《生物工程概论》PPT课件.ppt

生物工程学,吉首大学医学院 谭敦勇,TEL:（中国）TEL:（01）951-801-0696（U.S.A.）QQ:15519832SKYPE:naturetrt,绪论,生物工程学,一、什么是生物工程（学）？,二、生物工程分类,三、发展简史,四、应用前景,绪论,生物工程学,一、什么是生物工程（学）？,生物工程学(Bioengineering),工程学主要指对科学原理的实际运用,按照人们的设计最后得到相应的产品。（大楼、桥梁等）。生物工程学就是按照人们的意愿对生物体进行改造或者创造，并得到相应的生物产品。,Biological Engineering,Bio-technological Engineering,绪论,生物工程学,一、什么是生物工程（学）？,以生物学或生命科学理论（尤其是生物化学/分子生物学、细胞生物学以及微生物学）为基础，按照工程学设计、制造及最终得到生物产品（例如通过操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能等）。,生物工程学(Bioengineering),绪论,生物工程学,一、什么是生物工程（学）？,生物工程学(Bioengineering),与科学的区别：科学注重对隐藏在自然现象后面的本质的认识，而工程则注重对科学原理的实际运用，最后追求的是产品。例如，对基因本质（如DNA双螺旋）的认识，属于科学，对DNA进行操作改造书用途工程（基因工程）。,绪论,生物工程学,一、什么是生物工程（学）？,二、生物工程分类,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,合成生物学（Synthetic Biology）细胞工程学（Cell Engineering）组织工程学（Tissue Culture Engineering）基因水平转移（Horizontal gene transfer）,生物医学技术（Biomedical technology）生物医学诊断（Biomedical Diagnosis）生物医学治疗（Biomedical Therapy）生物力学（Biomechanics）生物材料学（Biomaterials）,生物进程设计（Bioprocess Design）生物催化学（Biocatalysis）生物分离学（Bioseparation）生物信息学（Bioinformatics）,狭义生物工程,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,合成生物学（Synthetic Biology）,Synthetic biology（合成生物学）is the design and construction of biological devices and systems for useful purposes.It is an area of biological research and technology that combines science and engineering.For example，inserting man-made DNA into a living cell.,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,合成生物学（Synthetic Biology）,生物科学或生命科学是将生物体不断地分割（解剖）：系统器官组织细胞分子,所谓合成生物学，其使用的方法与传统的生命科学研究方法相反，通过由合成或改造分子（例如DNA）开始，转入细胞后，继而得到组织、器官、系统乃至于新的生物体。,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,细胞工程学（Cell Engineering）,细胞工程学（Cell Engineering）基于细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,组织工程学（Tissue Culture Engineering）,组织工程学(Tissue Culture Engineering,Tissue Engineering,TE)，也可称其为“再生医学”(regenerative Medicine)，是指利用生物活性物质，通过体外培养或构建的方法，再造或者修复器官及组织的技术。这个概念由美国国家科学基金委员会在1987年提出，在此后的二十多年间快速发展。,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,合成生物学（Synthetic Biology）细胞工程学（Cell Engineering）组织工程学（Tissue Culture Engineering）基因水平转移（Horizontal gene transfer）,水平基因转移（horizontal gene transfer,HGT），又称侧向基因转移（lateral gene transfer,LGT），是指在差异生物个体之间，或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质的交流。