组织工程面临的挑战

　　利用细胞和合成聚合物建造新器官存在着可怕的障碍，但却是可以克服的。

　　组织工程正成为医学科学中欣欣向荣的新领域，仅仅在几年前，大多数科学家认为人类组织只能通过从捐献者那里直接移植或利用由塑料、金属和计算机芯片制造的完全人工部件进行替换。许多人认为完整的生物人工器官——由活细胞与自然的或人工的聚合物融合创造的混合物——永远不能制造出来，人类移植器官的短缺问题只能通过某种程度利用来自动物的器官而获得解决。

　　然而，现在世界各地实验室进行的创新性和富于想象力的工作表明，制造生物混合器官是完全可行的。开发组织工程产品的生物技术公司的销售额己接近40亿美元，并且每年的开支为此额的25％以上。不过，在这些投资通过可靠地减轻许多组织中的疾病所引起的人类痛苦而得到回报之前，组织工程必须克服某些重大的困难。

　　现成的细胞确定细胞的可靠来源是组织工程的首要前提。动物细胞是个可能的来源，但确保它们具有安全性依然是个令人关注的问题，因为免疫系统对其排斥的可能性很高。基于这些原因，人类细胞是首选对象。
最近，对人类胚干细胞一一能够发育成一系列组织从而形成人的细胞——的鉴别提供了解决此问题的一种方法。但是，从能够操纵培养中的胚干细胞到能够生产可用于创造或修复特定器官的完全分化细胞，研究人员还有很长的路要走。

　　一个更直接的目标是从组织中分离出所谓的起源细胞。这种细胞向专化方向走了几步，但因为它们尚未完全分化，因而具有足够的灵活性可以补充几种不同类型的细胞。例如，克利夫兰临床诊所Arnold I.Caplan及其同事已从人类骨髓中分离出起源细胞，这种细胞在实验室中经过促导能够形成构成骨的成骨细胞或组成软骨的软骨细胞。与此类似的是，北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校Lola Reid已在成人的肝中鉴别出了小卵形起源细胞，这种细胞在培养物中经过操纵后能够形成成熟的肝细胞(此细胞产生胆汁并消除毒素)或者衬垫胆管的上皮细胞。

　　培养“万能供体”细胞系可能又是一种方法。为了得到这种细胞，科学家要除掉或利用其他分子去盖住细胞表面的将供体细胞视为“异己”的蛋白质。马萨诸塞州Diacrin公司现正采用这种策略制造人类移植可以接受的某些类型的猪细胞。 Diacrin公司还计划利用“掩盖”技术使细胞在不相配的人供体之间进行移植。该公司已获主管部门批准，就某些肝病开始进行掩盖人类肝细胞的人类试验。

　　从原理上讲，这些万能供体细胞不会遭到受体排异；它们能从来自许多不同组织的多种类型细胞中产生，并在培养物中不停生长直至需要之时。但尚不清楚万能供体细胞在大规模临床试验中的表现如何。

零部件工厂

　　寻找生产细胞和组织的最佳途径远非一帆风顺的事情。科学家只鉴定出了几种引导胚干细胞和起源细胞分化为专化细胞的生化信号，我们还不能从骨髓中分离出于细胞和起源细胞的培养物而同时又不让结缔组织细胞如成纤维细胞混入其中。(成纤维细胞是不需要的东西，因为它们分裂迅速并会超过干细胞培养物的生长。)

　　此外，科学家必须开发出在所谓生物反应器中大量培育细胞的更加先进的方法，生物反应器是安装了将营养物、气体(如氧气和二氧化碳)和废物控制在适当数量水平的搅拌器和传感器的培养室。现有的方法产生的细胞数量常常太少，或者产生的组织片常常比需要的薄。不过，新的解决方案已经出现。几年来，研究人员努力培育足够厚的软骨片以适合于医疗应用，例如取代膝盖中损伤的软骨。但是一旦软骨生长超过了一定的厚度，中心的软骨细胞就会离生长载体过远而吸收不到营养物和气体，无法对生长调节化学和物理信号作出反应，或者不能排去废物。麻省理工学院Gordana Vunjak—Novakovic和Lisa Freed在生物反应器中的三维聚合物载体中培养软骨细胞，从而解决了这一问题。该载体相对疏松的结构和生物反应器的搅拌作用确保所有细胞均匀地附着于载体材料并得到培养媒体的滋润。随着组织在生物反应器中的生长，使其机械特性达到最佳将是极为关键的问题，因为许多组织在受到扩展、拉动或压缩作用时会作出反应，进行重构或改变它们的总体结构。例如，当组织工程软骨在把正在发育的组织暴露给流体作用力的变动的转动器皿中进行培养时，它就会变得更大，从而包含更多的形成细胞外基质的胶原和其他蛋白质基质。基质是类似蜘蛛网的网状结构，作用是支撑细胞生长和构成组织。)以这种方式培育的软骨，包含了细胞外基质蛋白质，从而使其更稳固，更持久，对外力更易作出生理反应。

