组织工程概要
互联网
1524
组织工程（Tissue Engineering）是近年来正在兴起的一门新兴学科，组织工程一词最早是由美国国家科学基金会1987年正式提出和确定的。它是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。
组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。共基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的。
在此，生物相容性好、可被人体降解吸收的组织工程支架材料称为细胞外基质（ECM），其功能是为细胞提供生存空间，使细胞获足够的营养物质，进行气体交换，并使细胞按预制形态的三维支架生长。在细胞和生物材料的复合体植入机体病损部位后，生物支架被降解吸收，但种植的细胞继续增殖繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织器官。
组织工程是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上的又一新的里程碑，它标志着医学将走出器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代。同时，组织工程学作为一门多学科交叉的边缘学科，将带动和促进相关高技术领域的交叉、渗透和发展，并由此演化出新的高技术产业。组织工程将是21世纪具有巨大潜能的高技术产业，必将产生巨大的社会和经济效益。
组织工程的概念一提出，就受到各国学者的广泛关注，美国在1988年就以基金和资助的形式建立了一系列实验室。目前，美国已有相当数量的研究机构（包括NASA、DOE、NIH等），许多相关大学（包括MIT、HMS、GIT、UCSD、UMASTFFU）都参与了组织工程的研究。同时，我国的许多学者以敏锐的科研意识与思维，不约而同掀起了一股组织工程热，目前已在软骨、骨、肌腱、血管、皮肤、角膜等领域取得了可喜的进展。组织工程研究包括以前四个方面。
组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。共基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的。
在此，生物相容性好、可被人体降解吸收的组织工程支架材料称为细胞外基质（ECM），其功能是为细胞提供生存空间，使细胞获足够的营养物质，进行气体交换，并使细胞按预制形态的三维支架生长。在细胞和生物材料的复合体植入机体病损部位后，生物支架被降解吸收，但种植的细胞继续增殖繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织器官。
组织工程是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上的又一新的里程碑，它标志着医学将走出器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代。同时，组织工程学作为一门多学科交叉的边缘学科，将带动和促进相关高技术领域的交叉、渗透和发展，并由此演化出新的高技术产业。组织工程将是21世纪具有巨大潜能的高技术产业，必将产生巨大的社会和经济效益。
组织工程的概念一提出，就受到各国学者的广泛关注，美国在1988年就以基金和资助的形式建立了一系列实验室。目前，美国已有相当数量的研究机构（包括NASA、DOE、NIH等），许多相关大学（包括MIT、HMS、GIT、UCSD、UMASTFFU）都参与了组织工程的研究。同时，我国的许多学者以敏锐的科研意识与思维，不约而同掀起了一股组织工程热，目前已在软骨、骨、肌腱、血管、皮肤、角膜等领域取得了可喜的进展。组织工程研究包括以前四个方面。
一、种子细胞研究
种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要来源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组织细胞应为首选。由于组织工程细胞培养多需要高浓度的细胞接种，自体组织细胞存在着数量上的局限性及长期传代后细胞功能老化的问题。现在的研究多集中于以下的几个方面：