差异生物个体可以是同种但含有不同的遗传信息的生物个体，也可以是 远缘的，甚至没有亲缘关系的生物个体。单个细胞内部细胞器主要指的是叶绿体、线粒体及细胞核。水平基因转移是相对于垂直基因转移（亲代传递给子代）而提出 的，它打破了亲缘关系的界限，使基因流动的可能变得更为复杂。,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,合成生物学（Synthetic Biology）细胞工程学（Cell Engineering）组织工程学（Tissue Culture Engineering）基因水平转移（Horizontal gene transfer）,接合（conjugation）转导（transduction）转化（transformation）,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,合成生物学（Synthetic Biology）细胞工程学（Cell Engineering）组织工程学（Tissue Culture Engineering）基因水平转移（Horizontal gene transfer）,基因垂直转移 指生物由其祖先继承遗传物质。遗传学一般关心更为普遍的垂直传递，但目前的知识表明，基因水平转移是一个重要的现象。由于此现象的存在，使生物早期的演化关系更为复杂。,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,生物医学技术（Biomedical technology）生物医学诊断（Biomedical Diagnosis）生物医学治疗（Biomedical Therapy）生物力学（Biomechanics）生物材料学（Biomaterials）,生物医学工程学 是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的边缘性学科，其基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题。虽然它作为一门独 立学科发展的历史尚不足50年，但由于它在保障人类健康和为疾病的预防、诊断、治疗、康复服务等方面所起的巨大作用，它已经成为当前医疗保健性产业的重要 基础和支柱。,第一章 生物电磁学第二章 生物力学第三章 超声医学原理第四章 生物医学光子学第五章 生物技术第六章 生物医学传感技术第七章 生物医学信号处理第八章 现代医学影像技术第九章 电生理的诊断与监护技术第十章 临床生化检验技术第十一章 放射治疗技术第十二章 定向能量外科治疗技术第十三章 理疗技术与康复发展趋势篇第十四章 医院数字化信息化技术第十五章 生物材料第十六章 基因芯片与数据分析第十七章 MEMS技术在生物医学工程中的应用第十八章 生物信息学导论,绪论,生物工程学,一、什么是生物工程（学）？,二、生物工程分类,三、发展简史,Bioengineering一词，由英国科学家Heinz Wolff 于1954年正式提出。,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,生物进程设计（Bioprocess Design）生物催化学（Biocatalysis）生物分离学（Bioseparation）生物信息学（Bioinformatics）,分享菩萨六度布施持戒忍辱禅定精进般若,六度，又称六波罗蜜，即六种到达彼岸的方法。,1967,美国密西西比州立大学（Mississippi State University）第一个设立生物工程专业。,1954，英国科学家Heinz Wolff 正式提出Bioengineering一词。,欧美,重要事件（MILESTONE）,麻省理工学院（MIT）,波士顿大学,波士顿大学,哈佛大学,重要事件（MILESTONE）,中国,1919年，成立了中央防疫处，这是中国第一所生物工程研究所，规模很小，只有牛痘苗和狂犬病疫苗，几种死菌疫苗、类毒素和血清都是粗制品。,1949年后，先后在北京、上海、武汉、成都、长春和兰州成立了生物制品研究所，建立了中央（现为中国）生物制品检定所，它执行国家对生物制品质量控制、监督，发放菌毒种和标准品。后来，在昆明设立中国医学科学院医学生物学研究所，生产研究脊髓灰质炎疫苗。,1993年6月,成立中国生物工程学会（Chinese Society of Biotechnology，CSBT）,1976年，中国生物工程杂志（China Biotechnology）创刊。