組織工裎定義及基本原理

        在1987年美剛科學(xué)基金會(huì)在華盛頓舉辦的生物丁程小組會(huì)上提出組織工程這個(gè)名同，1988年被定義為：“它應(yīng)用工程科學(xué)與生命科學(xué)的原理與方法，在可控、可重復(fù)條 件下，通過哺乳動(dòng)物、人類（包括患者自己）的特定細(xì)胞在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的體外培養(yǎng)、體內(nèi)植入增殖，形成具有特定功能組織和生物替代物。” 個(gè)組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于1988年2b經(jīng)FDA批準(zhǔn)其上市銷售，進(jìn)入臨 床實(shí)用階段。正在研究開發(fā)的骨骼、軟骨、血管以及神經(jīng)組織等項(xiàng)目也已進(jìn)入進(jìn)行體 內(nèi)實(shí)驗(yàn)的階段。 組織工程的許多文獻(xiàn)都將組織]-程技術(shù)歸納為三個(gè)要素：種子細(xì)胞、基質(zhì)材料與細(xì)胞生蠔因子。實(shí)際匕除了卜述二個(gè)要素以外，培養(yǎng)的啦物環(huán)境電是重要的要素。

        一、種子細(xì)胞

        種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖后形成組織的原始細(xì)胞。種子細(xì)胞可分為一炎：異種、同種異體和自體細(xì)胞性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來源是組織工程產(chǎn)品商業(yè)化的首要前提動(dòng)物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來源之一，但動(dòng)物細(xì)胞在人體內(nèi)會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)導(dǎo)致安全性的問題。 采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動(dòng)物攜柏人類的革因以減少甚至避免免疫排斥反應(yīng)。 
        但更嚴(yán)峻的問題是動(dòng)物體內(nèi)的一些病毒會(huì)導(dǎo)致人類的一些新的疾患的產(chǎn)生。有一些國家政府就明令禁止實(shí)施異種植人人體。實(shí)際卜，對(duì)科學(xué)家來|兌重要的是要解決防止動(dòng) 物病毒傳染人類的問題，一旦異種細(xì)胞植入的安全性問題獲得解決，相信這肚國家政 府的禁令亦會(huì)逐步取消。但目前尚有較大的難度。 目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子細(xì)胞的主要來源。人類自身的細(xì)胞也存在不少問題。培養(yǎng)的人體組織細(xì)胞增生能力一般有限，同時(shí)在體外培養(yǎng)條件 下隨著細(xì)胞的增殖會(huì)產(chǎn)牛去分化現(xiàn)象，細(xì)胞喪失應(yīng)有的功能。人類自身的原代細(xì)胞作 為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡。但是，應(yīng)強(qiáng)調(diào)在體內(nèi)的條件下，有許多種成體細(xì)胞具有 較強(qiáng)的“再生”能力。
        這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路小同，反而同傳統(tǒng)的人工器官 昀研究思路較接近。這就是近年發(fā)展的再牛醫(yī)學(xué)發(fā)展的內(nèi)容1998年末，美國有兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)先后成功地培養(yǎng)出人胚胎干細(xì)胞。與成體細(xì)胞不 同，此類細(xì)胞具有持續(xù)生長，分化的能力，即從理論上講此類細(xì)胞在一定的條件下可以分化成人體的任何成體細(xì)胞，并具有成體細(xì)胞的功能。此類細(xì)胞是頗為理想的種子 細(xì)胞來源。近年人胚胎千細(xì)胞的研究發(fā)展迅猛。隨著人胚胎干細(xì)胞研究的深入進(jìn)行，也遇到了相當(dāng)多的實(shí)踐問題，包括法律的與道德的問題。就技術(shù)而言仍有一些困難問題需要克服。人胚胎下細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致痛性問題、抗原性問題、如何調(diào)控人胚 胎千細(xì)胞定向分化構(gòu)建組織的F1的細(xì)胞的問題等。 
        目前比較接近于實(shí)際應(yīng)用的種子細(xì)胞來源是從組織中分離,LI來的所謂“前驅(qū)細(xì)胞”，亦有稱之為組織干細(xì)胞。由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分調(diào) 控，但它們尚未完全分化，因而尚存有足夠的靈活性以發(fā)育成幾種不l司的類型的細(xì)胞。 來源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)于細(xì)胞，它們存在于成人的骨髓巾，在適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)條件下具有多向分化為肌腱、骨、軟骨、脂肪、基質(zhì)組織細(xì)胞的潛能，進(jìn)而增殖培育成相應(yīng)的組織。目前研究較多晌此類細(xì)胞包括：造血干細(xì)胞系、神經(jīng)干細(xì)胞系以及間充質(zhì)干 細(xì)膽系等。

        二、基質(zhì)材料

        基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及細(xì)胞生氏因子的載體，使種 子細(xì)胞贛以定向分化增殖發(fā)育成相應(yīng)的組織?；|(zhì)材料亦有稱為細(xì)胞支架。

