā)揮功能的重要途徑多個(gè)下游分子目標(biāo)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)DOI10.1186/s13619-015-0017-8Wnt信號通路重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子過表達(dá)Wnt7a促進(jìn)毛發(fā)再生2007|doi:10.1038/nature05766再生醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域及應(yīng)用范圍基因轉(zhuǎn)導(dǎo)/治療通過轉(zhuǎn)基因?qū)朐偕蜃又鼐幊碳?xì)胞轉(zhuǎn)入PDGF基因促進(jìn)骨再生模擬胚胎發(fā)育生物學(xué)再生胰島細(xì)胞通過腺病毒載體體內(nèi)轉(zhuǎn)入重編程轉(zhuǎn)基因再生醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域及應(yīng)用范圍（干）細(xì)胞治療細(xì)胞治療細(xì)胞治療替換丟失的細(xì)胞輸血皮膚細(xì)胞移植等干細(xì)胞治療全能干細(xì)胞治療：胚胎干細(xì)胞，iPS細(xì)胞成體干細(xì)胞涉及幾乎所有的系統(tǒng)造血系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)心血管系統(tǒng)骨骼肌肉系統(tǒng)皮膚Recell

技術(shù)修復(fù)創(chuàng)面Recell

技術(shù)修復(fù)創(chuàng)面Recell

技術(shù)修復(fù)創(chuàng)面脂肪干細(xì)胞治療脂肪抽吸HE染色

ADSC體外分離培養(yǎng)成體干細(xì)胞-脂肪干細(xì)胞脂肪干細(xì)胞應(yīng)用Noprevioussurgery,earlyfacialagingProcedure:StemcellFacelift,Minilift,UpperEyelidBlepharoplasty,PhinoplastyNoprevioussurgery,facialmidfaceatrophyProcedure:StemcellFaceliftandofficeMinilift-1yearpostopPreviousfacelift15yrsagoProcedure:StemCellFacelift-postop3yrs再生醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域及應(yīng)用范圍組織工程學(xué)組織工程研究先驅(qū)RobertLangerJosephVacantiTissueengineeringprinciples

CARTILAGEPOLYMERSCAFFOLDCELLSCELL—POLYMERBONELIVERINTESTINEURETERLangerRandVacantiJP.TissueEngineeringScience.1993;260:920-926Tissueengineeredcartilageinthesharpofhumanear裸鼠模型的人耳軟骨構(gòu)建組織工程基本概念Thebasicconceptoftissueengineeringincludesascaffoldthatprovidesanarchitectureonwhichseededcellscanorganizeanddevelopintothedesiredorganortissuepriortoimplantation.Thescaffoldprovidesaninitialbiomechanicalprofileforthereplacementtissueuntilthecellsproduceanadequateextracellularmatrix.Duringtheformation,deposition,andorganizationofthenewlygeneratedmatrix,thescaffoldiseitherdegradedormetabolized,eventuallyleavingavitalorganortissuethatrestores,maintains,orimprovestissuefunction.StockUA,VacantiJP.Tissueengineering:currentstateandprospects.AnnuRevMed.2001,52:443-451.組織工程基本概念組織工程軟骨構(gòu)建實(shí)例