1．载体等技术用于细胞的快速增殖。
2．干细胞工程 干细胞工程是利用现代生物医学和组织工程技术，通过对间充质干细胞、胚胎干细胞、血管-造血干细胞、神经干细胞和皮肤、肌肉等前体细胞，进行体外分离纯化、定向诱导分化、转基因及核移植、大量扩增和整合构建，在体外重构人骨、软骨、肌肉、肌腱、瓣膜、脂肪、真皮、基质、神经、血管、皮肤、角膜以及造血和免疫等组织。它作为组织工程的“上游”研究，对未来的组织器官修复和替代具有极其重要的作用和深远的影响。在组织器官的细胞来源、细胞扩增与定向诱导分化、重构组织器官的种类、重构效率、重构组织器官的植入等方面，与传统的组织工程相比均存在着明显的不同和优势。其中骨髓基质干细胞是一研究热点。
3．采用各种生长因子和断粒酶调节与延缓细胞的老化。
4．采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、病毒等方法）诱导细胞发生转化，使其倍增时间减少，永生化或生命期延长，也是一个努力方向。
但是要建立适于组织工程需要的种子细胞，需要解决以下问题：①增加细胞的增殖能力；②延长细胞的生命期；③提高细胞的分泌能力；④优选不同组织来源的同一功能的最佳细胞；⑤建立标准细胞系，使研究工作有更好的可比性和科学性；⑥同种异体与异种移植的免疫学；⑦细胞与人工细胞外基质的相互作用及影响因素。
采用同种异体细胞来源，在目前仅对少数组织细胞（如软骨组织的组织工程培养）有望获得成功。
二、细胞外基质的研究
细胞外基质（extracelluarmatrix,ECM）包括均质状态的基质（蛋白多糖、糖蛋白）和细丝状的胶原纤维。ECM是细胞附着的基本框架和代谢场所，其形态和功能直接影响所构成的组织形态和功能。
理想的ECM应具有以下特点：①生物相容性好，在体内不引起炎症反应和毒性反应；②有可吸收性，能彻底地被自身组织所取代；③有可塑性，可塑为任意的三维结构，植入后在体内仍可保持特定形状；④表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长；⑤降解速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。
目前组织工程所应用的材料很多，主要分为以下几类：
1．天然ECM早期人们采用胶原制作人工皮和血管的模型，由于胶原存在着力学性质差，不稳定，在体内被吸收过快等缺点，限制了它的应用。现在主要研究集中于采用脱细胞技术制造天然的ECM，其优点在于可以作为组织充填物而长期存在，有较好的组织相容性和亲和性，完整的天然ECM内可能存在着某些复合生长因子，可诱导调节细胞的生长、繁殖、分化等。
2．人工的ECM目前研究最多订有聚乳酸（polylacticacidPLA）、聚羟基乙酸（polyglycolicacidPGA）、两者的共聚物（PGA-PLA）、聚ρ-羟基丁酯（PHB）；聚乳酸-已内酯的共聚物（PLC）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐等。这些材料的共同特点是：具有生物相容性及可塑性，在体内可逐步分解为小分子如乳酸、羟基乙酸等，目前研究主要集中于人工材料的改性、复合某些生长因子等。尽管这些聚合物植入体内会出现或多或少炎症反应，但有望通过进一步的纯化而减弱或消失。
3．天然高分子同合成高分子的复全物 如胶原-PCA的复合特等。
4．有机材料同无机材料的复合物
如羟基磷灰石-甲壳素的复合物，羟基磷灰石-PLA的复合物等。
三、组织器官的构建
组织和器官的构建因应用于不同的方面，方法也不相同。但其本质都是把种子细胞与支架材料结合得到设计的组织或器官。在此，仅以组织工程骨的构建和血管的构建为例。
1．骨组织构建
构建组织工程骨的方式有几种：①支架材料与成骨细胞；②支架材料与生长因子；③支架材料与成骨细胞加生长因子。