,中国科学院上海生命科学研究院 中国科学院动物研究所 北京大学 清华大学 复旦大学 华中农业大学 中山大学 浙江大学 武汉大学 中国农业大学南开大学,北京师范大学中国科技大学 南京大学 山东大学 厦门大学 兰州大学 四川大学 南京农业大学 西北大学 中国海洋大学 南京林业大学 华东师范大学 西北农林大学 林大学 华中科技大学 解放军军需大学 首都师范大学,国内院校比较知名的生物工程专业,According to a May 2008 salary report by the BLS,the average annual salary for bioengineers in the United States was$81,120.The median annual salary was$77,400.The middle 50 percent range was$59,420 through$98,830.The 10 percent of bioengineers who earned the lowest salaries took home less than$47,640 annually.The highest-paid tenth earned more than$121,970.,生物工程专业人员的薪酬待遇,绪论,生物工程学,一、什么是生物工程（学）？,二、生物工程分类,三、发展简史,四、应用前景,生物技术的应用范围十分广泛，主要包括医药卫生、食品轻工、农牧渔业、能源工业、化学工业、冶金工业、环境保护等几个方面。其中医药卫生领域是现代生物技术最先登上的舞台，也是目前应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。,作物改良/粮食能源/环境制药/医疗,基因改造作物品种：提高抗病抗旱抗涝能力、提高产量、提高质量使其含有人类需要的成分。,伦理问题,2000年问世，使用了来自黄水仙的基因，其中胡萝卜素含量为每克大米约含1.6毫克,美国先正达公司研发的黄金大米。,衡阳市政府新闻办微博“衡阳市新闻办”2012年9月1日发消息称，“国内一些网站转载了国际环保组织绿色和平发布的关于美国一科研机构选取湖南省衡阳市一所小学的学生进行转基因大米人体试验的报道，衡阳巿委、巿政府高度重视，迅速成立了联合调查组核查此事。”,广东省某研究人员将生长素基因转入西红柿,作物改良/粮食能源/环境制药/医疗,将某些微生物改造，使其消化改造环境中的有害物质。,例如，海上清理漏出的石油。,微生物产生物能源新途径,将CO2直接转化为乙醇（波士顿举行的108届美国微生物学会大会）,美国洛杉矶Burbank公司2008年夏天投入使用将氢能源巴士。,利用改造过的微生物。,病毒电池 美国麻省理工学院和韩国科学家将一种无害的M13病毒和无定形磷酸盐离子包装在一个纳米管中，作为负极，产生出一种新型可 充电池。这种电池轻便、灵活、可作成任何形状，可用于各种袖珍装置。它是生物技术、纳米技术、能源技术的一种有效结合（Science,2009.4）,作物改良/粮食能源/环境制药/医疗,(一)基因产物的药用,1993年美国以基因工程药物为主产品的市场销售额为70亿美元，1997年达到100亿美元。日本1993年达到4000亿日元，1994年为6000亿日元，2000年全世界达500亿美元。,乙肝病毒（HBV）主要由两部分组成，内部为DNA，外部有一层外壳蛋白质，称为HBSAg。把一定量的HBSAg注射入人体，就使机体产生对HBV抗衡 的抗体。机体依靠这种抗体，可以清除入侵机体内的HBV。过去，乙肝疫苗的来源，主要是从HBV携带者的血液中分离出来的HBSAg，这种血液是不安全 的，可能混有其他病原体其他型的肝炎病毒，特别是艾滋病病毒（HIV）的污染。此外，血液来源也是极有限的，使乙肝疫苗的供应犹如杯水车薪，远不能满 足全国的需要。基因工程疫苗解决了这一难题。与上述的血源乙肝疫苗相比，基因工程生产的乙肝疫苗，相对比较“干净”，价格更低。,利用基因工程生产乙型肝炎表面抗原（HBSAg）,利用基因工程生产干扰素,干扰素具有抗病毒抗肿瘤的作用。通常情况下人体内干扰素基因处于“睡眠”状态，因而血中一般测不到干扰素。只有在发生病毒感染或受到干扰素诱导物的诱导时，人体内的干扰素基因才会“苏 醒”，开始产生干扰素，但其数量微乎其微。即使经过诱导，从人血中提取1mg干扰素，需要人血8000ml，其成本高得惊人。据计算：要获取1磅（453g）纯干扰素，其成本高达200亿美元。使大多数病人没有使用干扰素的能力。1980年后，干扰素与乙肝疫苗一样，采用基因工程进行生产，其基本 原理及操作流程与乙肝疫苗十分类似。现在要获取1磅（453g）纯干扰素，其成本不到1亿美元。基因工程生产出来的大量干扰素，是基因工程药物对人类的又 一重大贡献。,胰岛素单克隆抗体荷尔蒙白细胞介素组织型纤溶酶原激活因子红细胞生成素集落刺激因子,（二）再生医学（regenerative Medicine）与退行性病变的治疗,组成机体的每一种细胞都有固定的分裂次数，即由寿命限制。因而，随着年龄增加，某些细胞组织出现退化。阿兹海默病（Alzheimers disease）,disabled,老年痴呆症,标识处为相异的特征。,正常老人的大脑,阿兹海默症病患的大脑,是一种持续性神经功能障碍，也是失智症中最普遍的成因。本病最早由德国精神科医师及神经病理学家爱罗斯阿兹海默在1906年描述记录，之后并以他的名字命名。,澳杰斯特狄特，爱罗斯阿兹海默，首例阿兹海默病病人。,症状：逐渐加重的 认知障碍 记忆障碍 学习障碍 注意障碍 空间认知机能 问题解决能力的障碍,第40任美国总统里根,最有发展前景的治疗：干细胞移植,附：干细胞（Stem Cell）,胚胎干细胞(embryonic stem cell)：在胚胎发育早期的囊胚中，可发育为不同的细胞，是所有细胞最初期的形态,成体干细胞(adult stem cell)：亦称成人干细胞，如骨髓干细胞，神经干细胞、脐带血干细胞及周边血干细胞。