血管組織工程

關(guān)于血管組織工程

目錄

1緒論

2支架材料

3種子細(xì)胞

4生長因子的引入

5生物反應(yīng)器

6展望第2頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

1、緒論

組織工程學(xué)（tissueengineering）是一門工程學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合的邊緣科學(xué)，是在體外構(gòu)建具有生物活性的生物替代物，用于替代、修復(fù)或改善人體各種組織器官形態(tài)和功能。基本原理：種子細(xì)胞生物反應(yīng)器

細(xì)胞-生物材料復(fù)合物植入人體

支架材料

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組織工程化血管是利用組織工程學(xué)方法，用血管種子細(xì)胞(內(nèi)皮細(xì)胞，平滑肌細(xì)胞)與相關(guān)細(xì)胞外基質(zhì)(支架材料)復(fù)合，以構(gòu)建從形態(tài)到功能都接近活體血管的組織工程化血管。

第4頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

組織工程血管應(yīng)具備以下條件：具有或模擬體內(nèi)血管壁三層結(jié)構(gòu)具有生物相容性，不易產(chǎn)生血栓，不易發(fā)生免疫排斥反應(yīng)具有生物學(xué)特性，如對藥物刺激有收縮性具有血管的力學(xué)特性，即有粘彈性并能承受一定的壓力第5頁,共47頁，2024年2月25日，星期天1986年，WeinbergCB等最早應(yīng)用自體來源的平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)建了復(fù)合的組織工程化血管，但血管強(qiáng)度無法滿足回植要求L’heureux等人在vitaminC存在條件下,通過培養(yǎng)間充質(zhì)細(xì)胞(平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞)提高了移植物的機(jī)械強(qiáng)度,構(gòu)建了一個具有類似生理血管的脫細(xì)胞基質(zhì)(脫細(xì)胞基質(zhì)是成人皮膚的脫水產(chǎn)物)。第6頁,共47頁，2024年2月25日，星期天Nikalson等在血流條件下在聚合物管道上構(gòu)建血管Niklason等注意到在類似活體內(nèi)或者能夠經(jīng)歷自然形成階段等外環(huán)境條件下能夠更好的形成血管移植物第7頁,共47頁，2024年2月25日，星期天Hemothes膨體聚四氟乙烯人工血管

第8頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

2、支架材料

天然材料

支架材料人工合成材料復(fù)合材料第10頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

2.1

天然材料

天然生物降解材料是指來源于動植物或人體內(nèi)天然存在的可生物降解的大分子。應(yīng)用于組織工程血管研究的天然生物材料包括甲殼素、葡聚糖明膠、膠原蛋白、彈性蛋白、多聚氨基酸、多肽、透明質(zhì)酸及其復(fù)合物、某些組織的脫細(xì)胞基質(zhì)等。第11頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

優(yōu)點(diǎn)本身包含許多生物信息，能夠提供細(xì)胞所需的信號與細(xì)胞親和性強(qiáng)，能為細(xì)胞提供近似體內(nèi)的發(fā)生發(fā)育的細(xì)胞外基質(zhì)支架條件，能使細(xì)胞聚集成組織，控制組織結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)細(xì)胞表型極低的免疫排斥反應(yīng)，良好的順應(yīng)性第12頁,共47頁，2024年2月25日，星期天現(xiàn)在應(yīng)用較多的脫細(xì)胞血管基質(zhì)材料均富含膠原，保持著膠原纖維、彈性蛋白等結(jié)構(gòu)蛋白的構(gòu)象和原有的排列分布，力學(xué)性能及強(qiáng)度與脫細(xì)胞前相似。膠原支架用碳-二酰亞氨交聯(lián)后，抗降解能力增強(qiáng)。種植成纖維細(xì)胞時細(xì)胞黏附、增殖能力強(qiáng)。第13頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

脫細(xì)胞基質(zhì)支架材料

動物體內(nèi)多種纖維組織（心包膜、筋膜等）內(nèi)臟平滑肌器官

小腸黏膜下層(smallintestinalsubmucosa,SIS)第14頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

2.2人工合成高分子生物材料優(yōu)點(diǎn)

可預(yù)先設(shè)計和調(diào)控，降解完全，可避免異物刺激所引起的不良反應(yīng)生產(chǎn)重復(fù)性好，可大批量生產(chǎn)