生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的合成而作用于成骨过程，因此，在骨组织工程中有广泛的应用前景。常用的生长因子有：成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF-ρ）、胰岛素样生长因子（IGF）、血小板衍化生长因子（PDGF）、骨形态发生蛋白（BMP）等。它们不仅可单独作用，相互之间也存在着密切的关系，可复合使用。目前国外重点研究的项目之一，就是计算机辅助设计并复合生长因子的组织工程生物仿真下颌骨支架。有人采用rhBMP-胶原和珊瑚羟基磷灰石（CHA）复骨诱导性的骨移植、修复大鼠颅骨缺损，证实了复合人工骨具有良好的骨诱导性和骨传导性，可早期与宿主骨结合，并促进宿主骨长大及新骨形成。用rhBMP-胶原和珊瑚复合人工骨修复兔下颌骨缺损，结果显示：
2个月时，复合人工骨修复缺捐赠 的交果优于单纯珊瑚3个月时，与自体骨移植的修复交果无明显差异。
目前，用组织工程骨修复骨缺损的研究，已从取材、体外培养、细胞到支架材料复合体形成等都得到了成功。有人用自体骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物修复兔下颌骨缺损，结果表明：术后3个月，单独珊瑚组及空白对照组缺损未完全修复；珊瑚-骨髓组和珊瑚-rhBMP-2组及单独骨髓组已基本修复了缺损；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物组在2个月时缺损即可得到修复。我们用骨基质成骨细胞与松质骨基质复合物自体移植修理工复颅骨缺损的动物实验，也取得了满意的治疗效果。
带血管蒂的骨组织工程是将骨细胞种植于预制带管蒂的生物支架材料上，将它作为一种细胞传送装置。我们将一定形状的thBMP-2、胶原、珊瑚复合物植入狗髂骨区预制骨组织瓣，3个月时，复合物已转变成血管化骨组织。
组织工程骨的构建又可以分为体内构建和体外构建两种形式，体内构建是将成骨细胞-支架复合物植入体内，修复骨缺损。体外构建则是通过体外组织培养的方法应用水降解支架材料，接种成骨细胞，构建骨组织。体外构建虽然具有一些在体内构建难以实现的优点，但是在传统的静态培养条件下不能建造出厚度大于0.7cm的骨组织。生物反应器和灌注培养系统的先后出现，改善了细胞、组织在体外培养的条件，有助于模拟体内环境、获得营养、排除代谢产物和物质交换，和促进组织工程产品实现商品化。
2．组织工程血管构建
构建组织工程血管有两种：①用正常动脉壁细胞与细胞外基质重建血管；②用正常血管壁细胞、细胞外基质和可降解材料构建血管。
血管壁中切取弹性基膜，并在其上培养鼠动脉平滑肌细胞；或用工型胶原制备基质材料与各型血管壁细胞成分合成血管模型。首先将平滑肌细胞与成纤维细胞分别培养形成细胞层，将成纤细胞层脱水去细胞形成内膜（IM），再将内膜绕在中轴上，外裹平滑肌细胞和成纤细胞层，经过体外8周长时间成熟后，内壁注入内皮细胞使之内皮化。各项检测及动物实验，结果从机械强度、血液相容性、可缝合性等方面效果满意。但整个制备过程需长时间的成熟期，约需3个月作用，其后期效果有待进一步观察。
由于生物基质材料机械性能差，随着可降解材料的研究深入，使其成为组织工程再造血管的一大热点材料，常用的有聚羟基乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PLLA）等。Kim在PGA网格中，通过静态、动态、旋转接种三种方法种植平滑肌细胞，培养血管平滑肌组织。N iklason将平滑肌细胞种植于管状PGA材料中，在模拟血管搏动的环境中培养8周，使之形成成熟的平滑肌组织，内膜层接种内皮细胞后，再在相同的环境中培养8周，形成的组织工程血管可耐受2000mmHg压力，缝合强度达90g，胶原含量达50%。
血管模型对特定药物具有收缩反应，平滑肌细胞还表现出分化特性。
组织工程再造血管具有高度生物相容性、可塑性、异物反应小、无致血栓生成、无感染等特点，并且随着组织的长大，最终可成为完全说明书义上的自体血管。这一研究将给心血管疾病的治疗，乃至组织器官的移植与再造带来曙光。
四、组织工程临床应用
组织工程中临床应用是在组织构建完成了动物试验之后，在人体上的应用，这也是组织工程的最后一步。目前，组织工程的研究只有活性皮肤达到了这一步。
