生物技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

生物技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用第1頁/共20頁

現(xiàn)代生物技術(shù)(biotechnology)是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物（或生物組織、細胞及其他組成部分）的特性和功能，設(shè)計、構(gòu)建具有預(yù)期性能的新物質(zhì)或新品系，以及與工程原理相結(jié)合，加工生產(chǎn)產(chǎn)品或提供服務(wù)的綜合性技術(shù)。

生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)被譽為21世紀(jì)的科學(xué)支柱,將影響著世界各國的政治、經(jīng)濟、文化。

生物技術(shù)不僅與人們的日常生活、工作、健康密切相關(guān)，也與國家的經(jīng)濟發(fā)展及安全密切相關(guān)，因此世界各國政府均十分重視生物技術(shù)的發(fā)展。我國政府成立了“國家生物技術(shù)研究開發(fā)與促進產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)導(dǎo)小組”，具體領(lǐng)導(dǎo)全國的生物技術(shù)研究、開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。第2頁/共20頁生物技術(shù)內(nèi)涵十分豐富，涉及到：

對生物的遺傳基因進行改造或重組，并使重組基因在細胞內(nèi)表達，產(chǎn)生人類需要的新物質(zhì)的基因技術(shù)，如“克隆技術(shù)”

；

利用生物細胞大量加工、制造產(chǎn)品的生物生產(chǎn)技術(shù)，如發(fā)酵；

在納米（即百萬分之一毫米）尺度上研究生物大分子精細結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，并對其結(jié)構(gòu)進行改造利用它們組裝分子設(shè)備的納米生物技術(shù)；

組織工程，器官工程，再生醫(yī)學(xué)等。一、組織工程學(xué)的誕生、定義、基本方法與研究內(nèi)容第3頁/共20頁生物技術(shù)涵蓋的領(lǐng)域以及可以應(yīng)用的領(lǐng)域：

(1)從分子水平層面上，包括基因工程、酶工程、發(fā)酵工程、生化工程、蛋白質(zhì)工程、代謝工程等；

(2)從細胞層面上，包括細胞工程；

(3)從其他層面上…...認識事物:從簡單到復(fù)雜?；A(chǔ)研究

(宏觀→微觀，遵循從簡單到復(fù)雜):

……人體→器官→組織→細胞或亞細胞→分子……應(yīng)用研究（微觀→宏觀，遵循從簡單到復(fù)雜）：……人體（？）←器官（如人工器官、器官工程）←組織（組織工程）

←細胞或亞細胞（細胞工程）←分子水平（包括基因工程、酶工程、發(fā)酵工程、生化工程、蛋白質(zhì)工程、代謝工程等）……第4頁/共20頁美國科學(xué)家RobertLanger與JosephPVacanti在80年代中期提出的“組織工程學(xué)”概念，是用在一種可生物降解的支架材料上種植人體活細胞，在生長因子作用下，再生成為組織的新技術(shù)。

組織工程學(xué)(tissueengineering)：應(yīng)用生命科學(xué)與工程學(xué)原理與技術(shù)，探討正常和病理組織的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，研制生物學(xué)替代物修復(fù)或重建組織器官的結(jié)構(gòu)，維持或改善組織器官功能的一門學(xué)科。

組織工程標(biāo)志著醫(yī)學(xué)將走出器官移植的范疇，步入預(yù)制、再生組織和器官的新時代。第5頁/共20頁基本方法：

將體外培養(yǎng)的高濃度組織細胞，擴增后吸附于一種生物相容性良好，并可被人體逐步降解、吸收的細胞外基質(zhì)上；然后將這種復(fù)合體植入機體病損部位，使其在降解、吸收過程中增生、繁殖，形成新的具有其原來特殊功能和形態(tài)的相應(yīng)組織和器官，達到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的，從而解決組織和器官缺損所致的功能障礙或喪失的治療問題。研究內(nèi)容：(1)種子細胞的分離培養(yǎng)；(2)生長因子等組織誘導(dǎo)因子的制備；(3)細胞外基質(zhì)替代物的研制；(4)組織工程化組織對各種病損組織的替代研究。

組織工程學(xué)涉及細胞生物學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)、生物化學(xué)、免疫學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、分子生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)及倫理學(xué)等多學(xué)科的交叉與滲透，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

第6頁/共20頁我國學(xué)者曹誼林(1997年)在人外耳形狀的支架材料上接種軟骨細胞，經(jīng)體外培養(yǎng)后植入裸鼠背部皮下，成功地再造了有精細三維結(jié)構(gòu)人耳廓外形的軟骨。

CaoYL，VacantiJP，PaigeKT，etal.Transplantationofchondrocytesutilizingapolymer-cellconstructtoproducetissue-engineeredcartilageintheshapeofahumanear.PlastReconstrSurg，1997，100(2):297-302.