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缺點(diǎn)缺乏生物信號和功能基團(tuán)，與種子細(xì)胞的黏附性較差

在材料降解過程中，會產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，對局部會產(chǎn)生一定的影響第17頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

血管組織工程應(yīng)用的人工合成可降解材料有聚羥基乙酸(PGA),聚乳酸(PLA),聚L-乳酸(PLLA)及上述材料的共聚物(PLGA),聚羥基烷酸酯(PHA)、聚-4-羥基丁酸(P4HB)等。其中作為血管支架材料應(yīng)用最多的是PGA和PLGA。第18頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

PGA的吸收和代謝機(jī)制已經(jīng)明確并具有可靠的生物安全性，但PGA降解速度過快

最典型的共聚物是羥基乙酸(GA)和乳酸(LA)形成的無規(guī)則共聚物-聚乳酸聚羥基乙酸(PLGA)。PLGA共聚物的降解速度可根據(jù)需要通過調(diào)整兩種單體的比例來加以控制。第19頁,共47頁，2024年2月25日，星期天PGA血管支架（膠原包埋）第20頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

聚乳酸(PLA)

優(yōu)點(diǎn)：無毒害作用缺點(diǎn)：缺乏良好細(xì)胞親和性能聚?-己內(nèi)酯(PCL)

具有良好的親水性第21頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

2.3

復(fù)合材料人工合成材料的優(yōu)點(diǎn)是它們的強(qiáng)度、降解速度、微結(jié)構(gòu)和滲透性均可在生產(chǎn)過程中進(jìn)行控制天然材料的優(yōu)點(diǎn)則在于包含有生物信息(如特殊的氨基酸序列)，可促進(jìn)細(xì)胞吸附或使細(xì)胞保留分化功能通過合成材料與天然可降解高分子材料復(fù)合，可以在保持支架材料的力學(xué)強(qiáng)度及降解行為不變的前提下，獲得具有生物活性的表面第22頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3

種子細(xì)胞

正常的血管壁有內(nèi)膜、中膜、外膜構(gòu)成。內(nèi)皮細(xì)胞（單層）內(nèi)膜內(nèi)皮下層

平滑肌細(xì)胞（多層環(huán)形排列）中膜細(xì)胞外基質(zhì)

外層疏松結(jié)締組織

第23頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞是血管的重要組成成分，因此是組織工程化血管種子細(xì)胞的主要研究內(nèi)容目前用于構(gòu)建組織工程血管的種子細(xì)胞主要分自體血管壁細(xì)胞和干細(xì)胞兩大類第24頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.1

自體血管壁細(xì)胞3.1.1靜脈內(nèi)皮細(xì)胞從體內(nèi)非必須血管或者人臍靜脈內(nèi)皮，一般采用酶消化法靜脈內(nèi)皮獲取的方法已經(jīng)成熟，但是在體外培養(yǎng)中容易老化，表型和功能容易丟失，細(xì)胞增殖能力和活性等因人而異，而且，體外培養(yǎng)擴(kuò)增的時間較長，難以達(dá)到血管構(gòu)建種子細(xì)胞的要求第25頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

3.1.2

血管平滑肌細(xì)胞

取材時損傷較大傷口容易感染獲得的細(xì)胞在體外培養(yǎng)下容易喪失平滑肌細(xì)胞表型容易衰老第26頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.2干細(xì)胞（Stemcells）

干細(xì)胞具有能自我復(fù)制、多向分化的潛能，且增殖能力強(qiáng)，具有穩(wěn)定傳代的功能。因此成為理想的組織工程種子細(xì)胞。

胚胎干細(xì)胞干細(xì)胞內(nèi)皮祖細(xì)胞成體干細(xì)胞

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞第27頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.2.1胚胎干細(xì)胞（Embryostemcells,ESCs）

胚胎干細(xì)胞存在于哺乳動物發(fā)育的早期，是指由胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞經(jīng)體外抑制培養(yǎng)而篩選出的細(xì)胞具有“發(fā)育全能性”，還具有持續(xù)增殖而不分化的能力

第29頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.2.2

成體干細(xì)胞成體干細(xì)胞按照其來源和分化方向的不同可以分為造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、內(nèi)皮祖細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、表皮干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞等，適用于組織工程血管構(gòu)建的有內(nèi)皮祖細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞

