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面向医工交叉人才培养的基础医学实验教学改革

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实验室研究与探索 2024年

作者：康红艳周钢刘美丽李昆王江雪孙安强北京航空航天大学生物与医学工程学院

“基础医学实验”是医工交叉人才培养“基础医学教育”环节中的一门核心专业类课程，而当前的基础医学实验教学模式并不适用于“医工交叉”的人才培养，亟需改革。借鉴我国现有基础医学实验教学模式，基于实验动物福利3R原则，“一鼠多... 详细信息

“基础医学实验”是医工交叉人才培养“基础医学教育”环节中的一门核心专业类课程，而当前的基础医学实验教学模式并不适用于“医工交叉”的人才培养，亟需改革。借鉴我国现有基础医学实验教学模式，基于实验动物福利3R原则，“一鼠多用”，将解剖生理学与细胞生物学、生物化学、遗传学、形态学和免疫组织化学等实验进行整合，形成整合类实验项目，减少实验动物用量；引入虚拟实验，结合翻转课堂，以虚代实；将实验动物伦理纳入理论讲解范畴并通过教师的示范、在实验动物中心设立“小动物信箱”等方式，增强学生对于生命的敬畏。改革经验为国内工科院校医工交叉人才培养环节中基础医学实验课程的开设提供参考。

关键词：医工交叉 3R原则基础医学实验教学改革

基因工程菌药物递送系统在精准医疗中的研究进展

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生命科学 2024年第4期36卷 419-432页

作者：巩旭杨昀北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100191

人体体表与体内存在大量共生微生物,微生物菌群与人类疾病发生、发展密切相关。随着合成生物学的发展,利用基因工程菌药物递送系统助力微生物-宿主互作机制探索以及疾病治疗成为研究热点。基因工程菌是基因工程改造后具有高效生产目标... 详细信息

人体体表与体内存在大量共生微生物,微生物菌群与人类疾病发生、发展密切相关。随着合成生物学的发展,利用基因工程菌药物递送系统助力微生物-宿主互作机制探索以及疾病治疗成为研究热点。基因工程菌是基因工程改造后具有高效生产目标产物能力的微生物。通过理性设计治疗靶点和药物递送基因回路,构建的基因工程菌可实现肠道或肿瘤等部位的精准靶向给药。本文对基因工程菌药物递送的三个关键特征,即药物分子、药物释放方式以及智能响应体系进行了综述,讨论了其在临床应用中需要应对的挑战,并展望了基因工程活体药物的发展前景。

关键词：基因工程菌药物递送药物分子释放方式智能响应

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骨细胞的力学感受器

医用生物力学 2024年第2期39卷 207-213页

作者：刘艳伟宫赫王新宇杨启帆刘舜朱东吉林大学第一医院创伤骨科长春130012 北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100083

骨细胞是骨骼中最丰富和寿命最长的细胞,是骨重建的调节器。骨细胞在内分泌调节和钙磷酸盐代谢中发挥重要作用,也是力学刺激的主要响应者,感知力学刺激以直接或间接的方式对刺激做出反应。骨细胞中的力学转导是一个复杂而精细的调节过程... 详细信息

骨细胞是骨骼中最丰富和寿命最长的细胞,是骨重建的调节器。骨细胞在内分泌调节和钙磷酸盐代谢中发挥重要作用,也是力学刺激的主要响应者,感知力学刺激以直接或间接的方式对刺激做出反应。骨细胞中的力学转导是一个复杂而精细的调节过程,涉及细胞与其周围环境、相邻细胞以及细胞内部不同功能的力学感受器之间的相互作用。目前已知的骨细胞主要力学感受器包括初级纤毛、Piezo离子通道、整合素、细胞外基质以及基于连接蛋白的细胞间连接。这些力学感受器在骨细胞中发挥着至关重要的作用,它们能够感知并转导力学信号,进而调节骨稳态。本文对5种力学感受器进行系统的介绍,以期为理解骨细胞如何响应力学刺激和维持骨组织稳态提供新的视角和认识。

关键词：骨细胞力学刺激力学感受器

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人工关节植入物涂层力学性能评价

医用生物力学 2024年第2期39卷 214-221页

作者：苏健闫师通王建军陈宇陈艳梅李阳郝凤阳郑诚功北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100191 北京市医疗器械检验研究院北京101111 上海交通大学生物医学工程学院上海200240

目的对多孔型人工关节植入物的涂层性能(包括涂层形貌和涂层力学性能)进行分析,总结目前主流产品的涂层性能范围,为新产品的设计研发提供参考,同时为远期植入物取出分析提供依据。方法试验中所用的涂层表面形貌、剪切强度和拉伸强度样品... 详细信息