它们存在成体特定的组织中，具有由干原细胞形成先驱细胞，分化成具特定功能细胞的能力。,依发育过程出现先后和分布分类,干细胞,干细胞,依分化能力分类,全能干细胞(Totipotent)，卵子受精子后，受精卵分裂，在形成胚胎过程中八细胞期之前任一细胞皆是全能干细胞。多功能干细胞(Pluripotent)，是全能干细胞的后裔，无法发育成一个个体，但具有可以发育成多种组织的能力的细胞。具有分化出多种细胞组织的潜能，如造血干细胞、神经细胞。一种或多种组织的起源细胞，它能分化出多种类型细胞，但不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞。多潜能干细胞(Multipotent)，只能分化成特定组织或器官等特定族群的细胞（例如血细胞，包括红血细胞、白血细胞和血小板）。专一性干细胞(Unipotent)，只能产生一种细胞类型；但是，具有自更新属性，将其与非干细胞区分开。只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化，如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞。,TOTIPOTENT,PLURIPOTENT,MULTIPOTENT,受精卵至64细胞期(Morula),囊胚期(Blastocyst),Oligopotent,Quadripotent,Tripotent,Bipotent,Unipotent,Terminally Differentiated Cells,组织特异性干细胞如造血干细胞等,Multipotent,Totipotent,Pluripotent,干细胞发育简图,诱导性多功能干细胞（Induced pluripotent stem cells，iPS）利用导入特定基因或是特定基因产物(蛋白质）等方式送入体细胞（如:皮肤细胞或是肝脏细胞）中，使该体细胞具备胚胎干细胞(ES 细胞)的特征，具有分化成各式细胞之多功能分化能力，并且可以持续增生分裂。这项新的技术，在2006年首度由日本京都大学山中伸弥教授团队，将老鼠之纤维细胞制作而成。山中伸弥因为这项研究与约翰格登共同获颁2012年诺贝尔生理学或医学奖。,最近，英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作，开发出一种真空阀门式（valve-based）3D打印技术，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞 范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能，打印结构还能用于药物测试，加速改良测试过程。相关论文发表在2013年2月5 日出版的生物制造杂志上。如果生物打印机能够使用病人自身的干细胞，那么器官移植后的排异反应将会减少。,活细胞（干细胞）的3D打印技术,2014-02-28 2013 Clinic Class I/II(1)at 1102,美国当地时间2013年2月20日，康奈尔大学研究人员在公共科学图书馆综合卷上发表报告称，他们利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。,3D打印机的原理跟喷墨打印机类似，材料从喷嘴喷出，层层叠覆，最终形成一个三维物体。3D打印无需用纸，而其“颜料”则是ABS（一种树脂）、PLA（一种生物材料）或聚碳酸酯、金属粉、黏土，甚至活细胞等这样的热塑性原料。这比把一块材料切掉多余部分来得高效多了。而且不像注塑成型方式，它不 需要设置一条装配线，是一种个性化的生产模式，借助的是计算机辅助设计、激光扫描、材料熔融等技术。,康奈尔大学研究人员展示“耳朵”。,（三）其他,美国麻省总医院（MGH）和哈佛医学院病理系联合开发了一种光频区分成像仪（OFDI）。通过光导显微可以高精度、高分辨、快速地获得动脉血管内三维立体图像。可以清晰地观察到动脉壁上脂质、钙化、斑块和血栓的情况。为临床诊断提供可靠而直观的信息。,血管内三维成像,瑞士BPL实验室开发了一种高通量PCR纳米反应器，其反应体积只有几个毫微升，每天可以检测10万个样品。（）,高通量PCR纳米反应器,外科手术机器人,主要用于心脏外科和前列腺切除术。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，在世界微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具。,1 达芬奇机器人手术系统 主要由控制台和操作臂组成。采用最先进的主-仆式远距离操作模式，灵活的“内腕”可消除医生手的颤抖，特有的三维立体成像系统，在术中能将手术视野放大15倍，大大提高了手术的精确性和平稳性。,2000年7月11日，美国食品和药物管理局（FDA）批准了达芬奇手术系统，使其成为美国第一个可在手术室使用的机器人系统。由Intuitive Surgical公司开发，使外科医生可以到达肉眼看不到的外科手术点，这样他们就可以比传统的外科手术更精确地进行工作。