淺論醫(yī)學組織工程研究的回顧與展望

淺論醫(yī)學組織工程研究的回顧與展望

【關鍵詞】醫(yī)學組織工程

器官和組織的缺損或衰竭是臨床遇到的極具危害性的醫(yī)學難題,盡管目前人們通過器官或組織移植、外科再造和使用機械裝置等治療手段,解決了一些現(xiàn)實問題,但這些方法均存在不少缺陷。因此,人們一直在尋求一種新的治療方法。隨著多學科成果和技術不斷交叉、融合和相互滲透,逐漸形成了一門新的交叉學科——醫(yī)學組織工程學。作為一場意義深遠的醫(yī)學革命，在醫(yī)學界它被譽為是繼細胞生物學和分子生物學之后，生命科學發(fā)展史上又一新的里程碑。

1醫(yī)學組織工程概述

組織工程學概念的提出始于20世紀80年代末,由于其重要的科學意義、巨大的臨床應用前景、潛在的開發(fā)價值,受到了各國科學界的重視。醫(yī)學組織工程學利用工程學和生命科學的原理來研究和發(fā)展具有生物活性的人工替代物,融合了細胞生物學、工程科學、材料科學和臨床醫(yī)學等相關知識。核心理念就是將體外培養(yǎng)的高濃度的正常細胞擴增后，吸附在生物材料上,形成具有三維空間結(jié)構(gòu)的復合體，然后將復合體植入組織器官的病損部位,種植的細胞在生物材料被機體逐漸降解吸收過程中繼續(xù)生長繁殖,形成新的具有相應形態(tài)和功能的組織和器官,從而達到修復創(chuàng)傷和重建功能的目的［1］。其最大優(yōu)點是可形成具有生命力的活體組織，進行形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的重建并達到永久性替代，根據(jù)組織器官缺損情況進行塑形，達到完美的修復。

目前組織工程學的研究手段已經(jīng)不再局限于初始階段的細胞生物學和動物實驗技術、分子生物學技術，而是廣泛應用基因克隆技術、轉(zhuǎn)基因技術、移植免疫學技術、生物材料合成與改良技術、生物材料的編織技術、生物力學技術、影像學技術和生物反應器等先進技術［2］，極大地提升了組織工程學的研究水平和其自身的發(fā)展速度。與傳統(tǒng)的自體或異體組織、器官移植相比,克服了以創(chuàng)傷修復創(chuàng)傷的缺陷,將從根本上解決組織、器官缺損的修復和功能重建等問題。

2種子細胞

種子細胞是醫(yī)學組織工程的生命源泉，它要確保在體外培養(yǎng)時有很強的增殖能力，并能定向分化，同時要保持其原來的生理性狀。大多數(shù)觀點認為種子細胞進入新的微環(huán)境后，會對新的微環(huán)境中的調(diào)節(jié)信號做出反應，從而定向分化為目的細胞。同時具備這些特點的干細胞就成了種子細胞的首選。應用干細胞治療疾病較傳統(tǒng)方法還具有低毒性，一次藥有效；不需要完全了解疾病發(fā)病的確切機理；避免產(chǎn)生免疫排斥反應等諸多優(yōu)點。在臨床治療中，造血干細胞應用較早，在提高治療有效率和縮短療程方面優(yōu)于常規(guī)治療，且效果令人滿意。

按分化潛能干細胞基本上可分為三種類型：一類是全能性干細胞，它具有形成完整個體的分化潛能。如胚胎干細胞，它可從早期胚胎的原始胚細胞及原始生殖細胞中分離培養(yǎng)獲得，具有與早期胚胎細胞相似的形態(tài)特征和很強的分化能力，能分化出成體動物的所有組織和器官。由于在醫(yī)學和生物學上具有巨大的潛力，而備受各國的高度重視，使其成為當前生物工程領域的核心問題之一，在這一領域，世界性的研究開發(fā)競爭正在迅速展開。ES細胞最誘人的前景是生產(chǎn)組織和細胞,用于“細胞療法”,為細胞移植提供源源不盡的無免疫性的材料。任何涉及喪失正常細胞的疾病都可以通過移植細胞來治療,包括帕金森病、糖尿病、外傷性脊髓損傷、細胞變性病、心肌病和骨損傷等［3］。盡管ES細胞培養(yǎng)體系和來源問題研究已經(jīng)取得了巨大進展,但應用于臨床還存在很多技術上的難題：其中最為重要的是其分化問題,目前關于ES細胞自我更新機制及其向不同組織細胞分化的機制均尚不清楚,因此如何防止其在體外培養(yǎng)時發(fā)生分化以及如何誘導得到純化的分化細胞尚待研究；由于人胚胎干細胞來自具有發(fā)育成一個個體潛力的人胚胎,所以其研究不可避免地引發(fā)倫理道德問題的爭議，并且在實際應用中還不能避免免疫排斥。