种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要来源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组织细胞应为首选。由于组织工程细胞培养多需要高浓度的细胞接种，自体组织细胞存在着数量上的局限性及长期传代后细胞功能老化的问题。现在的研究多集中于以下的几个方面：
1．载体等技术用于细胞的快速增殖。
2．干细胞工程 干细胞工程是利用现代生物医学和组织工程技术，通过对间充质干细胞、胚胎干细胞、血管-造血干细胞、神经干细胞和皮肤、肌肉等前体细胞，进行体外分离纯化、定向诱导分化、转基因及核移植、大量扩增和整合构建，在体外重构人骨、软骨、肌肉、肌腱、瓣膜、脂肪、真皮、基质、神经、血管、皮肤、角膜以及造血和免疫等组织。它作为组织工程的“上游”研究，对未来的组织器官修复和替代具有极其重要的作用和深远的影响。在组织器官的细胞来源、细胞扩增与定向诱导分化、重构组织器官的种类、重构效率、重构组织器官的植入等方面，与传统的组织工程相比均存在着明显的不同和优势。其中骨髓基质干细胞是一研究热点。
3．采用各种生长因子和断粒酶调节与延缓细胞的老化。
4．采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、病毒等方法）诱导细胞发生转化，使其倍增时间减少，永生化或生命期延长，也是一个努力方向。
但是要建立适于组织工程需要的种子细胞，需要解决以下问题：①增加细胞的增殖能力；②延长细胞的生命期；③提高细胞的分泌能力；④优选不同组织来源的同一功能的最佳细胞；⑤建立标准细胞系，使研究工作有更好的可比性和科学性；⑥同种异体与异种移植的免疫学；⑦细胞与人工细胞外基质的相互作用及影响因素。
采用同种异体细胞来源，在目前仅对少数组织细胞（如软骨组织的组织工程培养）有望获得成功。
二、细胞外基质的研究
细胞外基质（extracelluarmatrix,ECM）包括均质状态的基质（蛋白多糖、糖蛋白）和细丝状的胶原纤维。ECM是细胞附着的基本框架和代谢场所，其形态和功能直接影响所构成的组织形态和功能。
理想的ECM应具有以下特点：①生物相容性好，在体内不引起炎症反应和毒性反应；②有可吸收性，能彻底地被自身组织所取代；③有可塑性，可塑为任意的三维结构，植入后在体内仍可保持特定形状；④表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长；⑤降解速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。
目前组织工程所应用的材料很多，主要分为以下几类：
1．天然ECM早期人们采用胶原制作人工皮和血管的模型，由于胶原存在着力学性质差，不稳定，在体内被吸收过快等缺点，限制了它的应用。现在主要研究集中于采用脱细胞技术制造天然的ECM，其优点在于可以作为组织充填物而长期存在，有较好的组织相容性和亲和性，完整的天然ECM内可能存在着某些复合生长因子，可诱导调节细胞的生长、繁殖、分化等。
2．人工的ECM目前研究最多订有聚乳酸（polylacticacidPLA）、聚羟基乙酸（polyglycolicacidPGA）、两者的共聚物（PGA-PLA）、聚ρ-羟基丁酯（PHB）；聚乳酸-已内酯的共聚物（PLC）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐等。这些材料的共同特点是：具有生物相容性及可塑性，在体内可逐步分解为小分子如乳酸、羟基乙酸等，目前研究主要集中于人工材料的改性、复合某些生长因子等。尽管这些聚合物植入体内会出现或多或少炎症反应，但有望通过进一步的纯化而减弱或消失。
3．天然高分子同合成高分子的复全物 如胶原-PCA的复合特等。
4．有机材料同无机材料的复合物
如羟基磷灰石-甲壳素的复合物，羟基磷灰石-PLA的复合物等。
三、组织器官的构建
组织和器官的构建因应用于不同的方面，方法也不相同。但其本质都是把种子细胞与支架材料结合得到设计的组织或器官。在此，仅以组织工程骨的构建和血管的构建为例。
1．骨组织构建
构建组织工程骨的方式有几种：①支架材料与成骨细胞；②支架材料与生长因子；③支架材料与成骨细胞加生长因子。
