Cartilage Tissue Engineering 軟 骨 組 織 工 程 Dr. Barbara Chan 陳 佩 博 士 Mechanical Engineering The University of Hong Kong 香 港 大 學 機 械 工 程
By 2050 2 billion people over 60 years old 2050年 20億年齡在60歲以 上的人 2 in 5 cartilage damage cartilage repair 軟骨疾病 軟骨修復治療
Types of cartilage 軟 骨 種 類 Elastic cartilage 彈 性 軟 骨 e.g. external ear 外 耳 Fibrocartilage 纖 維 軟 骨 e.g. meniscus 半 月 板, intervertebral disc 椎 間 盤 Hyaline cartilage 透 明 軟 骨 e.g. articular cartilage 關 節 軟 骨, nose 鼻 軟 骨 The American Heritage Dictionary of the English Language, 5th edition Copyright 2013
Joint cartilage 關 節 軟 骨 組 織 Healthy cartilage 健 康 軟 骨 組 織 illustrated by Drs. John A. Craig and Carlos Machado. Clin Symp. 1995;47(2) In healthy joint, cartilage functions to protect the underlying bones from rubbing against each other 在 健 康 的 關 節 組 織 處, 軟 骨 的 作 用 是 起 保 護 作 用, 從 而 避 免 骨 骼 組 織 之 間 的 互 相 磨 損 和 沖 擊
Causes of cartilage injuries 軟 骨 損 傷 的 原 因 Trauma 創 傷 Sports injuries 運 動 損 傷 Osteoarthritis 骨 關 節 炎 http://www.shoulderandknee.net/images/ka_kneeimg.jpg Degeneration 退 化 http://pbelitewellness.com/wp content/uploads/2014/09/osteoarthritis.jpg
Existing treatments for cartilage injuries 現 有 的 治 療 方 案 Drilling holes 鑽 孔 Sacrifice own cartilage 犧 牲 自 體 健 康 軟 骨 Focal Defect 局 部 軟 骨 損 傷 Debridement 清 理 創 傷 部 位 http://www.northamptonhipandkneesurgery.co.uk Microfracture (bone marrow stimulation) 微 創 手 術 ( 骨 髓 刺 激 ) http://utahshoulderknee.com Autograft (clinical gold standard) 自 體 移 植 ( 臨 床 金 標 準 ) Terminal treatment 最 終 治 療 手 段 Clinical samples from patients undergoing TKR 病 變 膝 關 節 軟 骨 組 織 Severely Damaged Cartilage 嚴 重 軟 骨 損 傷 http://www.drsameerali.com Total knee replacement(tkr) 全 膝 關 節 置 換 術
Osteochondral autograft(clinical gold standard) 自 體 骨 軟 骨 移 植 ( 臨 床 金 標 準 ) Donor sites 供 體 部 位 Cored autografts 自 體 骨 軟 骨 移 植 物 Lesion 病 變 部 位 http://synapse.koreamed.org http://www.normanmarcusmd.com https://www.scienceopen.com http://synapse.koreamed.org Autograft filled lesion 自 體 移 植 軟 骨 組 織 填 滿 病 變 區 http://stpetehipandknee.com Donor sites complaints 供 體 部 位 不 適
細 胞 採 集 分 離 生 長 細 胞 Tissue Engineering Triad 組 織 工 程 三 要 素 組 織 工 程 基 本 原 理 Tissue Engineering applies the principles and methods in both Engineering and Life Science to develop biological substitutes to replace the lost structure and function of defective tissues. 組 織 工 程 是 利 用 工 程 學 和 生 命 科 學 的 基 本 原 理 和 方 法, 培 育 可 移 植 組 織 對 病 變 及 受 損 組 織 進 行 結 構 及 功 能 性 的 修 復 及 替 換 組 織 損 傷 支 架 生 物 材 料 細 胞 生 長 因 素 體 外 細 胞 培 養 生 物 反 應 器 細 胞 功 能 化 調 控 培 育 可 移 植 組 織 組 織 工 程 應 用 ( 如, 軟 骨 修 復 )
Collagen microencapsulations 膠 原 蛋 白 微 囊 化 技 術 Complex tissue engineering 複 合 組 織 工 程 技 術 Bone cartilage 骨 軟 骨 組 織 Ligament bone 肌 腱 骨 組 織 Spinal motion segment 脊 柱 運 動 單 元
Tissue Engineered Cartilage Bone Plug 組 織 工 程 化 的 骨 軟 骨 複 合 組 織 採 集 細 胞 間 充 質 幹 細 胞 骨 以 及 軟 骨 組 織 複 合 組 織 移 植
Tissue engineered cartilage is comparable with autograft 骨 軟 骨 複 合 組 織 的 治 療 效 果 比 美 自 體 移 植 臨 床 金 標 準 Structural organization of regenerated cartilage 再 生 軟 骨 組 織 結 構 Control (bone marrow stimulation) 對 照 組 ( 骨 髓 刺 激 ) Cartilage bone plug 骨 軟 骨 複 合 組 織 Autograft (clinical gold standard) 自 體 移 植 ( 臨 床 金 標 準 ) Gross appearance 外 形 Cartilage Bone organization (H&E staining) 骨 軟 骨 組 織 (H&E 染 色 ) Hyaline cartilage (collagen II staining) 透 明 軟 骨 (II 型 膠 原 蛋 白 染 色 ) 1 month post op 術 後 一 個 月
Tissue Engineered Cartilage Bone Plug 組 織 工 程 化 的 骨 軟 骨 複 合 組 織 Cartilage Bone Before implantation 1 month after implantation