　　同样，加州大学圣迭戈分校John A.Frangos也揭示，在生物反应器中搅拌的珠状胶原媒体上培育的成骨细胞比在平坦的静止盘中培育的成骨细胞形成更多的骨无机物。现在杜克大学的Lawrn E．Niklason证实，如果让组织工程小动脉的培养基产生脉动(类似于搏动心脏所产生的血压)，那么这些由内皮细胞(血管衬)和平滑骨细胞构成的管状组织工程小动脉就能展现更接近于自然管的机械特性。另外几个小组(包括我们小组在内)正在开发培养骨骼肌和心肌的方法，这些组织随着物理应力而变得越来越强健。

欲求之特性

　　了解怎样调节细胞行为是又—个重大挑战。活系统的复杂程度是难以置信的：例如，人肝就包含组织成称为小叶的显微序列的6种不同细胞类型。每个细胞都能完成数百种不同的生化反应。更为重要的是，每个细胞的生化活动常常依赖于同其他细胞间的相互关系和遍布每种组织的细胞外基质网络。举例来说，密执安大学David J．Mooney揭示，肝细胞会根据它们赖以生长的物质的粘性状况而产生不同数量的某一特定蛋白质。为了开发出这类器官一一比如说可以移植的生物人工肝(组织工程的一个重要目标)——研究人员必须更好地了解怎样在不同的情况下培育肝细胞和肝中其他细胞，使其发挥正常生理作用的功能达到最优。了解“重构”对制造将要成为接受者一个永久部分的生物人工器官和组织是极其必要的。在组织工程产品的大多数成功的实验室试验中，组织工程移植物都促进了受者自身细胞和组织的生长，并最终取代了人工聚合物和移植物的移植细胞。例如，我们同波士顿儿童医院的Toshiharu Shinoka和John E.Mayer合作揭示，一旦把由人工聚合物、羔羊上皮细胞和肌成纤维细胞(一种有助于伤口愈合的细胞)构成的心瓣膜小叶移植给羊，它就变得更牢固、更富弹性、更薄。而且，11周之后，小叶就不再含有人工聚合物：它已被重构而只含有羊细胞外基质。不过，控制这种重构过程的生化信号和生长因子依然基本未知。

　　制造可生物降解并且不会诱导瘢痕组织形成的新材料是组织工程的一个新兴领域，它提出了许多挑战。目前用于组织工程载体的大多数材料都可归于两种类型之一：合成材料如可生物降解缝合材料或天然材料如胶原或藻酸盐(源于藻类的凝胶样物质)。合成材料的优点是，它们的强度、降解速度、微结构和渗透性均可在生产过程中进行控制；而天然材料的优点则在于它们通常更易于细胞附着在其上。现在，研究人员试图综合两类材料的最佳优点来设计具有特别需要的特性的新一代材料。例如，有人正在制造具有模拟特定组织的自然细胞外基质的生物活性区域的可生物降解聚合物。其中有一种包含RGD，即细胞外基质蛋白质纤维连接素的一部分。

　　 RGD是用构成它的三种氨基酸即精氨酸(R)、甘氨酸(G)和天冬酰胺(D)的单字母缩写命名的。许多类型的细胞通常都通过附着到RGD而附着到纤维连接素上，因而包含RGD的聚合物能够为生长细胞提供更自然的环境。
而另一些科学家则打算制造导电的聚合物(这对培育组织工程神经是有用的)，或者制造能迅速胶化的聚合物。这些快速成形的聚合物在可注射生物人工产品中是有用的，这些产品包括可用来填充断骨的产品。

　　诱导血管生长，也就是所谓血管发生过程是维持许多组织工程器官生存的关键——特别是需要大量血液供给的胰、肝和肾。研究人员通过利用促进血管形成的生长因子包裹支持组织的多聚物载体而成功地促进了在实验室里生长的生物人工组织的血管发生。今后的研究必须考察释放生长因子与控制其活性的最佳途径，以便只在需要的时候和需要的地方形成血管。

面向患者

　　还有件重要的事情就是，开发组织保存新方法以确保组织工程产品在从工厂到手术室的途中以良好的功能状态存活，且不会在移植过程中死去。在这种情况下，从供体器官移植中改良而来的技术可能是有用的。例如，现在手术医生知道，许多移植器官损伤都发生在再灌注期间，也就是器官连接到受者供血系统之时。再灌注诱导氧自由基的形成，这实际上在细胞膜上刺开了孔，并杀死了细胞。为了避免再灌注损伤，目前外科医生在保存溶液中加入吸收这种自由基的化学物质。还必须找到更好的分子以防止组织工程产品不受再灌注损伤和局部缺血损伤(因血流不充分引起)，并必须完善深低温保藏技术以便生物人工器官和组织能冷冻到需要之时；现在用于细胞的方法还要进一步开发以适合更大的组织。

　　制定联邦政府主管部门对组织工程产品的审批程序也是个棘手的问题，生物人工组织和器官几乎跨越了美国食品与药物管理局(FDA)所管辖的所有领域，它们基本上是医疗器械；但因为它们包含着活细胞，所以还产生起到象药物那种作用的生物物质。这样，FDA将第一批寻求正规批准的组织工程产品——两种生物人工皮肤一一作为复合产品对待。该机构将组织工程作为一个优先领域并正在提出处理生物人工产品的明确政策。

　　我们相信，科学家和政府主管部门将清除本文所述的所有障碍，从而在今后几年内为市场带来多种多样的组织工程产品。许多挑战性工作依然存在，但总有一天一一或许从现在起的许多年后——用组织工程器官和组织武装患者就会象今天的冠状旁道管手术那样平常。