目的对多孔型人工关节植入物的涂层性能(包括涂层形貌和涂层力学性能)进行分析,总结目前主流产品的涂层性能范围,为新产品的设计研发提供参考,同时为远期植入物取出分析提供依据。方法试验中所用的涂层表面形貌、剪切强度和拉伸强度样品,分别按照ASTM F1854、ASTM F1044和ASTM F1147标准制备,涂层采用等离子喷涂技术加工。共对17套件产品(编号1~17号)的涂层表面形貌(涂层厚度、孔隙率和孔隙截距)进行试验;对编号为1~7号和15、16号产品,首先按照ASTM F1044的试验方法,进行涂层与基体之间的剪切强度试验;然后按照ASTM F1147的试验方法,进行涂层与基体之间的拉伸强度试验。对编号为17的产品,按照ASTM F1044和ASTM F1147的试验方法,分别测试复合涂层和单纯钛涂层的剪切和拉伸强度。结果全部产品中,共15套产品(占比88.2%)涂层厚度300~500μm;金属涂层的产品共16套(编号1~16),其中11套(占比68.75%)涂层孔隙率30%~50%,14套(占比87.5%)涂层孔隙截距50~150μm;涂层的力学性能与基体材质无关;添加羟基磷灰石(HA)后的复合涂层的剪切强度和拉伸强度与纯金属涂层相比,均明显降低。结论针对多孔涂层人工关节的设计制造,其涂层的性能可以参考以下指标:涂层厚度300~500μm,涂层孔隙率30%~50%,涂层孔隙截距50~150μm;可以根据产品的用途选择基体材质;在设计含有HA的复合涂层的植入物时,应考虑结合力较低对产品性能的影响。该性能指标范围能够为远期临床取出物分析提供对照。

关键词：人工关节植入物涂层表面形貌力学性能

连续疲劳干预对膝关节主被动生物力学特性的影响

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医用生物力学 2024年第3期39卷 457-462,468页

作者：孔祥飞王洪丹连子瞻姚杰樊瑜波北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100083 吉林体育学院长春130022

目的探究连续疲劳干预对膝关节主被动生物力学特性的影响。方法招募27位健康大学生在等速力量测试系统上进行疲劳实验。疲劳实验包括3个疲劳周期,每个疲劳周期至少30次股四头肌连续等长收缩。对比不同疲劳周期的最大被动力矩、平均最... 详细信息

目的探究连续疲劳干预对膝关节主被动生物力学特性的影响。方法招募27位健康大学生在等速力量测试系统上进行疲劳实验。疲劳实验包括3个疲劳周期,每个疲劳周期至少30次股四头肌连续等长收缩。对比不同疲劳周期的最大被动力矩、平均最大自主收缩(maximum voluntary contraction, MVC)力矩、股外侧肌和股二头肌肌电积分值以及协同收缩指数(co-contraction index, CI)。结果疲劳周期3后,最大被动力矩显著下降(P0.05)。结论股四头肌等长收缩训练剂量为90次的连续疲劳干预会显著影响膝关节主被动生物力学特性。疲劳干预后,膝关节抵抗被动屈伸能力下降。并且随着疲劳干预进程,股四头肌主动收缩能力下降,股四头肌和腘绳肌肌肉激活也下降,但二者肌群协同收缩水平不变。这种温和的肌群协同收缩模式有益于保持良性膝关节力学加载环境。研究结果有助于理解疲劳后膝关节主被动生物力学特性。

关键词：连续疲劳膝关节协同收缩等长收缩生物力学特性

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光学显微成像助力肿瘤精准医疗

中国激光 2024年第9期 50-68页

作者：杨彬岳蜀华王璞北京航空航天大学生物与医学工程学院北京市生物医学工程高精尖创新中心

精准医疗是当下肿瘤诊疗的核心问题，即针对不同的病人定制治疗方案，以获得更好的治疗效果和预后。因肿瘤生物机制及诊疗方案的复杂性，现行基于基因测序和传统表型功能检测的肿瘤精准医疗临床实践，难以有效制定可覆盖大部分病患和药... 详细信息

精准医疗是当下肿瘤诊疗的核心问题，即针对不同的病人定制治疗方案，以获得更好的治疗效果和预后。因肿瘤生物机制及诊疗方案的复杂性，现行基于基因测序和传统表型功能检测的肿瘤精准医疗临床实践，难以有效制定可覆盖大部分病患和药物选择的治疗方案。光学显微成像技术能够对肿瘤组织和细胞中的基因组、蛋白组和代谢组信息进行定量分析和空间定位，识别特定病患肿瘤分子特征和生化反应异常，从而建立起肿瘤基因组和表型组的认知桥梁。本文介绍了不同光学显微成像技术在肿瘤精准医疗领域的相关研究和应用，包括多重免疫荧光（mIF）、荧光原位杂交（FISH）和相干拉曼散射（CRS）等光学显微成像技术。这些技术可以从肿瘤微环境、分子特征和代谢组学等角度进行深入洞察，在肿瘤精准医疗领域发挥着重要作用。