        （一）性能
        理想的基質(zhì)材料應(yīng)具有以下性能。

        (l)生物相容性。除了具有一般生物材料的生物相容性要求，還要求它利于種子細(xì)胞的粘附、分化與增殖。

        (2)生物降解性。作為種子細(xì)胞的支架，一旦種細(xì)胞培育成組織，要求基質(zhì)材料降解并為人體所代謝，即基質(zhì)材料的降解速率與細(xì)胞生長的速率相適鷹，降解速率庇 可根據(jù)組織的生氏特性加以調(diào)控。

        (3)具有三維多}L立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有較高的比表面秘和孔隙率，以利 于種子細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積進(jìn)而形成組織。其中較高的空隙率，利于營養(yǎng)、氧氣的進(jìn)入和代謝廢物的排出，有利于血管與神經(jīng)的長入。

        (4)材料一細(xì)胞界面?；|(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料細(xì)胞界面，利于細(xì)胞的粘附、 生長，更重要的是應(yīng)能激活細(xì)胞特異基困的表達(dá)和維持正常細(xì)胞的表型表達(dá)。

        (5)加工性能和機(jī)械強(qiáng)度。由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變化較大，有的基質(zhì)材料共至在手術(shù)植入時(shí)還需進(jìn)一步加工，有的基質(zhì)捌料植人體內(nèi)需為 新生組織維持一段時(shí)間的力學(xué)支撐，直至新生組織具有足夠的力學(xué)特性為止。

        (6)滅菌性能?；|(zhì)材料使用時(shí)均需滅菌。因此，要求滅菌過程對(duì)基質(zhì)材料的基 本性能不產(chǎn)生明顯的影響和不帶來新昀生物學(xué)危害作用。

        （二）分類 
        目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)剌料主要有三大類別：天然材料及其復(fù)合物；合成 高分子可降解材料及其復(fù)合物；無機(jī)材料及其復(fù)合物。

        1.天然材料目前應(yīng)用較多的有膠原（以I型膠原為主）、明膠、甲殼素、殼聚糖、海藻酸鹽、 透明質(zhì)酸鈉等。此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其界面利于種子細(xì)胞的粘附、分化、增殖。問題是這類材料濕態(tài)強(qiáng)度差，較易為體液的各種酶所降解，降解速率過快。目前，大都采用交聯(lián)的方法來提高強(qiáng)度與減緩降解速率。也有采用天然 材料之間的復(fù)合。

        2.合成可降解高分子材料
        目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯( PCA)、聚丙交酯即聚乳酸(PLA)、聚己內(nèi)酯 ( PCL)以及它們之間的各種共聚物。通過材料的組分、組成比、分子量、分子量分布等因素的調(diào)控來制備體內(nèi)降解速率（半降解期）可以從幾劇到幾年、其他性能也不盡 相同、各有特長的基質(zhì)材料。 PLA、PCA及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)構(gòu)形式有纖維支架、多孔泡沫 以及管狀結(jié)構(gòu)等。纖維支架是由PCA通過擠壓制成10 - 15μm的纖維，再通過編織加 工技術(shù)形成編織加_T技術(shù)形成編織狀或無紡狀結(jié)構(gòu)，孔隙率町高達(dá)97%。但這樣形成的支架一般小能承擔(dān)口動(dòng)。商度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式?？捎枚喾N方式獲得多孔泡沫結(jié)構(gòu)，如溶劑澆鑄、微粒溶出、氣體發(fā)泡、相分離等方法。其中氣體發(fā)泡法效果好。 PLA和PCA及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道，小腸等管狀器官的基質(zhì)材 料。脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有一些不足的方面，有待改進(jìn)。

        (l)親水性差，細(xì)胞粘附、生長增殖受阻。如PLA包埋的PGA無紡纖維支架由于親水性差，細(xì)胞吸附力弱，滿足小了組織1程研究的要求。

        (2)引起無菌性炎癥。PLA與PCA在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)約有8%左右患者出現(xiàn)非特 異性無菌性炎癥。平均分子量低于2萬時(shí)發(fā)病率增長，使用高分子量的PLA只能遲緩而不能消除此種并發(fā)癥的發(fā)生。

        (3)抗壓強(qiáng)度差。大多數(shù)PLA與PCA無紡布支架均有抗壓強(qiáng)度差的問題。除了上述介紹的脂肪族聚酯可降解高分子材料及其復(fù)合物外，文獻(xiàn)中還報(bào)道采用聚偶磷氨、 聚原酸酯、聚氨基酸、聚酯型聚氨酯等。 與天然材料相比，合成的材料大缺點(diǎn)是缺乏細(xì)胞識(shí)別信號(hào)，不利于細(xì)胞特異性 粘附及特異基因的激活，許多學(xué)者致力于將一些識(shí)別信號(hào)片斷，引入合成基質(zhì)材料表 面與整體，以促進(jìn)種子細(xì)胞的粘附、生長、增殖。 
        3.生物陶瓷
        生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離予以離子鍵結(jié)合的晶體材料。根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學(xué)活陛可分為附類：惰性生物陶瓷，表面活性生物陶瓷，可吸收性生物陶瓷 與復(fù)合生物陶瓷。作為螭質(zhì)1料一般采用可生物降解的可吸收性生物陶恣。

