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面向21世纪的人工组织与人工器官研究

来源:论文汇编 作者:自动采集 2005-1-1
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摘要: 人工组织与人工器官作为人体病损组织与器官的替代物已在临床广泛应用。由于其治疗效果确切,已成为本世纪医学与人类健康进步的显著标志之一。据美国国家健康统计中心(NCHS)近年的调查,不包括齿科材料,植入1件以上人工组织与人工器官的患者,在美国已达1100万人,占其总人口的4%,全球估计达3000万人。由于90年代生物技......



  人工组织与人工器官作为人体病损组织与器官的替代物已在临床广泛应用。由于其治疗效果确切,已成为本世纪医学与人类健康进步的显著标志之一。据美国国家健康统计中心(NCHS)近年的调查,不包括齿科材料,植入1件以上人工组织与人工器官的患者,在美国已达1100万人,占其总人口的4%,全球估计达3000万人。

  由于90年代生物技术与组织工程的崛起,人工组织与人工器官的研究进入了一个崭新的阶段。特别是组织工程的兴起,各类具有生物活性的人工组织与人工器官应运而生,具有生物活性的人工组织与人工器官及其临床应用已成为跨世纪实验外科的前沿领域之一。组织工程应用工程科学与生命科学的原理与方法,在可控、可重复条件下,通过哺乳动物(包括人、乃至患者自己)特定细胞在网络构架的体外培养,形成具有特定功能的组织和器官替代物。组织工程对于医学的发展与保障人类健康有着重大意义。据统计,美国每年有10万人因疾病和意外创伤造成器官、组织的不可逆损伤而需要作器官及组织移植。由于移植物来源有限,只有不足2%的患者能及时治疗。我国是一个人口众多的大国,这方面的问题更加突出。从发展看,解决此问题最有前景的途径就是通过哺乳动物细胞的三维培养来长成具有特定功能的组织、器官。

  为了推动21世纪实验外科的发展,就人工组织与人工器官而言,有以下一些重要问题需要认真解决。

  一、应深入进行应用基础研究

  1. 细胞-表面相互作用规律和机制:细胞-表面相互作用对细胞粘附、展布(spreading)、激活、重组、迁移、增殖和分化等细胞行为有显著的影响。它的定量规律和作用机制的研究不仅是人工组织与人工器官的基石,而且在免疫学、肿瘤学、血液学和发育生物学方面都有重要意义。这一问题的研究要求细胞生物学方法、分子生物学技术和生物力学方法以及表面观测技术的有机结合。主要有以下3个方面:(1)建立化学因素单一化的或生物活性精细确定的“表面”模型,模拟基质表面、细胞表面或细胞间质网络表面的不同结构-功能,观测细胞在模型表面的行为,以揭示细胞-表面相互作用的分子生物学机制。这里,关键是配体在表面的定位连接(生物活性组装)。所用配体有细胞膜上各种受体的片断、抗体、粘附蛋白、酶、膜酯、凝聚素、粘多糖、聚胺聚糖等。(2)配体分布和表面拓扑结构的精确测定。瑞典Linko-pin大学等应用椭片技术发展的新型生物传感器空间分辨率可达5,这将大大推动这一方面的研究。(3)细胞在不同模型表面上行为的定量观测。激光共焦显微图像分析技术使得这类观测可以深入到亚细胞、分子水平。而微吸管(micropipe)技术可用以精确地测定细胞-模型表面粘附力。

  2. 蛋白质-表面相互作用规律和机制:蛋白质在材料表面的吸附(吸附量和吸附蛋白的状态)不仅是人工组织与人工器官生物相容性的关键,而且对于细胞间相互作用起调控作用。因而它的规律和机制的研究是人工组织与人工器官的重要科学问题。当前研究的重点是:(1)表面吸附蛋白的状态(组织化程度)与细胞-蛋白质分子-表面相互作用的关系。(2)表面微结构和不均匀性对液-固界面上吸收蛋白组织化程度的影响,复合介质中多组元吸附动力学过程,以及它们与人工组织和人工器官生物相容性的关系。观测技术的进步是这一问题进展的关键。

