组织工程的进展
作者：张莉菁 胡宗泰
单位：张莉菁 上海第二医科大学 (200025)；胡宗泰 上海医疗器械研究所 (200041)
关键词：
美国FDA下属的一个委员会在1998年发布的一篇研究报告中预测
美国FDA下属的一个委员会在1998年发布的一篇研究报告中预测：21世纪，组织工程将大为发展，为人类作出重要的贡献。
何谓组织工程?据美国UMass Memoral医学中心麻醉科主任、组织工程权威研究者Charles A. Vacanti博士解释：这是应用工程学和生命科学原理，研究生物组织的结构、功能和生长的机理，以人工合成材料为载体结合被分离细胞，并能在宿主体内降解释放细胞，形成能修复、维持或改善损伤组织的新的有功能的组织即生物替代物的一门现代科学。其方法是在体外分离培养相关的活细胞，然后将这些细胞种植到天然的或人工合成的细胞外基质(三维支架)上，再将此基质复合物植于体内或在体外继续培养，以形成具有一定结构和功能的组织或器官，移植到体内以取代损伤的组织或器官。
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组织工程是一门新兴的交叉学科，涉及到细胞生物学、免疫学、材料学等领域。近几年来，三维立体生物可降解性材料的研制成功和细胞培养技术的不断发展，为组织工程的实用化作出了重大的贡献。
经过数十年的研究，目前科学家已探索出重建有功能组织的方法，开始在人体内外培植人体部件，如耳、手指、肝、软骨、皮肤，甚至心脏。组织工程这一项新技术，可望给临床医学带来激动人心的变化。将来，许多损伤了的人体器官和其它组成部分，均可换上有功能的生物代用品，十分简单。到那时，再回顾目前临床上所用的修补缺损人体器官和部件的化学、物理方法以及机械装置，会感到非常笨拙。采用细胞置换方法，将会使人类永葆青春，长远健康。
虽然某些研究工作已取得相当不错的成果，但由于在细胞学和载体方面还有些问题没有解决，因而目前临床应用还很少，但前景光明。科学家们认为组织工程的进展将会创立人体组织和器官的商店，以生物技术在实验室或人体内培养出来的组织和器官将取代目前的人工脏器和器官移植。
, 百拇医药
1 待研究解决的问题
1.1 细胞外基质材料
作为一种人工材料植入人体，细胞外基质材料可能引起不同程度的炎症，也可能存在一些免疫原性或致癌问题。
理想的细胞外基质材料应具有：(1)较好的生物可降解性；(2)较好的生物相容性；(3)材料本身及其降解物都应无毒，不引发机体的免疫排斥反应；(4)能提供细胞生长和粘附的空间；(5)90%以上的多孔率，以提供细胞间基质生长的空间。等等。
目前细胞外基质材料有天然和人工合成两类。前者如胶原、明胶和硫酸软骨素等，这类材料的优点是本身就有许多生物信息，能够使细胞产生或维持各种功能，缺点是在大规模生产过程中难以控制质量，性能变化与结构变化不成比例。后者如聚乳酸、聚四氟乙烯和羟基磷灰石等，这类材料的优点是可以精确控制其分子量、降解时间等性能，缺点是往往不能与细胞发挥理想的相互作用。
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目前仍在寻找理想的基质材料，同时考虑应用自身组织。
1.2细胞外支架
种子细胞必须培养在不同结构的基质上，才能生成各种各样的组织，用于临床替换。基质的三维结构，就是支架。
目前支架系统有封闭循环和开放循环两类。在封闭循环支架系统中，由于植入的种子细胞不与体内循环直接接触，所以所用的生物材料必须具有良好的生物相容性。倘若组织与材料发生反应，会阻断其中的细胞所需营养成分和废物的转运。有一种封闭系统采用注射方法来输运营养物质。这类系统的优点是能改善蛋白多聚糖和胶原蛋白在不同材料支架上的生成速度。在开放循环支架系统中，常使用以合成聚合物组成的多孔性支架，由植入细胞来产生结构和功能的组织单位。这类系统的缺点是不能进行大体积的组织移植，因此须设计出适当的聚合物支架，以引导细胞生长，使营养物质能转运到植入细胞。
1996年Wintermantel等人在《生物材料》杂志上介绍了他们研制的超结构组织工程支架，共有注射式多孔植入式、非降解陶瓷细胞载体式和植入缠连载体式等多种。这类支架通过设计结构条件(如孔和纤维)，提供最佳的空间和营养条件，以改变细胞间的接触方式。
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1.3细胞在基质上的培养和生长