另一類是多能性干細胞，這種干細胞具有分化為多種細胞組織的潛能，一般認為其具有組織特異性，只能分化成特定的細胞或組織。人們可望從自體中分離出成體干細胞，在體外定向誘導分化為靶組織細胞并保持增殖能力，將這些細胞回輸入體內(nèi)，從而達到長期治療的目的。在特定條件下，成體干細胞或者產(chǎn)生新的干細胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能細胞，從而使組織和器官保持生長和衰退的動態(tài)平衡。成體干細胞是普遍存在的，常位于特定的微環(huán)境中，問題關鍵在于如何尋找和分離各種組織特異性干細胞。成體干細胞具有多分化潛能，其中骨髓基質(zhì)細胞和脂肪源干細胞已有大量研究及部分臨床應用，在個體化治療中已用于骨、軟骨、心肌再生等領域；在群體化治療中需要解決同種異體移植的免疫原性問題，采用基因敲除技術或RNA清除技術去除抗原可能解決異基因細胞同種移植的免疫反應，但也有可能影響被敲除基因的其他功能［4］。最近，美國和日本相繼公布了從人皮膚成纖維細胞轉(zhuǎn)化為胚胎干細胞樣細胞的研究成果，為解決這些問題帶來了曙光，但要實現(xiàn)應用這一目標，還要進行

支架材料在醫(yī)學組織工程研究中起中心作用，可為細胞提供黏附、增殖、分化并進而為組織的形成提供載體，還起到模板作用，引導組織再生和控制組織結(jié)構(gòu)。作為理想的生物支架材料至少應具備以下特點:①良好的生物相容性：植入機體內(nèi)不會引起炎性反應和毒性反應損害新組織的功能，維持正常細胞功能發(fā)揮;②良好的可塑性：根據(jù)目的組織器官加工成特定的三維結(jié)構(gòu);③具有緩釋功能：支架的降解速率可根據(jù)不同細胞組織再生速度進行調(diào)整，而且能徹底被新生的自然組織所替代;④支架的表面化學特性和表面微結(jié)構(gòu)適合細胞粘附。因此尋找一種既具有良好生物相容性和生物降解性又具有特定形狀和連通三維多孔結(jié)構(gòu)的支架材料是組織工程成敗之關鍵因素。

近年來,人們不僅在組織工程的最早產(chǎn)品人工皮膚領域進行了更為完善的研究和開發(fā),同時,在諸如人工骨、軟骨、神經(jīng)、血管材料等各系統(tǒng),都進行了大量的研究和探索。目前研究的組織工程支架材料各自有各自的優(yōu)點但也有不可避免的缺陷。國外研究較多的是PGA、PLA、PL2GA等。這些材料具有可標準化生產(chǎn)、可降解、細胞相容性好等優(yōu)點,但是這類材料本身亦存在一些固有不足,如生物相容性差及機械強度不穩(wěn)定等?；谶@些原因,研究人員一方面探索對聚醋類材料進行表面修飾,同時也在積極尋找其它類型的支架材料。通過對材料表面進行修飾,改善細胞與支架材料的相互作用;通過模擬細胞生長微環(huán)境,制備仿生材料,提高材料的親水性、對細胞的黏附性,促進細胞的分化增殖。將合成材料與天然材料有機結(jié)合,已成為未來組織工程材料發(fā)展的新趨勢。

研制復合材料、仿生材料、改性天然材料、納米材料,是當前支架材料研究的主要方向。越來越多的學者設計出具有合適降解度、良好通透性、組織相容性好的軟骨細胞體外培養(yǎng)支架材料。新材料的開發(fā)要求具有良好的各項生物學特性。通過將緩慢釋放的生長因子或相關的基因整合到材料中,形成具有生物活性的生物材料,可以使種子細胞能在更接近于體內(nèi)環(huán)境的生物材料上增殖、分泌基質(zhì)、最終形成組織。

在組織工程材料的合成與制備中通過采用納米技術對生物材料表面的改性或者直接采用納米材料或復合材料,不僅能提高細胞對材料的黏附能力,也能提高材料的生物相容性,同時通過材料表面與細胞間相互的生物作用,能刺激并誘發(fā)所期望的細胞效應,有利于細胞的分化和增殖，納米材料以其與傳統(tǒng)材料無可比擬的生物學性能,已在組織工程和生物材料研究中顯示出廣闊的應用前景。納米技術、組織工程技術和生物技術的發(fā)展與綜合,將為培養(yǎng)支架的研究提供新的選擇。

4生物活性因子

人體內(nèi)的生長因子是通過細胞信號傳遞影響細胞活力的一類多肽因子,通過自分泌、旁分泌及內(nèi)分泌作用,促進或抑制細胞生長、繁殖、遷移、黏附和基因表達的作用。在醫(yī)學組織工程研究中,也需要在損傷組織的修復與病損器官的再生與功能重建中供給生長因子以促進種子細胞的分化和增殖。目前實驗中常用的生長因子有成纖維細胞生長因子：610-613.

［5］HwangWS,RyuYJ,ParkJH,etal.Evidenceofapluripotenthumanembryonicstemcelllinederivedfromaclonedblastocyst［J］.Science，2004,303(3):1669-1674.

［6］BalmayorER,TuzlakogluK,MarquesAP，etal.Anovelenzymatically-mediateddrugdeliverycarrierforbonetissueengineeringapplications:combiningbiodegradablestarch-basedmicroparticlesanddifferentiationagent