组织工程

组织工程的昨天、今天和明天

昨天：

组织工程简介：组织工程融合了工程学和生命科学的基本原理、基本理论、基本技术和基本方法，在体外构建一个有生物活性的种植体，植入体内修复组织缺损，替代器官功能；或作为一种体外装置，暂时替代器官功能，达到提高生存质量，延长生命活动的目的。

组织工程概念最早是由美籍华裔教授冯元桢先生于20世纪80年代首次提出的，距今也才刚刚发展了三十几年，可以说组织工程是个很新兴、前沿的科学；同时发展时间短暂也造成了组织工程在国内发展得并不成熟，面临着很多亟待解决的技术性难题。

组织工程的科学意义不仅在于为解除病人痛苦提供了一种新的治疗方法，更主要的是提出了复制"组织"、"器官"的新思想，它标志着"生物科技人体时代"的到来，是"再生医学的新时代"，是"一场深远的医学革命"。所以，组织工程是一座巨大的宝藏，等着我们去开发。

今天：

组织工程研究主要有4个方面: 种子细胞、支架材料、器官构建、临床使用；其中支架材料和种子细胞是组织工程目前研究的重要内容。

组织工程的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维复合体。与传统的二维结构(如细胞培养)相比较，其最大的优点在于：

①形成具有生命力的活体组织，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；

②以最少量的组织细胞经体外培养扩增后，来修复大块的组织缺损；

③可按组织、器官缺损情况任意塑形，达到完善的形态修复。

 

组织工程现在研究面临的主要技术难题有：

支架材料：组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并能植入生物体的不同组织，并根据具体替代组织具备的功能的材料。为了使种子细胞增殖和分化，需要提供一个由生物材料所构成的细胞支架，支架材料相当于人工细胞外基质。组织工程支架材料包括:骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官。

例如骨组织工程支架材料所要具备的条件：

①生物相容性和表面活性:有利于细胞的黏附，无毒，不致畸，不引起炎症反应，为细胞的生长提供良好的微环境，能安全用于人体；

②骨传导性和骨诱导性:具有良好骨传导性的材料可以更好地控制材料的降解速度，具有良好骨诱导性的支架材料植入人体后有诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖的潜能；

③合适的孔径和孔隙率:理想的支架材料孔径最好与正常骨单位的大小相近，在维持一定的外形和机械强度的前提下，通常要求骨组织工程支架材料的孔隙率应尽可能高，同时孔间具备连通孔隙，这样有利于细胞的黏附和生长，促进新骨向材料内部的长入，利于营养成分的运输和代谢产物的排出；

④机械强度和可塑性:材料可被加工成所需的形状，并且在植入体内后的一定时间内仍可保持其形状。

种子细胞：种子细胞是组织工程研究的基础, 也是制约组织工程发展的瓶颈。研究发现成熟细胞因其体外扩增困难, 常规培养条件下很容易出现老化而失去增殖能力, 无法满足组织构建的需求，合适的种子细胞是组织工程骨构建和应用研究中的首要环节和基本要素，是保证骨组织工程学持续性深入研究的前提。

理想的种子细胞应具备下列特点：

(1)体外增殖能力强，短期内能达到预想的细胞数目；

(2)形成完整的细胞表面，具备抗血栓性能；

(3)易于获取，实用性强；

(4)有一定的合成、分泌功能；

(5)低免疫原性或无免疫原性，临床运用安全可靠；

(6)移植后体内存活时间长。

组织构建：组织构建是组织工程技术的核心。有了合适的种子细胞与生物支架材料, 如何进一步成功进行各种组织构建成为实现组织工程技术大规模临床应用及产业化发展的关键。

组织构建的基本过程是：获得的种子细胞在生物反应器内扩增培养，将体外扩增培养的种子细胞接种于可降解的支架材料上，细胞—支架材料复合物经体外长时间培养，生物支架材料逐渐降解，细胞不断分泌特异性细胞外基质，最终在体外形成特定组织，再将其植入人体内修复相应的组织缺损。

体外组织构建的关键是尽可能模拟组织的体内微环境。体内微环境是一个复杂的综合体,除了各种细胞分泌的生长因子、细胞外基质、细胞间相互作用以及局部酸碱平衡等因素以外, 局部物理学刺激也是一个重要因素。

由于这些技术难题的制约，组织工程现在的发展举步维艰。

明天：

我对组织工程未来的展望是在生物反应器这一块，如何去模拟体内的微环境是成功完成组织或器官构建的关键性的一步。

组织工程之生物反应器

生物反应器一般是指能够及时监测和调控微环境pH值、温度、压力、营养供给与废物排泄等参数，产生某种生物学效应的仪器装置。

生物反应器的开发与应用在组织工程化组织体外构建中起到了关键作用，也是现在组织工程研究的一大热点和难点；随着组织工程研究的深入，生物反应器的重要性越来越显著，并且已经涉及到目前所研究各种组织构建中。组织工程的传统策略是在体外对干细胞进行诱导并扩增(或只对种子细胞进行扩增)，扩增后的细胞与三维可降解生物材料复合，构建的细胞一材料复合物在体外进行动态培养后植入体内以修复组织缺损。生物反应器是种子细胞诱导扩增、细胞一材料复合、体外动态培养等重要步骤中的必备工具。合理地应用生物反应器是提高组织构建效率、增强移植物生物活性、降低治疗成本的重要途径。理想的生物反应器要求能模拟体内的生理环境，从而促进培养组织的成熟。

目前，生物反应器主要从生物力学问题、三维培养问题、传质问题、培养环境条件问题(pH、氧分压、无菌等)和物理因素(电场、磁场、应力场)等方面开展研究。

在网上找到的生物反应器的类型及功能如下表：

 

各类型生物反应器设计必须能仿生性地接近体内环境，其功能和结构上将更趋复杂，并朝向自动化、多功能化、高效率和多样化发展，才能适应各种组织，精准调控生长因子与激素的释放，稳定控制生物反应器内部温度、pH值及气体分压等参数，此外，还需要对培养的组织施加物理参数，如磁场、电场、应力场等。未来，生物反应器在组织工程的应用将对人类提供更多更大的帮助。