细胞不仅要和基质在形状上相结合，还要建立起细胞功能、代谢和分化的基本调节物。目前在这方面应用的许多生物技术，虽然极大地促进了细胞在基质上的生长，但细胞和材料表面之间的相互作用问题依然存在。材料表面的性质对细胞有直接的反应，会影响新组织形成的速度。在培养方式方面，要改变以往培养液停滞的情况，设计出可提供稳定的营养物质的灌注培养体系，并可监视更换时的培养介质，不使引起任何营养成份的紊乱。1997年Sittinger等已报导这方面的进展。
目前，继续在研究如何调控培养细胞的生长、增殖，促使其分泌正常基质。
要使组织工程真正进入临床，上述问题(还有其它一些问题如仿真组织和仿功能组织完全替代病损组织)就须妥善研究解决。随着有关学科如细胞生物学、免疫学和分子遗传学等的进展，组织工程学培养出来的组织完全为临床所接受，为期并不遥远。
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2 目前一些进展
美国马萨诸塞大学医学院的研究人员最近正在为病人培植大拇指。从病人自身骨细胞取下的组织在实验室培养下，正再生出大拇指的第一节。医生将珊瑚作医学消毒后切开，放入原来的大拇指骨中，作为支架，以支持培养细胞。这些细胞依附在惰性凝胶体内，种入珊瑚内，即可通过培养形成有功能的新骨。
由于采用病人自身的细胞来培养新组织，实际上也就消除了异体排斥这一问题。一旦骨生长出来，就进行组织涂覆，以为病人培养软骨。组织涂覆方法是Vacanti研究出来的，是取出在实验室培养出来的自体细胞，将其涂覆在骨上。
Vacanti博士和其同事们还成功地为一名生来患有Poland综合症的少年病人培植出新的胸骨(软骨、骨)。此外，还用人体软骨细胞培植出耳，以及气管、韧带、腱和骨。
美国马萨诸塞技术学院和波士顿儿科医院的研究人员进行类似的探索，并获得三项在人体内培养新器官和组织专利。这些专利叙述了实验方法，即将从人体分离出来的细胞种植在以外科缝合材料制成的具有生物相容性和生物降解性的三维支架中。这几项专利已授给美国先进组织科学公司，该公司早就从事这方面的研究，本身也拥有几项体外培养组织的专利。
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美国先进组织科学公司开发研制的一种组织培养产品，已经在市场上销售，其商品名为Dermagraft，是一种愈合伤口的人工皮肤。该公司采用上述新专利培养出来的人工胰、人工肠胃道、人工韧带、人工肝、人工心脏和骨骼肌肉，目前正在作动物试验。按照公司的说法，不管是培养皮肤和软骨，还是培植别的组织，方法是一样的：取分泌生长因子和基质蛋白的组织细胞，将其置于最合适的三维支架上，组成整体结构，然后仿效组织在体内的生长条件，以形成正常的功能组织，作移植用。一旦移植后，细胞便再度产生其特有的功能，血管与组织相连，支架消失。
先进组织科学公司目前正在研究的另一个项目，是组织工程在糖尿病人身上的应用。糖尿病人的结构组织如软骨和骨，是异常的。以组织工程培养出来的软骨和骨，是否能弥补这类缺陷，正在作临床试验。该公司还希望在近期内能将组织工程培养出来的韧带和腱用于临床。正在开发的项目还有组织工程血管移植物和可植入病人体内修复胰功能的组织工程胰。
美国Reprogenesis公司则在研究在体组织培养和修复。目前一种用于治疗膀胱输尿管回流的微损组织强化产品正在作第三期临床试验。这一产品是将自体细胞和可生物降解的水凝胶基质结合在一起，提供必要的结构条件，以支持组织在体生长。采用标准的微损技术，可将这种基质局部地注入有关部位。
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3 结束语
最近在其它方面的研究进一步增强了组织工程原理的可靠性。美国亚拉巴马大学的研究人员在1998年7月号的“自然”杂志撰文，宣称已发现动物幼体的器官再生对人类有着密切的关系。这一发现表明细胞在进化过程中仍保留着形成再生组织和器官的能力。实验表明，切去海星幼体身体的一半，它能再生出来，象另一半无损的身体一样。我们知道，幼体蝾螈在失去肢体后会再生出来，但认为这种再生能力仅限于肢体。而海星、棘皮动物和人类源于共同的祖先，细胞的再生能力应是相同的。不管怎么说，这一发现确证组织工程的立足点是可靠的。组织工程的深入发展将会给医学领域带来巨大的变化。
目前，肾、心、胰、肝等人体器官的衰竭，不仅导致医疗费用的增长，还会引起死亡。器官移植只能挽救少量的生命。组织工程这门新学科的发展，组织工程产品的实用化，将会缓和移植器官的不足，减轻痛苦，挽救生命，使人类生活得更加美好，寿命更长。, 百拇医药