关键词：肿瘤精准医疗二代测序表型功能检测光学显微成像相干拉曼散射中红外光热成像

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扩散光学成像方法及应用(特邀)

激光与光电子学进展 2024年第8期61卷 1-26页

作者：宋博文赵雁雨北京航空航天大学医学科学与工程学院北京100191

扩散光学成像技术在生物医学领域有着广泛的应用。相较于磁共振成像(MRI)、计算机X射线断层扫描(CT)、正电子发射断层扫描(PET)和超声成像等成像方式,扩散光学成像利用经组织吸收和散射的扩散光进行成像,可无创、无标记、宽场、定量测... 详细信息

扩散光学成像技术在生物医学领域有着广泛的应用。相较于磁共振成像(MRI)、计算机X射线断层扫描(CT)、正电子发射断层扫描(PET)和超声成像等成像方式,扩散光学成像利用经组织吸收和散射的扩散光进行成像,可无创、无标记、宽场、定量测量氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、血氧、水分、脂质、黑色素等成分浓度和组织功能信息,在安全性、特异性和系统成本等方面有明显优势。本文介绍了扩散光学成像的基本原理,包括光与组织的相互作用和光传播模型,并总结扩散光学成像的相关方法和应用,包括脉搏血氧术、漫射光谱、扩散光学层析成像、荧光分子层析成像和空间频域成像,并对它们的未来发展进行了展望。

关键词：扩散光学成像组织光学功能信息生物医学光学

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衰老引发的糖萼损伤与血管功能障碍

医用生物力学 2024年第2期39卷 368-374页

作者：张梓航高朵岚戴鑫源刘添李明翰邓小燕康红艳北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心北京100083

血管内皮糖萼(endothelial glycocalyx,EG)是位于血管内表面的一层多糖蛋白复合结构,其损伤与动脉粥样硬化、中风、脓毒症、糖尿病、肾脏疾病、高血压、肺水肿等诸多疾病存在关联。基于此,糖萼的健康程度已被列为评估血管健康的重要指... 详细信息

血管内皮糖萼(endothelial glycocalyx,EG)是位于血管内表面的一层多糖蛋白复合结构,其损伤与动脉粥样硬化、中风、脓毒症、糖尿病、肾脏疾病、高血压、肺水肿等诸多疾病存在关联。基于此,糖萼的健康程度已被列为评估血管健康的重要指标。研究表明,衰老会伴随糖萼发生退行性改变,体现在其厚度变薄、合成及降解相关酶基因水平的失调等方面。作为血管的天然保护性屏障,衰老引发的糖萼损伤与血管舒缩功能受损、通透性增大、炎症及免疫反应失调、凝血/抗凝功能失衡等存在关联。从“结构决定功能”角度出发,开展衰老过程中糖萼厚度、成分、微观结构、力学特性等变化规律及其与血管功能障碍的相关性研究,对于预防、诊断、治疗动脉粥样硬化等年龄相关性心血管疾病具有重要意义。

关键词：糖萼衰老血管功能障碍动脉粥样硬化

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睡眠期间肠鸣音信号的鼾声噪声去除方法

生物医学工程学杂志 2024年第2期41卷 288-294页

作者：王国静王卫东刘洪运北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100191 中国人民解放军总医院医学创新研究部北京100853 中国人民解放军总医院工业和信息化部生物医学工程与转化医学重点实验室北京100853

肠鸣音监测是评估睡眠期间肠动力的重要方法,但会受到鼾声噪声的严重影响。本文将自适应噪声的完备集合经验模态分解(CEEMDAN)方法用于睡眠期间肠鸣音的鼾声噪声去除。具体地,先对带噪肠鸣音进行带通滤波,然后使用CEEMDAN方法分解,最后... 详细信息

肠鸣音监测是评估睡眠期间肠动力的重要方法,但会受到鼾声噪声的严重影响。本文将自适应噪声的完备集合经验模态分解(CEEMDAN)方法用于睡眠期间肠鸣音的鼾声噪声去除。具体地,先对带噪肠鸣音进行带通滤波,然后使用CEEMDAN方法分解,最后选择适当的分量重构纯净肠鸣音。半模拟数据和真实数据验证表明,与普通的经验模式分解和小波去噪方法相比,CEEMDAN方法能更有效地去除鼾声噪声。CEEMDAN方法用于睡眠期间肠鸣音鼾声噪声去除,可为肠鸣音用于睡眠期间肠动力评估奠定重要基础。

关键词：肠鸣音鼾声自适应噪声的完备集合经验模态分解去噪