        主要有以 下一曲品種。

        (l)磷酸鈣陶瓷支架。磷酸鈣陶瓷按其Ca/P比值分別為1.5、l 67和2而分為磷酸三鈣、羥基磷灰石和磷酸四鈣，此外還有Ca/P比介于它們之間的物質(zhì)，如：氟代段氧代的羥摹磷灰石。其中以羥萆磷灰石(HA)與B磷酸三鈣(0- TCP)研究多。 20卅紀(jì)70年代的研究認(rèn)為旨骼中的無機(jī)成分主要是HA，因此認(rèn)為HA植入人體內(nèi)有利于骨組織的再生。近年的研究表叫骨組織巾的礦物質(zhì)魁Ca/P< 1.5的碳酸鹽磷 灰石，除鈣、磷外尚含有鎂、鈉、鉀及一t!微量元素。 許多學(xué)者研究以β - TCP為主的支架及其在組織工程中的應(yīng)用取得一定的進(jìn)展。由于磷酸鈣陶瓷表面的ξ位效應(yīng)、濕潤性及游離的磷酸根離子小利于細(xì)胞的粘附、增殖，這方面改進(jìn)的研究尚待深入。

        (2)碳酸鈣陶瓷支架。天然珊瑚（主要成分為碳酸鈣）制成的細(xì)胞支架在90年代初即被用于作為人類骨髓細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、牙齦纖維細(xì)胞及胎鼠骨細(xì)胞的體外培養(yǎng)。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管培養(yǎng)早期人類細(xì)胞曲貼壁率較低，但20天后細(xì)胞數(shù)量和培養(yǎng)板一致，細(xì) 胞的生理活性正常，分泌帕骨唾蛋白，Ⅰ型、Ⅲ型膠原、骨橋索均鼎示陽性。細(xì)胞在支架上增殖持續(xù)時(shí)間長，碳酸鈣又是在體內(nèi)可降解的材料。

        (3)生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的硅玻璃（SiO - CAO - HPO4）可以部分降解，其中一類特殊結(jié)構(gòu)的稱為生物活性玻璃。其表面水解形成的水合層利于羥基磷灰石形成沉積，同時(shí)此類新生態(tài)的羥基磷厭石可選擇性吸附膠原、纖維粘連蛋白，從而 他玻璃表面與骨及軟組織之間形成很好的生物相容界面，利于新骨形成。

        三、細(xì)胞生長因子

        生k因子(growth factor，GF)址具有定向誘導(dǎo)和激活組織分化、增殖，維持細(xì)胞生物活性等生物效應(yīng)的蛋白質(zhì)類物質(zhì)。它對(duì)于促進(jìn)細(xì)胞增殖，以及組織的修復(fù)、再生 具有重要的促進(jìn)作用。 生長因子的生理功能具有特異性和々一性，即每種生K因子只剝某些細(xì)胞或某些 細(xì)胞的某個(gè)分化階段發(fā)揮其生理功能。細(xì)胞生長因子并不能調(diào)控細(xì)J也分化的全過程。 特別足利用生長因子來調(diào)控加快干細(xì)胞定向分化成日的細(xì)胞，利用一種生長因素，時(shí) 常很難奏效。往往是若干種生長因子間協(xié)山作用方能調(diào)控向目的細(xì)胞的分化與增殖。 生長因子的作用往往與細(xì)胞表面棚脯受體的活躍程度有關(guān)。如利用ICF -I對(duì)肌腱細(xì)胞生氏增殖的促進(jìn)作用，其必要條件是ICF- I受體系統(tǒng)的活躍。 利用細(xì)胞因子束促進(jìn)種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是很有效的技術(shù)手段，但要成功地運(yùn)用自如尚有相當(dāng)多的問題需要研究加以解決。

        四、培養(yǎng)的生物環(huán)境
        目前許多研究者強(qiáng)調(diào)組織丁程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增，應(yīng)當(dāng)是三維，因此推崇采用微 重力效應(yīng)下，細(xì)胞與組織三維培養(yǎng)技術(shù)。 我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類足非常多的，不同組織與器官所在的生理環(huán)境（包括力學(xué)環(huán)境）千差萬別：因此，在某些特定環(huán)境中應(yīng)用的組織只有在特定的環(huán)境條件下培養(yǎng)才能符合臨床應(yīng)用的要求。 因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)幣視在與人體生理環(huán)境類似 條件下的培養(yǎng)。特別是人體的許多組織的再生能力很強(qiáng)：如人的膀胱，研究在人體環(huán)境下膀胱的再生無疑是非常有科學(xué)價(jià)值的研究方向。