人耳鼠的實驗流程：第7頁/共20頁二、組織工程化組織的臨床應(yīng)用實例

組織工程學(xué)的研究領(lǐng)域涉及多種哺乳動物的幾乎所有器官的不同組織（如皮膚、角膜、軟骨、血管、肌腱、骨等），組織工程產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始形成。

美國：1998年，組織工程皮膚是被FDA批準(zhǔn)的臨床應(yīng)用的第一個組織工程產(chǎn)品，其代表產(chǎn)品有Dermagraft和Apligraf。

Apligraf被FDA批準(zhǔn)用于臨床，是第一個含活細胞的真正意義的組織工程皮膚，以膠原為支架，在膠原的下層接種新生兒的成纖維細胞，在膠原的表層接種新生兒的表皮細胞，這種具有雙面細胞的組織工程皮膚用于治療靜脈性潰瘍。

Dermagraft也是一種含活細胞的組織工程皮膚，于治療糖尿病潰瘍，達到創(chuàng)面愈合。第8頁/共20頁國內(nèi)：陜西艾爾膚組織工程有限公司是第一家獲得組織工程皮膚生產(chǎn)批文。組織工程雙層皮膚產(chǎn)品是用組織工程方法對所取組織進行消化、分離成表皮細胞、成纖維細胞，并對其分別培養(yǎng)和擴增，達到一定細胞數(shù)量后重組形成雙層皮膚組織（包括表皮層及真皮層），這種皮膚產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)基本等同于人類的皮膚組織，包含可角化復(fù)層鱗狀上皮的表皮層和含成纖維細胞的真皮組織。用于皮膚燒傷、皮膚潰瘍、皮膚創(chuàng)傷和多種原因造成的皮膚缺損修復(fù)。第9頁/共20頁組織工程化皮膚需要改進之處：盡管目前已有許多組織工程化皮膚具有與正常皮膚相似的結(jié)構(gòu)及屏障功能，應(yīng)用于臨床取得了一定療效，但仍不具備完整的皮膚結(jié)構(gòu)，也遠非真正意義的皮膚功能重建，尤其是缺乏皮膚的附屬結(jié)構(gòu)和不具備皮膚的免疫功能。

下一個組織工程產(chǎn)品：角膜？軟骨？……..三、組織工程面臨的挑戰(zhàn)與干細胞進一步尋求防止種子細胞功能老化的方法、發(fā)掘新的細胞來源途徑、選擇更接近細胞生長微環(huán)境的支架材料以及探索增進工程化組織器官血管化的有效措施等，均是組織工程研究中亟待解決的重要問題。目前的研究熱點主要集中在干細胞的研究、基因轉(zhuǎn)染技術(shù)的應(yīng)用、生物材料的分子設(shè)計等方面。

近幾年干細胞研究最新進展。第10頁/共20頁近些年來，從事干細胞研究的科學(xué)家已經(jīng)試圖將一些正常的體細胞直接轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)多能性干細胞（induced

pluripotent

cells，簡稱iPCs），它們具有類似胚胎干細胞（ES）的功能。

2006年3月，日本京都大學(xué)的Shinya

Yamanaka領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在小鼠尾部細胞中插入一個四基因聯(lián)合體，成功得到了類胚胎干細胞。

2007年6月，Yamanaka和麻省理工學(xué)院Rudolf

Jaenisch以及哈佛大學(xué)Konrad

Hochedlinger領(lǐng)導(dǎo)的三項研究，改進了導(dǎo)入4種基因的載體以及iPCs的選擇標(biāo)記，并且證實了利用小鼠表皮細胞制得的iPCs確實是多能性的，具有分化成各種組織的潛力。第11頁/共20頁美日科學(xué)家利用人體皮膚細胞研制出類胚胎干細胞

這一重大突破避免了長期面臨的倫理爭議

2007年11月20日，美國和日本的兩個科學(xué)小組同時宣布，它們的研究人員成功地將人體皮膚細胞改造成了幾乎可以和胚胎干細胞相媲美的干細胞。這一成果有望使胚胎干細胞研究避開一直以來面臨的倫理爭議，從而大大推動與干細胞有關(guān)的疾病療法研究。該項研究突破分別發(fā)表在《細胞》和《科學(xué)》期刊網(wǎng)絡(luò)版上。