生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的合成而作用于成骨过程，因此，在骨组织工程中有广泛的应用前景。常用的生长因子有：成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF-ρ）、胰岛素样生长因子（IGF）、血小板衍化生长因子（PDGF）、骨形态发生蛋白（BMP）等。它们不仅可单独作用，相互之间也存在着密切的关系，可复合使用。目前国外重点研究的项目之一，就是计算机辅助设计并复合生长因子的组织工程生物仿真下颌骨支架。有人采用rhBMP-胶原和珊瑚羟基磷灰石（CHA）复骨诱导性的骨移植、修复大鼠颅骨缺损，证实了复合人工骨具有良好的骨诱导性和骨传导性，可早期与宿主骨结合，并促进宿主骨长大及新骨形成。用rhBMP-胶原和珊瑚复合人工骨修复兔下颌骨缺损，结果显示：
2个月时，复合人工骨修复缺捐赠 的交果优于单纯珊瑚3个月时，与自体骨移植的修复交果无明显差异。
目前，用组织工程骨修复骨缺损的研究，已从取材、体外培养、细胞到支架材料复合体形成等都得到了成功。有人用自体骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物修复兔下颌骨缺损，结果表明：术后3个月，单独珊瑚组及空白对照组缺损未完全修复；珊瑚-骨髓组和珊瑚-rhBMP-2组及单独骨髓组已基本修复了缺损；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物组在2个月时缺损即可得到修复。我们用骨基质成骨细胞与松质骨基质复合物自体移植修理工复颅骨缺损的动物实验，也取得了满意的治疗效果。
带血管蒂的骨组织工程是将骨细胞种植于预制带管蒂的生物支架材料上，将它作为一种细胞传送装置。我们将一定形状的thBMP-2、胶原、珊瑚复合物植入狗髂骨区预制骨组织瓣，3个月时，复合物已转变成血管化骨组织。
组织工程骨的构建又可以分为体内构建和体外构建两种形式，体内构建是将成骨细胞-支架复合物植入体内，修复骨缺损。体外构建则是通过体外组织培养的方法应用水降解支架材料，接种成骨细胞，构建骨组织。体外构建虽然具有一些在体内构建难以实现的优点，但是在传统的静态培养条件下不能建造出厚度大于0.7cm的骨组织。生物反应器和灌注培养系统的先后出现，改善了细胞、组织在体外培养的条件，有助于模拟体内环境、获得营养、排除代谢产物和物质交换，和促进组织工程产品实现商品化。
2．组织工程血管构建
构建组织工程血管有两种：①用正常动脉壁细胞与细胞外基质重建血管；②用正常血管壁细胞、细胞外基质和可降解材料构建血管。
血管壁中切取弹性基膜，并在其上培养鼠动脉平滑肌细胞；或用工型胶原制备基质材料与各型血管壁细胞成分合成血管模型。首先将平滑肌细胞与成纤维细胞分别培养形成细胞层，将成纤细胞层脱水去细胞形成内膜（IM），再将内膜绕在中轴上，外裹平滑肌细胞和成纤细胞层，经过体外8周长时间成熟后，内壁注入内皮细胞使之内皮化。各项检测及动物实验，结果从机械强度、血液相容性、可缝合性等方面效果满意。但整个制备过程需长时间的成熟期，约需3个月作用，其后期效果有待进一步观察。
由于生物基质材料机械性能差，随着可降解材料的研究深入，使其成为组织工程再造血管的一大热点材料，常用的有聚羟基乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PLLA）等。Kim在PGA网格中，通过静态、动态、旋转接种三种方法种植平滑肌细胞，培养血管平滑肌组织。N iklason将平滑肌细胞种植于管状PGA材料中，在模拟血管搏动的环境中培养8周，使之形成成熟的平滑肌组织，内膜层接种内皮细胞后，再在相同的环境中培养8周，形成的组织工程血管可耐受2000mmHg压力，缝合强度达90g，胶原含量达50%。
血管模型对特定药物具有收缩反应，平滑肌细胞还表现出分化特性。
组织工程再造血管具有高度生物相容性、可塑性、异物反应小、无致血栓生成、无感染等特点，并且随着组织的长大，最终可成为完全说明书义上的自体血管。这一研究将给心血管疾病的治疗，乃至组织器官的移植与再造带来曙光。
四、组织工程临床应用
组织工程中临床应用是在组织构建完成了动物试验之后，在人体上的应用，这也是组织工程的最后一步。目前，组织工程的研究只有活性皮肤达到了这一步。
