细胞生物学专题报告

真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。 器官工厂【摘要】： 正常人体的各种组织、器官都是由细胞及其合成的细胞外基质组成，正常组织、器官的生长发育和再生也主要依靠细胞增殖并分泌细胞外基质完成。组织工程的基本原理就是模拟组织器官的生长、发育及再生过程，将功能良好的活体细胞种植到一种生物可降解吸收的支架材料上，在适当的体内或体外培养环境中，细胞就能在支架材料上增殖并分泌细胞外基质从而形成组织，而支架材料逐渐被降解吸收并为组织形成提供三维空间，最终材料被完全降解吸收，细胞也就在支架材料提供的三维空间中形成了正常的有功能组织。基于这一原理，目前已能成功在体内或体外再生骨、软骨、肌腱、皮肤、角膜、血管等多种组织【abstract】：All kinds of normal human body tissues and organs is the cell and the synthesis of extracellular matrix components, normal tissue, organ growth and regeneration also rely mainly on cell proliferation and secretion of extracellular matrix finish. Tissue engineering is the basic principle of tissues and organs of the simulation of the growth, development and regeneration process, will function good living cells grow to a biodegradable absorption of the support material, in appropriate body or in vitro culture environment, cell can in the support material on the proliferation and secretion of extracellular matrix, forming organization, and support material was gradually degradation absorption and for the organization forms provide 3 d space, finally material is completely degradation absorption, the cells in support material provide 3 d space to form the normal functional organization.【关键词】： 组织工程学 体外培养 细胞分化 器官构建 【keyword】：Tissue engineering In vitro culture Cell differentiation Organ construction前言： 21世纪是生物的世纪，毫无疑问，人类在探究生命奥秘的道路上从未止步。在生物研究中，器官重塑一直是人们期望攻破的堡垒。而现在，器官的人工塑造虽然依然无法实现，但我们已然看到的成功的希望。为我们带来曙光的就是仍在起步阶段的组织工程学.正文 人体器官的缺损，往往会极大的影响一个人的生活。虽然有些器官缺失不影响人的生命，但一旦关键器官（如心脏）的功能受到影响，个体的生存就会面临危机。传统上的治疗方法是自体组织移植术，虽然可以取得满意疗效，但它是以牺牲自体健康组织为代价的办法，会导致很多并发症及附加损伤；人的器官功能衰竭，采用药物治疗、暂时性替代疗法虽然也可挽救部分病人生命，但供体器官来源极为有限，因免疫排斥反应需长期使用免疫抑制剂，由此而带来的并发症有时是致命的。自80年代科学家首次提出“组织工程学”概念以后，为众多的组织缺损、器官功能衰竭病人的治疗带来了曙光。组织工程学是由美国国家科学基金委员会于1987年正式提出和确定的，是基于细胞生物学、生物材料和工程学的原理，研究并开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物的一门科学。组织工程的基本原理就是模拟组织器官的生长、发育及再生过程，将功能良好的活体细胞种植到一种生物可降解吸收的支架材料上，在适当的体内或体外培养环境中，细胞就能在支架材料上增殖并分泌细胞外基质从而形成组织，而支架材料逐渐被降解吸收并为组织形成提供三维空间，最终材料被完全降解吸收，细胞也就在支架材料提供的三维空间中形成了正常的有功能组织。组织工程学有三个要素：细胞、支架以及生长信息。通俗地讲，组织工程学就是要像种庄稼一样种植器官。种子就是细胞，土地就是支架，生长信息可以理解为肥料，是为了器官向我们所期望的方向生长。人体是有众多不同功能的细胞构成的。我们知道在一个器官里肯定不止一种细胞，器官功能的实现是不同种类的组织细胞共同协作的结果。为了种植器官，就要求作为种子的细胞具有分化成不同种细胞的能力。那么具有全能性的干细胞就成了我们的首选。细胞干细胞是指未分化或分化度极低,能生成各种组织器官的起源细胞。干细胞的原意是树干或起源,类似于一棵树干可以长出树杈,树叶,开花,结果.干细胞大致可以分为3种类型:胚胎干细胞,组织干细胞和专能干细胞.