自體移植的成體干細(xì)胞可以避免免疫排斥的問題，分離使用成體干細(xì)胞不存在倫理社會問題第30頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.2.2.1

內(nèi)皮祖細(xì)胞(EPCs，endothelialprogenitorcells）EPCs是一群CD34+的細(xì)胞，最早由Asahara等從人外周血中分離得到，在體外可以誘導(dǎo)分化為內(nèi)皮細(xì)胞，參與了新生血管的形成。EPCs具有和造血干細(xì)胞一些共表達(dá)的標(biāo)志，如:flk-1，Tie-2等，認(rèn)為二者都源自成血管祖細(xì)胞。第31頁,共47頁，2024年2月25日，星期天優(yōu)點(diǎn)：EPCs具有容易獲得和很強(qiáng)的增殖能力缺點(diǎn)：

1.體外擴(kuò)增培養(yǎng)時間較長

2.關(guān)于EPCs本身的特殊標(biāo)志，來源較少“不穩(wěn)定”，有效的分離聚集辦法等都還在摸索階段，而且在一些特定的病理?xiàng)l件下“其表型會發(fā)生改變”，

3.生物學(xué)活性下降第32頁,共47頁，2024年2月25日，星期天光鏡下的細(xì)胞學(xué)形態(tài)[A:剛分離的單個核細(xì)胞,細(xì)胞呈小圓(×40);B:培養(yǎng)4d后的內(nèi)皮祖細(xì)胞細(xì)胞變大、透亮度增強(qiáng)、出現(xiàn)梭形細(xì)胞(×40);C:培養(yǎng)7d后的內(nèi)皮祖細(xì)胞細(xì)胞數(shù)量增多,有較多的小桿形細(xì)胞和梭形細(xì)胞(×40);D:培養(yǎng)7d后的細(xì)胞團(tuán)呈集落樣生長(×10)

-----方葉青.外周血內(nèi)皮祖細(xì)胞分離和培養(yǎng)的試驗(yàn)研究

第33頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

3.2.2.2

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs,bonemarrowmesenchymalstemcells）間充質(zhì)細(xì)胞(MSC)最初是由Friedenstein發(fā)現(xiàn)的一類易貼附于塑料培養(yǎng)板表面的細(xì)胞。在機(jī)體內(nèi)MSC存在于許多組織中，尤以骨髓中最多，簡單的骨髓穿刺即可獲得，不存在組織配型及免疫排斥問題，理論上能分化為所有的間充質(zhì)組織類型，如:軟骨、脂肪、肌肉及肌健等。

第34頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

有研究表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體外能夠分化為血管平滑肌細(xì)胞。有文獻(xiàn)報道，在血管損傷修復(fù)的過程中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞參與了血管平滑肌層的重建過程。這些為BMSCs誘導(dǎo)分化為血管平滑肌細(xì)胞提供了依據(jù)，為組織工程血管平滑肌種子細(xì)胞提供了選擇的可能。第35頁,共47頁，2024年2月25日，星期天4

生長因子的引入

動物體中存在著大量對于細(xì)胞生長、分化、代謝、凋亡進(jìn)行調(diào)控的生長因子(growthfactor)，這些因子對于組織器官正常功能的維持起著至關(guān)重要的作用常用的生長因子有成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)、轉(zhuǎn)化生長因子(TGF-?)、胰島素樣生長因子(IGF)、血小板衍化生長因子(PDGF)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等。第36頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第37頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

在人工合成的高分子和大部分天然高分子材料中，缺乏這些生長因子或者這些生長因子大部分在材料制備過程中遭到了破壞。因此，將生長因子負(fù)載到組織工程支架上，也是越來越被關(guān)注的問題。第38頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

在材料中引人生長因子、黏附因子等，可以對細(xì)胞生長、分化、增殖起到促進(jìn)作用

在此基礎(chǔ)上，可以將表達(dá)生長因子的基因片斷負(fù)載到支架上進(jìn)行基因治療

第39頁,共47頁，2024年2月25日，星期天5

生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器是指對微生物/動物細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境和運(yùn)行參數(shù)（如：PH值、溫度、壓力、營養(yǎng)的供給和廢物的移出）進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)控的一種裝置。第40頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

類型攪拌式生物反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器中空