1 3.051/BE.340 第 22 讲 组织工程（续） 实例列举 1． 细胞封囊化治疗糖尿病 糖尿病 Mellitus( Ⅰ型或只与胰岛素有关)： 胰腺停止产生胰岛素，胰腺紊乱。 z 世界范围 100M 病例 z 美国 15M 病例 ? 每年 94B 美元用于治疗 z 症状：疲劳，体重减轻，极渴 传统疗法：每日注射胰岛素 问题： 异常的释放模式 将产生长期的并发症 z 失明 z 肢端循环丧失 z 肾功能衰竭 胰岛素是什么？ z 根据血液中葡萄糖水平而释放出的荷尔蒙（分子量～6kD） z 葡萄糖吸收过程中的辅助细胞 注意：Ⅱ型糖尿病，胰岛素可被 制造但不能发挥作用 2 3.051/BE.340 胰腺： 一种内分泌腺，可结合： ? 胰腺泡 ：对十二指肠释放消化酶 ? 胰岛突起： （占胰腺体积的 1-2%） ：对血液释放胰岛素 细胞微囊化疗法 z 二十世纪 70 年代中期报道的第一例（ W.L.Chick, Joslin Res. Lab., Boston） ? 在兔子中达到的葡萄糖动态平衡 z 二十世纪 90 年代早期，在对狗实施胰脏切除术时植入的管状植入物（ R.P.Lanza） 胰腺 胰岛突起 胰岛 丙烯酸基 寄身处 PVC-PAN 膜 3 3.051/BE.340 - 从腹腔植入 - 通过 PTFE 接枝，膜与脉管系统相连 - ＞ 10 周无需体外供给胰岛素 - 30 周很少纤维化（生物相容性很好的丙烯酸类） - 失效的几种原因： a)膜坍塌（ 5-7 个月时， 80%-90%装置会发生） b)血栓症 c)感染 d)胰岛功能丧失，胰岛坏死 局限性： 胰岛素数量—需足够用于细胞疗法的几米纤维 可能的解决方案： a)“超级”细胞系—胰岛素高输出，营养物低需求 b) 在脉管基因方面有新突破 参考资料： R.H.Li, “细胞胶囊材料 ”， Adv.Drug Dlivery Rec.33(1998)87-109. R.P.Lanza, R.Langer, W.L.Chick, 《组织工程原理》 R.G.Landes Co.:Austin, TX,1997 z 1994 年人体试用（ Sharp 和 Lacy） - 皮下植入 - PAN-PVC 中空纤维（ 1.5 厘米长） - 载于藻酸盐上的人胰岛 - 2 周后 90%-95%的胰岛具有生存能力 4 3.051/BE.340 2． 体外 软骨重建 软骨的基本情况： z 仅有一种细胞类型（软骨细胞） z 与脉管系统连接量低（限制了体内再生能力） z 提供结合处的润滑作用 (膝盖 ) z 软结构性膜的主要成份（鼻，耳） 环境： z 软骨拉伤（运动员受伤） （在美国每年～ 0.5M） z 风湿性关节炎（来自吞噬细胞的酶将软骨降解） z 天生残缺 /整容（在美国每年 28,000） 体外 软骨形成 z 材料：无纺 PGA 纤维网或盐 -滤出支架；～ 95%孔隙率 z 程序：支架用培养液预湿并种植细胞 z 过一段时间 PGA 基材被细胞、胶原和 GAGs 取代 软骨 半月板 接合液 由 3.082 学生制备的滤 盐支架 10%聚乳酸 5 3.051/BE.340 局限： a)固含量低：在培养基中质量传输差 b)不规则的组织形态：体外缺少流场 改进方法：生物反应器 （ R. Langer, MIT） 旋转瓶 介质 磁力搅拌珠 组织构建 旋转脉管 液体取代 组织构建 （自由移动） 6 3.051/BE.340 细胞 GAG 胶原 水 静态 4 10 15 旋转态 7 30 19 88 天然态 4 38 42 75 生物反应器中生长的组织： z 组织的尺寸与初始的支架接近 z 比静态骨含量高 z 组织结构模拟天然软骨 商业现状： 基因酶（ Cambridge,MA） FDA-批准的自体同源的膝盖软骨修复 面临挑战： a)按比例增大组织的尺寸 b)改进机械性能 ～ 30 微米囊状扁平细胞 和胶原：提供刚性 细胞， GAG，胶原的均 一混合 7 3.051/BE.340 2． 体内 神经重建 中枢神经系统（ CNS） ： 脑和脊髓 脊髓： 神经元被少突细胞覆盖—分泌液抑制再生 外围神经系统（ PNS） ： 处理来自环境信息的神经分枝；部分具有再生能力 上进 神经： 被包裹在神经外 膜中的几束神经丛 神经丛： 被结缔组织围绕 的轴突束 轴突 种树枝状细胞质突起 神经元 施沃恩细胞： - 产生髓磷脂（隔离剂） - 分泌神经营养因子 8 3.051/BE.340 不适状况： 神经已断 z 丧失支持（神经营养因子） z 疤痕向内生长 z 新芽突的取代 神经导向通道： 利用 PNS 的再生能力 发展历程 WWI - 用作引导轴突生长的橡胶管 - 生物相容性低 1960’s - 硅橡胶试用（交联的硅树脂橡胶） 现今 - 限制性地临床使用 - 硅树脂和 PGA 装置 - 最大的可架桥的间隙为～ 1cm 最近的残余（距脊骨） 末梢残余（距器官） 9 3.051/BE.340 病例研究：硅树脂引导下的被切断了的鼠坐骨神经 实测时间 形态 数小时 血浆，纤维蛋白，神经营养因子流入 一周 纵向导向纤维蛋白与桥残余接合 细胞渗入：巨噬细胞，成纤维细胞，施沃恩细胞和内皮 细胞 最近的残余端有轴突的新芽长出 四周 轴突到达末端残余（ ~1cm） 再生神经 z 轴突较少，鞘较薄 z 信号传导速率慢 z 低振幅信号 10 3.051/BE.340 导管设计时需考虑： 可吸收与不可吸收 可吸收—存在较大概率炎性反应 不可吸收—易受压力性伤害 非渗透性与多孔性 非渗透性—营养物质，排泄物和氧气传输能力差 多孔性—被伤口愈合机制所干涉，定位性差 半透膜—分子量在 50-100kD 能够传输和阻隔 GF 施沃恩种植细胞凝胶 - 分泌营养物 -促进基片， NGFs - 能被遗传性地设计成分泌营养素 - CNS 再生支持的迹象（光学神经再生，已被证实的） 面临挑战： a)大缺口的修复 b)CNS 再生（ MIT 的脊髓研究结果） 组织工程领域面临的重要挑战 1. 脉管基因 /质量传递的限制性 2. 给细胞传递恰当的信号 3. 提供恰当的，便于生长的机械性刺激