胚胎干细胞又称全能干细胞。是从哺乳动物早期胚胎中分离培养出来的。特点是具有发育的全能性,可以参加整个生物体的发育,构成人体的各种组织和器官.受精卵便是一个最初始的全能干细胞。 全能干细胞是指受精卵到卵裂期32细胞前的所有细胞。胚胎干细胞在进一步的分化中,可形成各种组织干细胞,又称多能干细胞。它具有分化出多种细胞组织的潜能,但不能发育成完整的个体。多能干细胞取自囊胚,原肠胚期。多能干细胞进一步分化,可形成专能干细胞。专能干细胞只能分化成某一类型的细胞。原肠胚以后的干细胞只能是专能干细胞了(如某些肝脏细胞,骨髓造血干细胞) 。所以脐带或者成人骨髓中的都已经是专能干细胞了(即纯体外培养只能分裂分化出特定的组织细胞,如骨髓只能分裂出各种血细胞)。动物细胞的胞核的确都有全能性(注意和干细胞的区别,如高度分化完了的细胞也有全能性,但不是干细胞)必须在离体条件有一系列的刺激诱导,分化度越高,全能性表达越困难,克隆成功的可能性越小。最新的研究还发现,干细胞不但能再生某些组织,而且可以衍生成与其来源不同的细胞类型.正是由于人的胚胎干细胞培养成功和组织干细胞对人类健康的潜在价值,因而引发了世界范围内的干细胞研究热。体外培养 以上都是细胞的内容，着我们要讲讲生长信息。干细胞是具有全能性，但我们不能任由干细胞自由生长分化，因为那样很难得到我们想要的器官、组织。这就需要我们使用特殊方法对细胞的增植分化进行定向诱导。 就是要告诉细胞应该往哪个方向分化 在哪个区域进行生长 每种细胞要分裂出多少数目等等。为了定向诱导，我们需要先了解一些细胞分化的机理，根据其机理我们才可以对细胞进行操作。所谓细胞分化是指在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态结构和生理功能上发生稳定性的差异的过程。细胞分化是一种持久性的变化，细胞分化不仅发生在胚胎发育中，而是在一生都进行着，以补充衰老和死亡的细胞如：多能造血干细胞分化为不同血细胞的细胞分化过程。一般来说，分化了的细胞将一直保持分化后的状态，直到死亡。细胞分化的机理（一）细胞分裂的不对称性卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。 北极或动物极：极体释放的部位； 南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要 储存在于植物极。母系基因产物控制卵的不对称分裂动物卵细胞中贮存有大量 动物卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布； 大量 ，呈非均匀分布；用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期 用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。 卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质 部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破 坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。 细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异 细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异 在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生（二）细胞间的相互作用1、胚胎诱导 、 胚胎诱导(embryonic induction) ： 胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。 诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞： 脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管； 视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚 层形成角膜。诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异2、 分化抑制 ： 分化成熟的细胞可以产生抑素，抑 、 分化抑制：制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正 常的心脏。3、细胞数量效应 、小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功 能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不 能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰 腺组织。4、细胞外基质的影响 、干细胞 在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞； 在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞； 在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。