单位：张莉菁 上海第二医科大学 (200025)；胡宗泰 上海医疗器械研究所 (200041)
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美国FDA下属的一个委员会在1998年发布的一篇研究报告中预测
美国FDA下属的一个委员会在1998年发布的一篇研究报告中预测：21世纪，组织工程将大为发展，为人类作出重要的贡献。
何谓组织工程?据美国UMass Memoral医学中心麻醉科主任、组织工程权威研究者Charles A. Vacanti博士解释：这是应用工程学和生命科学原理，研究生物组织的结构、功能和生长的机理，以人工合成材料为载体结合被分离细胞，并能在宿主体内降解释放细胞，形成能修复、维持或改善损伤组织的新的有功能的组织即生物替代物的一门现代科学。其方法是在体外分离培养相关的活细胞，然后将这些细胞种植到天然的或人工合成的细胞外基质(三维支架)上，再将此基质复合物植于体内或在体外继续培养，以形成具有一定结构和功能的组织或器官，移植到体内以取代损伤的组织或器官。
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组织工程是一门新兴的交叉学科，涉及到细胞生物学、免疫学、材料学等领域。近几年来，三维立体生物可降解性材料的研制成功和细胞培养技术的不断发展，为组织工程的实用化作出了重大的贡献。
经过数十年的研究，目前科学家已探索出重建有功能组织的方法，开始在人体内外培植人体部件，如耳、手指、肝、软骨、皮肤，甚至心脏。组织工程这一项新技术，可望给临床医学带来激动人心的变化。将来，许多损伤了的人体器官和其它组成部分，均可换上有功能的生物代用品，十分简单。到那时，再回顾目前临床上所用的修补缺损人体器官和部件的化学、物理方法以及机械装置，会感到非常笨拙。采用细胞置换方法，将会使人类永葆青春，长远健康。
虽然某些研究工作已取得相当不错的成果，但由于在细胞学和载体方面还有些问题没有解决，因而目前临床应用还很少，但前景光明。科学家们认为组织工程的进展将会创立人体组织和器官的商店，以生物技术在实验室或人体内培养出来的组织和器官将取代目前的人工脏器和器官移植。
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1 待研究解决的问题
1.1 细胞外基质材料
作为一种人工材料植入人体，细胞外基质材料可能引起不同程度的炎症，也可能存在一些免疫原性或致癌问题。
理想的细胞外基质材料应具有：(1)较好的生物可降解性；(2)较好的生物相容性；(3)材料本身及其降解物都应无毒，不引发机体的免疫排斥反应；(4)能提供细胞生长和粘附的空间；(5)90%以上的多孔率，以提供细胞间基质生长的空间。等等。
目前细胞外基质材料有天然和人工合成两类。前者如胶原、明胶和硫酸软骨素等，这类材料的优点是本身就有许多生物信息，能够使细胞产生或维持各种功能，缺点是在大规模生产过程中难以控制质量，性能变化与结构变化不成比例。后者如聚乳酸、聚四氟乙烯和羟基磷灰石等，这类材料的优点是可以精确控制其分子量、降解时间等性能，缺点是往往不能与细胞发挥理想的相互作用。
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目前仍在寻找理想的基质材料，同时考虑应用自身组织。
1.2细胞外支架
种子细胞必须培养在不同结构的基质上，才能生成各种各样的组织，用于临床替换。基质的三维结构，就是支架。
目前支架系统有封闭循环和开放循环两类。在封闭循环支架系统中，由于植入的种子细胞不与体内循环直接接触，所以所用的生物材料必须具有良好的生物相容性。倘若组织与材料发生反应，会阻断其中的细胞所需营养成分和废物的转运。有一种封闭系统采用注射方法来输运营养物质。这类系统的优点是能改善蛋白多聚糖和胶原蛋白在不同材料支架上的生成速度。在开放循环支架系统中，常使用以合成聚合物组成的多孔性支架，由植入细胞来产生结构和功能的组织单位。这类系统的缺点是不能进行大体积的组织移植，因此须设计出适当的聚合物支架，以引导细胞生长，使营养物质能转运到植入细胞。
1996年Wintermantel等人在《生物材料》杂志上介绍了他们研制的超结构组织工程支架，共有注射式多孔植入式、非降解陶瓷细胞载体式和植入缠连载体式等多种。这类支架通过设计结构条件(如孔和纤维)，提供最佳的空间和营养条件，以改变细胞间的接触方式。
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1.3细胞在基质上的培养和生长