  二、应解决应用关键技术问题

  1.生物相容性表面技术:在研究上述问题的基础上,研究人工组织与人工器官表面的生物活性组装与表面修饰是提高目前临床正在应用的人工组织与人工器官生物相容性的关键。因为它们的生物相容性主要决定于其与组织接触的界面。表面生物相容性好,人工组织与人工器官整体的生物相容性就会得到提高。梯度修饰是当今世界上人工组织与人工器官领域最新技术,梯度修饰能使生物相容性优异的生物活性材料通过组装、修饰它们的表面,提高了人工组织与人工器官表面与整体的生物相容性。同时,组装、修饰层与人工组织与人工器官连成一体,在体内长期不会剥落。非梯度修饰由于修饰层与人工组织、人工器官材料差别较大,植入体内一段时间后修饰层会从本体表面剥落,引起并发症的发生,影响人工组织与人工器官的效果和使用寿命。

  2.精密加工技术:在人工组织与人工器官领域,精密加工技术是它们在人体内长期安全、有效地发挥功能的重要保证。例如,体内植入支架,它的花纹、结构需要准确的激光刻蚀;介入导管球囊与不同硬度管体的高强度光滑连接,需要精密高频及超高频焊接。再如:眼内人工晶体的成型需要无轴高速切削;特定的人工髋关节,需要个体化的计算机辅助设计与计算机控制加工。

  3.组织工程中的转基因技术:组织工程方法生产的人工组织与人工器官体内植入成败关键在于降低宿主免疫排斥反应。宿主的干细胞、实质细胞的来源也是大量开发组织工程产品的主要困难之一。利用转基因技术制备能为宿主接受的异体及异种干细胞、实质细胞是发展组织工程产品的关键技术,这里包括:基因转染,克隆技术与转基因动物的制备等技术。

  4.组织工程网络构架的生物活性组装与表面修饰:网络构架的使用主要是为细胞提供粘附增殖的表面,至于其他因素如机械强度、表观密度等只是与细胞的优化生长条件有关。通过生物活性材料组装与修饰改变表面形态与分子结构进而可调控细胞的生长速度与构造,组装与修饰的分子层的厚度和生长因子表面与微环境的浓度,通过界面技术与生物降解等缓释技术可加以调控。

  5.组织工程网络构架在低重力效应下细胞和组织三维培养技术和装置的研究:如前所述,能否培养出与人体组织和器官功能、分化水平相当的组织与器官,关键在于能否在适当的流动剪应力条件下,克服重力沉降引起的接触限制,从而在细胞离体培养过程中,确保细胞能够三维生长。而且,在维持其生长所需的稳态(生物、化学)环境的同时,确保细胞-细胞之间、细胞-网络构架表面之间的连接、粘附、细胞聚集等不同传质过程免受必然造成的流动应力的妨碍或损伤。这就是在地面重力条件下实现的“低重力效应下细胞、组织培养技术”的含义。这里,生物流体力学和细胞生物学的结合起着关键作用。

  围绕上述研究可以开展以下一些课题的研究:(1)微囊内胰岛细胞的生物活性组装与分泌动力学研究;(2)网络构架上肾脏、肝脏细胞的生物活性组装与生物活性研究;(3)复合式生物人工肾、人工肝的研究;(4)神经细胞快速生长的组织工程方法研究;(5)组织工程方法培养膀胱替代物的研究;(6)眼内人工晶体表面生物活性组装与梯度修饰研究与植入研究;(7)颅颌面种植体的表面羟基磷灰石梯度修饰及其植入行为研究;(8)人工心脏瓣膜氧化钛与类金钢石梯度修饰与血液相容性研究;(9)人工关节的生物固定层的组装与骨组织长入行为的研究;(10)血管与非血管内支架的生物活性组装表面修饰及其力学行为的研究。这些课题覆盖了人工组织与人工器官的主要领域。这些课题的完成,将使我国与实验外科有关的人工组织与人工器官的研究达到国际先进或领先的水平。

 


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