Tissue engineered cartilage is comparable with autograft 骨 軟 骨 複 合 組 織 的 治 療 效 果 比 美 自 體 移 植 臨 床 金 標 準 Mechanical properties of regenerated cartilage 再 生 軟 骨 力 學 特 性 Control (bone marrow stimulation) 對 照 組 ( 骨 髓 刺 激 ) Cartilage bone plug 骨 軟 骨 複 合 組 織 Autograft(clinical gold standard) 自 體 移 植 ( 臨 床 金 標 準 ) 彈 性 模 量 Uninjured cartilage 健 康 軟 骨 組 織
Live longer AND sportier 更 長 壽 更 有 活 力 https://s media cache ak0.pinimg.com/236x/a6/b0/f1/a6b0f125e7e83ef569bfe3d15291260a.jpg TKR surgeries will grow to 3.48M by 2030 in US (5x since 2010) 到 2030 年, 全 美 全 膝 關 節 置 換 手 術 需 求 將 會 上 漲 到 348 萬 ( 是 2010 年 數 據 的 五 倍 ) Higher chance of outliving the knee replacement Sports injury 運 動 損 傷 Trauma 創 傷 Osteoarthritis 骨 關 節 炎 Degeneration 退 化 TARGET POPULATION 目 標 人 群 我 們 的 技 術 能 讓 患 者 擁 有 更 好 地 治 療 效 果, 可 能 不 必 接 受 全 膝 關 節 置 換 TKR getting younger, population getting older 需 要 進 行 全 膝 關 節 置 換 手 術 的 年 齡 將 會 越 來 越 小, 而 社 會 年 齡 結 構 將 越 來 越 偏 向 老 齡 化 Total Knee Replacement 全 膝 關 節 置 換
Technology Startup Support Scheme for the Universities (TSSSU) 大 學 科 技 初 創 企 業 資 助 計 劃 Living Tissues Co. Ltd. 生 命 組 織 技 術 有 限 公 司
Relevant publications Li YY, Choy TH, Ho FC, Chan BP. Scaffold composition affects cytoskeleton organization, cell matrix interaction and the cellular fate of human mesenchymal stem cells upon chondrogenic differentiation. Biomaterials (2015) 52: 208 220. Li YY, Cheng HW, Cheung KMC, Chan D, Chan BP. Mesenchymal stem cell collagen microspheres for articular cartilage repair Cell density and differentiation status. Acta Biomater (2014) May; 10(5):1919 29. Doi: 10.1016/j.actbio.2014.01.002. Diao HJ, Yan CH, Chan GCF, Chan BP. Interactions between human mesenchymal stem cells and human osteoarthritic chondrocytes in 3D co cultures. Regenerative Medicine (2013) 8(3):257 69. Leung CY, Chik TK, Sze KY, Cheung MC, Chan BP. Development of a shear test system for measuring the interfacial strength of osteochondral grafts from rabbits of different skeletal maturity. HKIE Transactions (2012) 19(3): 39 45. (The HKIE Best Transactions Paper Prize 2013) Li CH, Chik TK, Ngan AHW, Chan SCH, Shum DKY, Chan BP. Correlation between compositional and mechanical properties of human mesenchymal stem cell collagen microspheres during chondrogenic differentiation. Tissue Engineering Part A (2011); 17(5 6):777 88. Cheng HW, Luk K, Cheung KMC, Chan BP. In vitro generation of osteochondral interface from mesenchymal stem cell collagen microspheres. (2011) Biomaterials 32: 1526 1535. Chan BP, Hui TY, Wong MY, Yip HK, Chan GCF. Mesenchymal stem cell encapsulated collagen microspheres for bone tissue engineering. (2010) Tissue Engineering, Part C 16(2): 225 35. Cheng HW, Tsui K, Cheung KMC, Chan D, Chan BP. Decellularization of chondrocyte encapsulated collagen microspheres A 3D model to study the effects of acellular matrix on stem cell fate. (2009) Tissue Engineering Part C. 15(4): 697 706. Hui TY, Cheung KMC, Cheung WL, Chan D, Chan BP. In vitro chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells in collagen microspheres: Influence of cell seeding density and collagen concentration. Biomaterials 29 (2008) 3201 3212. Chan BP, Hui TY, Yeung CW, Li J, Mo I, Chan GCF. Self assembled collagen human mesenchymal stem cell microspheres for regenerative medicine. Biomaterials 28 (2007) 4652 4666.