价值 1 百万美元。,2012-2-24(1)2012 Clinic Class III/IV at 1104,（三）其他,美国麻省总医院（MGH）和哈佛医学院病理系联合开发了一种光频区分成像仪（OFDI）。通过光导显微可以高精度、高分辨、快速地获得动脉血管内三维立体图像。可以清晰地观察到动脉壁上脂质、钙化、斑块和血栓的情况。为临床诊断提供可靠而直观的信息。,血管内三维成像,瑞士BPL实验室开发了一种高通量PCR纳米反应器，其反应体积只有几个毫微升，每天可以检测10万个样品。（）,高通量PCR纳米反应器,外科手术机器人,主要用于心脏外科和前列腺切除术。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，在世界微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具。,1 达芬奇机器人手术系统 主要由控制台和操作臂组成。采用最先进的主-仆式远距离操作模式，灵活的“内腕”可消除医生手的颤抖，特有的三维立体成像系统，在术中能将手术视野放大15倍，大大提高了手术的精确性和平稳性。,2 ZEUS 机器人手术系统,3 AESOP 机器人系统,2000年7月11日，美国食品和药物管理局（FDA）批准了达芬奇手术系统，使其成为美国第一个可在手术室使用的机器人系统。由Intuitive Surgical公司开发，使外科医生可以到达肉眼看不到的外科手术点，这样他们就可以比传统的外科手术更精确地进行工作。价值 1 百万美元。,（三）其他,美国麻省总医院（MGH）和哈佛医学院病理系联合开发了一种光频区分成像仪（OFDI）。通过光导显微可以高精度、高分辨、快速地获得动脉血管内三维立体图像。可以清晰地观察到动脉壁上脂质、钙化、斑块和血栓的情况。为临床诊断提供可靠而直观的信息。,血管内三维成像,瑞士BPL实验室开发了一种高通量PCR纳米反应器，其反应体积只有几个毫微升，每天可以检测10万个样品。（）,高通量PCR纳米反应器,纳米机器人,生物计算机或细胞机器人，对细胞进行分子水平上的修理。,图中是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物,外科手术机器人,主要用于心脏外科和前列腺切除术。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，在世界微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具。,纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作.,通过纳米机器人，人类癌症将被治愈，人类的寿命.,花色苷（Anthocyanins）是一种植物天然色素，具有抗癌作用。英国、意大利、德国、荷兰的科学家，应用转基因方法，获得表达花色苷的番茄，给致癌小鼠喂食，可以明显抑制肿瘤生长，延长致癌鼠的寿命。（PNAS，2008.10,抗癌番茄,美国乔治亚理工学院化学系研究开发出一种磁性纳米颗粒，注入体内可以自动吸附和捕获在体液中游离的癌细胞，可以有效预防癌细胞的转移和扩散（Amer Chem.Soc,2008.7）。,可捕获癌细胞的纳米颗粒,血型转换器 美国马萨诸塞州ZymeQuest生物技术公司，应用两种消弱A型和B型抗元酶，使红细胞表面糖分子分解的原理，生产出一种血型转换器，它可使所有血型的血都转换成O型血，可供任何人输血,基因修饰的新方法 美国麻省总医院与德国汉堡大学合作研发出一种基因修复的新方法。它是利用锌指核酸酶（ZFNs）可以与基因粘附结 合的特性，针对不同的DNA建立了几十个锌指库，可以针对不同的基因缺失或变异的位点进行有效的剪接或修改，其效率可达50。它为基因修饰、DNA修 复、基因治疗开辟了一条新路。这种方法现已被Sangamo公司开发出来（Mol.Cell,2008.7）。,纳米磁铁粒子可捕获已转移的癌细胞,遗传工程学（Genetic Engineering）生物医学工程学（Biomedical Engineering）生物进程工程学（Bioprocess Engineering）,生物工程学,合成生物学（Synthetic Biology）细胞工程学（Cell Engineering）组织工程学（Tissue Culture Engineering）基因水平转移（Horizontal gene transfer）,生物医学技术（Biomedical technology）生物医学诊断（Biomedical Diagnosis）生物医学治疗（Biomedical Therapy）生物力学（Biomechanics）生物材料学（Biomaterials）,生物进程设计（Bioprocess Design）生物催化学（Biocatalysis）生物分离学（Bioseparation）生物信息学（Bioinformatics）,狭义生物工程,核心工程基因工程 细胞工程,复习思考题,1 名词解释：生物工程学、基因工程、细胞工程学、基因水平转移。,3 写一篇关于生物工程梦想的短文.,2 举例说明生物工程的应用前景。,4 谈谈科学与工程的异同。,5 生物工程的研究内容有哪些（分类）？,