5、激素的作用 、如昆虫的保幼激素和脱皮激素。 在体内，细胞的分化是基因调控和在各种机理的作用下，向着特定的方向发展；而在体外，细胞要向着特定的组织分化就要在特定因子的诱导下完成，具体如下：血细胞细胞在体外可诱导分化为血细胞，目前发现的调节因子有：可提高细胞在体外分化为造血干细胞特异标志抗原阳性细胞的比例；能有效地诱导细胞分化为髓系造血细胞及、细胞的淋巴前体细胞，单独作用时不能促进细胞分化为淋巴造血细胞，但对诱导细胞分化为淋巴前体细胞有促进作用；对造血细胞和内皮细胞共同的前体细胞的增殖起关键作用；关于细胞在体外分化为淋巴细胞的报道很少。最近有报道：将细胞分化形成的造血前体细胞在胎儿的胸腺中培养，结果其中受体阳性、白细胞共同抗原阴性的造血前体细胞分化产生了淋巴细胞。 血管和内皮细胞在细胞培养基中加入，能提高成血管细胞的存活，并且能使其形成原始的内皮管道，而且仅仅提高成血管细胞的存活。猴细胞在饲养层中培养形成的受体阳性及血管内皮钙粘蛋白阴性的细胞能够分化形成内皮细胞和周细胞，而且这些受体阳性的细胞经三维培养后能形成血管样结构。在细胞分化为内皮细胞和血管样结构中有重要作用。 肌细胞在维甲酸和双酪基环磷酸腺苷的共同作用下，细胞可分化为血管平滑肌细胞。和促红细胞生成素能促进细胞向心肌细胞分化。丙戊酸通过增加细胞间的活性氧簇的水平来抑制细胞向心肌细胞分化，当再加入维生素后，细胞又恢复了向心肌细胞分化口。将人细胞与小鼠的内脏内胚层样的细胞共培养，人细胞分化形成了具有心肌细胞的肌纤维标志蛋白、变时性反应及离子通道的细胞，经电生理学分析证明大部分的细胞与人胎儿的心室细胞相似口。维生素能明显促进肌球蛋白重链启动子转染的细胞向心肌细胞分化，而且维生素也能诱导未转染的细胞表达心肌细胞的基因，其他的抗氧化剂如乙酰半胱氨酸、苯二磺酸二钠及维生素却不具有维生素的上述作用。 神经细胞将小鼠细胞置于仅含的培养基中增殖，然后加入血小板生长因子（，），得到表达神经胶质前体标志分子的多能祖细胞，当除去和后，这些细胞最终向少突神经胶质细胞或星型胶质细胞分化。等发现维甲酸可诱导小鼠细胞分化为神经胶质细胞和有功能的神经元，并证明星型胶质细胞表达胶质原纤维酸性蛋白抗原，少突神经胶质细胞表达抗原，神经元表达特异性的微管相关蛋白、和神经微丝蛋白抗原。人细胞形成拟胚体（，）后，用神经细胞培养基培养，分离出部分在的培养基中培养，最终获得表达神经元标志的细胞。器官构建最关键的一步就是器官构建了。我们知道人体是自然生成的最精密的机器。那么人体中器官必然也有着极其精密的结构。为了使我们种植的器官同样具有精密的结构，势必要对种植用的土地进行改造。这个土地就是支架。支架需要特殊的材料。通常我们使用的材料包组要是高分子可降解聚酯，包括PGA和PLA。生物可降解聚酯的主链是由脂肪族结构单元通过易水解的脂链连接而成，在微生物或生物体内酶或酸、碱的促进下水解，最终形成二氧化碳和水，同时有很好的组织相溶性，被广泛应用于医疗外科手术缝线、骨折内固定、组织工程修复材料及药物控制释放体系等，是当前生物医用高分子的一个重要分支。除此之外还有壳聚糖 蛋白质等壳聚糖（chitosan）是自然界广泛存在的几丁质（chitin）经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖，自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。针对患者，壳聚糖降血脂、降血糖的作用已有研究报告。蛋白质就比较特殊了。美国科学家做过一个实验，他们从鼠体中提取完整心脏，留下由心室、心脏瓣膜等构成的蛋白质“支架”。从新生老鼠心脏提取干细胞，注入死老鼠心脏。把死老鼠心脏放入实验室无菌培养皿中。同时，科学家们还使用了一台起搏器，让心脏充满了液体，以模仿血压。死老鼠心脏细胞在4天后开始收缩，8天后开始怦怦跳动。 对于器官成型最重要的两点是恰当的组织分化和正确的生长结构。我们要构建具有正常生理功能的器官就必须严格按照该器官原本的生理结构进行构建。这就要求我们对使用的支架在外部形状和内部预留的生长空间进行精准的控制。这很难，但并不是毫无可能，比如最近的纳米机器人技术就可以用来进行这项工作。虽然对于器官构建在理论上依然可以实现但我们仍然面临众多挑战。种子细胞来源问题 。 根据来源的不同，干细胞可分为胚胎干细胞和成体干细胞。出于社会伦理学方面的原因，人类胚胎干细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议，所以临床应用的干细胞主要是成体干细胞。成体干细胞主要来源有骨髓干细胞、外周血干细胞、脐血干细胞等。其中脐血中造血干细胞含量丰富，细胞原始、纯净，且采集简便，目前已成为临床治疗用干细胞的主要来源之一。 支架材料的炎症反应问题。 虽然目前对于炎症反应参与支架内再狭窄机制的研究大多来自于动物实验的研究，但是一些临床研究亦提示炎症反应与支架内再狭窄具有相关性。支架置人术后早期炎症反应的起始刺激是血管内皮细胞受损和支架对血管壁的机械牵拉，是机械损伤引起的炎症反应。炎症问题有待进一步解决。 形态精确控制问题 人工培育的器官要想融入人体就要与人体器官形态一致，甚至包括每一条血管，每一根神经。这就需要精确的控制器官生长的形态。毫无疑问这对目前的我们还是很大的难点。XXX：孙雷 谢振强 徐安超 王金涛 余忆 吴俊 12 / 12