InducedPluripotentStemCellLinesDerivedfromHumanSomaticCells，

//20November2007/Page1/10.1126/science.1151526。第12頁/共20頁技術(shù)特征：

1.美日科學(xué)小組選擇的皮膚細胞組織有所不同。日本京都大學(xué)教授山中伸彌領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊選擇了來自一名36歲婦女的臉部細胞，美國威斯康辛大學(xué)俞君英領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊則使用了新生兒的包皮細胞。2.美日研究團隊的載體：均采用逆轉(zhuǎn)濾過性病毒。利用逆轉(zhuǎn)濾過性病毒將四個基因注入皮膚細胞內(nèi)，這些特定基因能啟動和關(guān)閉其他基因，最終產(chǎn)生出類似胚胎干細胞性能的細胞。這是繼5個月前科學(xué)家宣布成功將老鼠皮膚細胞變成類似胚胎干細胞后，美日研究團隊競相通過人類皮膚細胞獲得干細胞所取得的難分伯仲的重大成就。第13頁/共20頁

3.兩個小組選擇用于誘導(dǎo)皮膚細胞轉(zhuǎn)化成為類胚胎干細胞的基因有四種日本Yamanaka小組利用此前的4種基因副本——Oct4，Sox2，c-Myc和Klf4。研究人員表示，利用該技術(shù)，大約每5000個細胞就能制造一個iPC細胞系，這一高效率保證他們在每項實驗中都能得到數(shù)個細胞系。相關(guān)論文發(fā)表于《細胞》，已獲批專利。

來自威斯康辛的Thomson小組則獨自確定了14種新的候選重組基因。通過系統(tǒng)的排除過程，他們最終也使用了4個基因OCT4，SOX2，NANOG和LIN28，其中前兩個和Yamanaka小組是相同的。與Yamanaka小組相比，這項研究需要1萬個細胞才能分離出一個iPC細胞系，但對實驗而言已經(jīng)足夠了。該成果將發(fā)表在12月21日的《科學(xué)》。

誘導(dǎo)皮膚細胞轉(zhuǎn)化成為類胚胎干細胞的基因能對皮膚細胞本身的基因進行重新編排，從而制出具有類似胚胎干細胞的功能，能夠最終培育成人體組織或器官。第14頁/共20頁iPS細胞的存在問題：iPS細胞--即便是那些不用導(dǎo)入外源基因誘導(dǎo)的iPS--比對應(yīng)的胚胎干細胞的分化的效率和忠實度低。胚胎干細胞被認為是全能干細胞（能分化成人體全部220種細胞的細胞）的“金標(biāo)準(zhǔn)”。胚胎干細胞具有分化成機體所有細胞的“全能性”，而且增殖能力很強。與成人干細胞相比，其臨床應(yīng)用前景更為廣闊。干細胞“瘋長”會造成癌癥？胚胎干細胞強大的自我更新能力和全能分化能力，也會造成移植后的“致瘤性”。如何控制移植后胚胎干細胞的增殖和分化，是保證臨床用藥安全的關(guān)鍵。第15頁/共20頁

材料科學(xué)的發(fā)展是組織工程的必要條件，也是組織工程學(xué)研究的一個重點內(nèi)容。適用于做組織工程的支架材料或細胞載體應(yīng)具有：①良好的生物相容性；②可制備成三維立體結(jié)構(gòu)，具有多孔性和高孔隙率，內(nèi)表面積大，既有利于細胞的貼附和長入，又有利于營養(yǎng)成份的滲入和代謝產(chǎn)物的排出；③生物可降解性：材料應(yīng)是可被吸收的，在組織形成過程中逐漸分解，而不影響新生組織的結(jié)構(gòu)和功能；④良好的表面活性：有利于細胞貼附，并為細胞在其表面生長、增殖和分泌基質(zhì)提供良好的微環(huán)境；⑤

可塑性:便于加工成所需的形狀，并有一定的機械強度，在植入體內(nèi)后的一定時間內(nèi)仍可保持其形狀，從而使新形成的組織具有所需的外形等。第16頁/共20頁研究方向及其相關(guān)文獻：1.

分子生物學(xué)在生物材料評價研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀。2.生物技術(shù)的綜合應(yīng)用促進組織工程學(xué)發(fā)展（涉及骨修復(fù)）。3.組織工程中藥物控制釋放技術(shù)的應(yīng)用研究。4.組織工程生物反應(yīng)器的生物力學(xué)。第17頁/共20頁人工器官：