種子細(xì)胞獲取和體外擴(kuò)增支架材料準(zhǔn)備和種子細(xì)胞接種組織工程軟骨構(gòu)建實(shí)例

體外培養(yǎng)8周形成組織工程軟骨組織工程軟骨構(gòu)建實(shí)例

組織工程三大組成部分種子細(xì)胞（留待專題老師介紹）成熟分化細(xì)胞干細(xì)胞支架材料合成材料天然材料組織構(gòu)建及組織形成微環(huán)境體外構(gòu)建及生物反應(yīng)器體內(nèi)構(gòu)建及組織形成誘導(dǎo)因素MajortopicsIntroductionandbasicconceptResearchareasintissueengineeringRecentprogressintissueengineeringandrepair支架材料天然支架材料膠原、明膠、糖胺聚糖、纖維蛋白、殼聚糖、海藻酸鹽等合成支架材料聚α-羥基酸聚羥基乙酸（PGA)和聚乳酸(PLA）聚β-羥基丁酸(PHB）聚ε-己內(nèi)酯（PCL）聚乙二醇（PEG）支架材料的作用給接種的種子細(xì)胞提供一個(gè)三維空間，以利于營養(yǎng)滲透、代謝產(chǎn)物排出。隨著接種在其之上的種子細(xì)胞不斷擴(kuò)增、分泌和沉積細(xì)胞外基質(zhì)以及支架材料逐步降解，形成初始的組織工程化組織，并經(jīng)過后續(xù)組織的重塑和改建，最終形成功能性的組織或器官。支架材料的基本要求良好的生物相容性合適的生物降解性三維多孔結(jié)構(gòu)良好的可塑性和力學(xué)性能合適的材料表面特性用于細(xì)胞-材料間的相互作用容易制備容易消毒Decellularmatrix(脫細(xì)胞基質(zhì)）

脫細(xì)胞真皮組織修復(fù)腹壁組織缺損Plast.Reconstr.Surg.116:1263,2005合成PGA纖維支架材料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)組織羥乙酸聚合物生產(chǎn)GMP基地PGA紡絲GMP車間與設(shè)備PGA纖維質(zhì)檢車間與設(shè)備長纖維短紡棉PGA支架纖維自產(chǎn)PGA纖維及支架PGA產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)長纖維可以用于編織成不同結(jié)構(gòu)支架紡絲機(jī)和編織機(jī)編織的組織工程肌腱支架材料三維支架組織工程支架材料生產(chǎn)GMP基地支架材料三維打印系統(tǒng)DingC,QiaoZ,JiangW,LiH,WeiJ,ZhouG,DaiK.Biomaterials.2013;34:6706-16.三維支架組織工程支架材料生產(chǎn)GMP基地支架材料三維打印系統(tǒng)DingC,QiaoZ,JiangW,LiH,WeiJ,ZhouG,DaiK.Biomaterials.2013;34:6706-16.納米纖維材料組織構(gòu)建體內(nèi)構(gòu)建骨軟骨皮膚肌腱神經(jīng)體外構(gòu)建軟骨皮膚肌腱血管組織構(gòu)建體內(nèi)構(gòu)建骨軟骨皮膚肌腱神經(jīng)體外構(gòu)建軟骨皮膚肌腱血管體內(nèi)構(gòu)建組織工程骨修復(fù)顱骨缺損TissueEng,2003;9(Sup1):S17-31體內(nèi)構(gòu)建組織工程骨修復(fù)牙槽骨缺損TissueEng,2003;9(Sup1):S17-31體內(nèi)構(gòu)建組織工程軟骨修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損TissueEng,2003;9(Sup1):S17-31體內(nèi)修復(fù)關(guān)半月板體內(nèi)修復(fù)肌腱體內(nèi)構(gòu)建組織工程皮膚修復(fù)全層創(chuàng)面損TissueEng,2003;9(Sup1):S17-31體內(nèi)構(gòu)建組織工程角膜修復(fù)角膜基質(zhì)和表層TissueEng,2003;9(Sup1):S17-31體內(nèi)構(gòu)建組織工程血管構(gòu)建TissueEng,2003;9(Sup1):S17-31體外軟骨構(gòu)建體外肌腱構(gòu)建體外血管構(gòu)建組織工程骨臨床應(yīng)用治療策略BMSCBonemarrowExpansion

inductionMixwithscaffoldRepairdefectCranialbonedefectTypicalcaseApplicationof3-DprintingintherepairofcomplicatedcranialbonedefectFronto-orbitalcomplexbonedefect組織工程表皮的臨床應(yīng)用Plast.Reconstr.Surg.2010Tissueengineeredvessel

clinicaltrialsNEngJMed,2007;357;14：1451Tissueengineeredcornea

clinicaltrialsNEnglJMed351;12,2004組織工程器官構(gòu)建及

臨床應(yīng)用胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)心肌細(xì)胞及體內(nèi)回植Nature.2014Apr30Humanembryonic-stem-cell-derivedcardiomyocytesregeneratenon-humanprimatehearts器官再生組織工程心臟構(gòu)建Generatinga“beatingheart”byperf