细胞不仅要和基质在形状上相结合，还要建立起细胞功能、代谢和分化的基本调节物。目前在这方面应用的许多生物技术，虽然极大地促进了细胞在基质上的生长，但细胞和材料表面之间的相互作用问题依然存在。材料表面的性质对细胞有直接的反应，会影响新组织形成的速度。在培养方式方面，要改变以往培养液停滞的情况，设计出可提供稳定的营养物质的灌注培养体系，并可监视更换时的培养介质，不使引起任何营养成份的紊乱。1997年Sittinger等已报导这方面的进展。
目前，继续在研究如何调控培养细胞的生长、增殖，促使其分泌正常基质。
要使组织工程真正进入临床，上述问题(还有其它一些问题如仿真组织和仿功能组织完全替代病损组织)就须妥善研究解决。随着有关学科如细胞生物学、免疫学和分子遗传学等的进展，组织工程学培养出来的组织完全为临床所接受，为期并不遥远。
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2 目前一些进展
美国马萨诸塞大学医学院的研究人员最近正在为病人培植大拇指。从病人自身骨细胞取下的组织在实验室培养下，正再生出大拇指的第一节。医生将珊瑚作医学消毒后切开，放入原来的大拇指骨中，作为支架，以支持培养细胞。这些细胞依附在惰性凝胶体内，种入珊瑚内，即可通过培养形成有功能的新骨。
由于采用病人自身的细胞来培养新组织，实际上也就消除了异体排斥这一问题。一旦骨生长出来，就进行组织涂覆，以为病人培养软骨。组织涂覆方法是Vacanti研究出来的，是取出在实验室培养出来的自体细胞，将其涂覆在骨上。
Vacanti博士和其同事们还成功地为一名生来患有Poland综合症的少年病人培植出新的胸骨(软骨、骨)。此外，还用人体软骨细胞培植出耳，以及气管、韧带、腱和骨。
美国马萨诸塞技术学院和波士顿儿科医院的研究人员进行类似的探索，并获得三项在人体内培养新器官和组织专利。这些专利叙述了实验方法，即将从人体分离出来的细胞种植在以外科缝合材料制成的具有生物相容性和生物降解性的三维支架中。这几项专利已授给美国先进组织科学公司，该公司早就从事这方面的研究，本身也拥有几项体外培养组织的专利。
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美国先进组织科学公司开发研制的一种组织培养产品，已经在市场上销售，其商品名为Dermagraft，是一种愈合伤口的人工皮肤。该公司采用上述新专利培养出来的人工胰、人工肠胃道、人工韧带、人工肝、人工心脏和骨骼肌肉，目前正在作动物试验。按照公司的说法，不管是培养皮肤和软骨，还是培植别的组织，方法是一样的：取分泌生长因子和基质蛋白的组织细胞，将其置于最合适的三维支架上，组成整体结构，然后仿效组织在体内的生长条件，以形成正常的功能组织，作移植用。一旦移植后，细胞便再度产生其特有的功能，血管与组织相连，支架消失。
先进组织科学公司目前正在研究的另一个项目，是组织工程在糖尿病人身上的应用。糖尿病人的结构组织如软骨和骨，是异常的。以组织工程培养出来的软骨和骨，是否能弥补这类缺陷，正在作临床试验。该公司还希望在近期内能将组织工程培养出来的韧带和腱用于临床。正在开发的项目还有组织工程血管移植物和可植入病人体内修复胰功能的组织工程胰。
美国Reprogenesis公司则在研究在体组织培养和修复。目前一种用于治疗膀胱输尿管回流的微损组织强化产品正在作第三期临床试验。这一产品是将自体细胞和可生物降解的水凝胶基质结合在一起，提供必要的结构条件，以支持组织在体生长。采用标准的微损技术，可将这种基质局部地注入有关部位。
, http://www.100md.com
3 结束语
最近在其它方面的研究进一步增强了组织工程原理的可靠性。美国亚拉巴马大学的研究人员在1998年7月号的“自然”杂志撰文，宣称已发现动物幼体的器官再生对人类有着密切的关系。这一发现表明细胞在进化过程中仍保留着形成再生组织和器官的能力。实验表明，切去海星幼体身体的一半，它能再生出来，象另一半无损的身体一样。我们知道，幼体蝾螈在失去肢体后会再生出来，但认为这种再生能力仅限于肢体。而海星、棘皮动物和人类源于共同的祖先，细胞的再生能力应是相同的。不管怎么说，这一发现确证组织工程的立足点是可靠的。组织工程的深入发展将会给医学领域带来巨大的变化。
目前，肾、心、胰、肝等人体器官的衰竭，不仅导致医疗费用的增长，还会引起死亡。器官移植只能挽救少量的生命。组织工程这门新学科的发展，组织工程产品的实用化，将会缓和移植器官的不足，减轻痛苦，挽救生命，使人类生活得更加美好，寿命更长。, 百拇医药