神经工程学神经工程学 (43).pdf

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1、组织工程化神经组织工程原理与构建技术组织工程（Tissue Engineering）冯元桢（Yuan-Cheng Fung）现代生物力学之父应用生命科学和工程学的原理与方法，研究、开发用于修复、增进或改善损伤后人体各种组织或器官生物替代物，达到恢复其正常形态和功能的一门新型交叉学科。生物支架材料（scaffolds）支持细胞（supporting cells）生长因子（growth factors）三要素建立种子细胞库制备生物材料支架组织培养技术体内（临床）应用技术四方面组织工程原理与构建技术 增殖迁移形成细胞索带 合成和分泌神经营养因子 合成细胞外基质，形成髓鞘和基底膜 吞噬作用 释放生物活

2、性因子施万细胞（Schwann cells）Nerve cellSchwann cell/MyelinMuscle fiberAxon组织工程神经中最为理想的种子细胞不足之处：自体施万细胞的采集会造成二次损伤，而异体施万细胞又存在移植排斥反应，因此临床应用受限。一、干细胞组织工程神经组织工程神经常用的干细胞类型骨髓间充质干细胞神经干细胞皮肤来源祖细胞组织工程神经来源：中胚层骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cells,MSCs）存在：全身器官和结缔组织，在骨髓中含量最为丰富。特点：具有高度自我更新能力和多向分化潜能，在特定条件下不仅可以向同一胚层的细胞分化，还可以跨胚层分化。

3、LiverAdultstem cellMuscleSkinBrainBlood cellBone marrowHeartNeurone组织工程神经优点：易获取、纯化及体外扩增、自体取材避免伦理问题、免疫原性小等。体外培养的BMSC在特定条件下诱导分化为施万细胞样细胞，并分泌大量神经营养因子促神经再生。未分化的骨髓间充质干细胞直接植入体内，在局部特定微环境诱导下，也能分化成施万细胞样表型的细胞，较好地促进神经损伤的修复。案例：用自体骨髓间充质干细胞构建的组织工程神经桥接修复猴前臂正中神经的长距离神经缺损，手指抓握功能恢复良好，且一定程度阻止了大鱼际肌的失神经萎缩，神经再生效果接近自体神经修复。组

4、织工程神经神经干细胞（Neural stem cells，NSCs）神经系统内的未分化细胞，主要分布在脑室管膜、室下区、纹状体、海马齿状回等区域，也具有自我更新和多向分化潜能，在特定条件诱导下可以分化为神经元和神经胶质细胞表型的细胞。NSCs移植后能增加细胞再生，增强移植物和周围组织的相容性，且免疫原性较低。优点：生物相容性好；可分离出单个细胞克隆；可稳定表达报告基因或治疗基因，利于体内追踪等。案例：神经导管内加入脑源性神经干细胞修复大鼠10mm坐骨神经缺损，有利于神经传导功能的提高和髓鞘再生，功能恢复较好且优于单纯的神经导管。Neural Stem CellAstrocytesOligode

5、ndrocytesGliaNeurons组织工程神经皮肤来源祖细胞（skin-derived precursors,SKPs）来源：一种从人体以及大小鼠皮肤真皮层分离获取的不同于毛囊干细胞的多潜能分化前体细胞。案例：使用体外培养的皮肤来源祖细胞诱导分化、增殖的施万细胞表型细胞（skin-derived precursor-schwann cells,SKP-SCs）作为种子细胞，与壳聚糖人工神经移植物在微重力生物反应器内共同培养构建组织工程神经，桥接修复大鼠坐骨神经缺损，促进神经轴突的再生和髓鞘的包绕及成熟，并且加入的种子细胞利于神经修复过程中组织工程神经的血管化。组织工程神经二、生长因子缓释

6、组织工程神经 一般采用神经营养因子构建组织工程神经，如：神经生长因子（nerve growth factor,NGF）、脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor,BDNF）、胶质细胞源性神经营养因子（glial cell-derived neurotrophic factor,GDNF）、神经营养因子3（neurotrophins-3,NT-3）等；也可采用其它类型的细胞因子，如：碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor,bFGF）、睫状神经营养因子（ciliary neurotrophic factor

7、,CNTF）、胰岛素样生长因子1（insulin like growth factor-1,IGF-1）等。生长因子是组织工程的另一个重要因素组织工程神经细胞因子的作用：保护受损神经元、促进种子细胞或自身细胞增殖、加快轴突再生，更有效地修复较长距离神经缺损。添加方法：早期利用离子泵局部持续注射。当下材料载体系统：转基因技术：将外源生长因子基因转入种子细胞持续合成并释放。将生长因子（或缓释微球）与基质凝胶混合填充于神经导管管腔内，多用于一般动物实验；将生长因子（或经保护剂保护、缓释微球）直接或以共价连接的方式与生物材料混合制备神经导管，因子会随着管壁材料的降解缓慢释放；组织工程神经细胞外基质（e

8、xtracellular matrix，ECM）由细胞分泌，与不同分子组成，包括蛋白质、糖蛋白和糖胺聚糖。ECM的结构和组成取决于局部细胞表型和组织器官的功能，反之ECM也会影响细胞的表型和行为。三、细胞基质化组织工程神经组织工程神经细胞基质化对体外培养的细胞进行物理或化学处理，去除细胞成分，保留其分泌的细胞外基质及细胞骨架成分。避免了组织来源、宿主反应、病原体转移等问题。避免了直接加入种子细胞和生长因子带来的难题免疫原性、因子类型数量和稳定调控、细胞表型等。保留了细胞外基质中诸多利于组织再生的结构和组分。目前，构建细胞基质化组织工程神经的细胞来源主要是体外培养的原代施万细胞和干细胞及其分化的

9、施万细胞。组织工程神经丝素纤维支架SC包绕的丝素纤维SC基质化的丝素纤维壳聚糖神经导管SC粘附的神经导管SC基质化的神经导管组织工程神经四、血管化组织工程神经新的血管网络的重建是组织工程化组织器官体内存活的前提，也是生理性能重建的基础。组织工程神经 加入促进血管生成的生长因子，如VEGF、bFGF、BDNF等。构建预血管化组织工程神经：加入血管内皮细胞与神经导管共培养。3D打印：制备神经导管过程中预留血管通道。研究神经再生过程中血管生成的分子机制，精确构建血管化组织工程神经。制备利于体内血管新生或预先血管化的组织工程神经小结组织工程的定义组织工程化神经的构建要素干细胞组织工程神经生长因子缓释组织工程神经细胞基质化组织工程神经血管化组织工程神经几种常见的组织工程化神经