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组织工程学简介

来源:中华整形烧伤外科杂志 作者:池慧杨国忠 2004-10-14
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摘要: 组织工程学(Tissue engineering,TE)是生物医学工程学中的一个新的分支,是应用生命科学和工程学的原理与技术,设计、构造、改良、培育和保养活组织,以修复或重建组织器官的结构,维持或改善组织器官功能的一门新兴的边缘学科[1]。为解决器官来源问题,研究人员也在尝试异种移植,将部分动物细胞或整个器官植入人体,但......


  组织工程学(Tissue engineering,TE)是生物医学工程学中的一个新的分支,是应用生命科学和工程学的原理与技术,设计、构造、改良、培育和保养活组织,以修复或重建组织器官的结构,维持或改善组织器官功能的一门新兴的边缘学科[1]。

  1 TE产生的背景

  1.1 客观的需要

  组织缺损和器官衰竭严重威胁人的健康和生命,是现代医学一直在努力攻克的难题。医生们采取组织移植和器官移植来医治组织缺损和器官衰竭。自体组织移植虽然没有免疫排斥问题,但会给病人造成供区的缺损,增加新的痛苦。自体组织的来源也极有限,同种器官移植更因器官供者极其短缺以及免疫排斥常导致移植失败等问题,难以满足多数病人的需求[2]。

  为解决器官来源问题,研究人员也在尝试异种移植,将部分动物细胞或整个器官植入人体,但未能解决的是强烈的免疫排斥反应问题。近年来,人们也正在探索利用基因工程技术改变动物的基因表达,繁殖转基因动物,再将这种转基因动物的器官用于移植,以对付排异反应。但不容忽视的是,动物可能染有多种病毒和细菌,有些甚至还不为人们所知或无法检测出来,一旦转移到人体中并产生跃变,往往十分危险。另一方面,研究人员研制了各种生物医用材料以及人工器官来弥补天然组织器官的缺乏,但或因其生物相容性和耐用性等不及活组织,或因尚不具备所需脏器的全部功能或只能在体外使用,而使临床应用受到很大限制。因此,人们在尽可能完善现有治疗手段的同时,也在努力探索更为理想的原理和方法。TE的兴起和发展将有可能提供充足、安全的“自体”组织和器官来修复人体。

  1.2 现实的可能

  在医学科学技术飞速发展的今天,不仅各个学科在纵向上进一步发展,更有众多学科不断交叉、融合,形成新的边缘学科。

  生命科学和技术科学两大领域研究的相互渗透,为人们以工程方式开发和制造人体活组织器官的设想和探索,奠定了物质与技术的基础。确切地说,由于生物医学工程、细胞生物学、分子生物学、生物材料、生物技术、生物化学、生物力学、以及临床医学如整形外科等学科的不断发展、交叉和融合,使人们实现这一设想有了新的可能,TE也就应运而生了。

  2 TE的研究内容

  2.1 主要研究内容

  组织工程,简单地说,是在呈多微孔状态的可降解聚合物生物材料(ECM,细胞外支架)中植入活细胞,经体外培育后植入机体,聚合物材料逐渐降解吸收,细胞存活,形成组织并行使相应的功能。

  2.1.1 源细胞 TE研究中最基本的就是机体活细胞研究。研究内容涉及到细胞获取、分离、保存,在体外培养扩增所需的条件,各类细胞的细胞外基质成分、作用及作用机制,以及在整个培养过程中细胞的免疫学、遗传学、细胞老化等问题。此外,人们在研究采取机体干细胞分化以获得所需要的大量细胞。同时,建立标准细胞系及完备的细胞库亦是研究人员工作的内容之一。

  2.1.2 细胞外支架材料 研究人员正在研制用于不同功能组织细胞生长的各种支架材料,需要研究材料的理化特性、生物相容性,特别是其降解过程、降解速度,降解产物及对机体的影响;材料的生物力学性质、强度以及支架的超微结构加工、塑形等。

  目前,TE研究中应用的材料有天然材料和人工合成的高分子聚合物材料。天然材料如胶原,脱矿骨等。人工合成材料又分生物不可降解和可降解材料。现应用较多的生物不可降解材料有聚四氟乙烯(PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。

  生物可降解材料是TE研究中主要采用的材料,像聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、乳酸乙二醇酸共聚物(LGAC)、聚已内酯(PCL)、聚氨酯(PU),聚偶磷氮,壳聚糖等等。其中在美国已获得FDA批准,可用于人体的有PLA、PGA、PLLA、LGAC等。

  2.1.3 体外培养 从细胞形成组织要在呈三维结构的细胞外支架中进行细胞培养。其中涉及到人工细胞外基质的制备,细胞生长的调控和生物力学要求及支架对细胞的粘附力等。一些复杂的组织、器官需要多种细胞复合培养。此外,在所获得经验的基础上,进一步研究建立大规模细胞培养系统。

  2.1.4 临床前试验研究 研究人员将在体外培养获得的细胞材料复合物植入动物体内通过动物试验进一步研究该材料的生物相容性,降解过程、降解速度及降解产物对机体的影响,特别是植入体内后细胞在细胞外支架中的生长、代谢、生物力学要求,植入细胞继续增殖的调控,所形成的组织行使功能的情况,以及机体对植入物的各种反应等。

  2.1.5 临床试验研究 在上述研究得到较为满意的结果之后,即可在人体内应用,进行随访观察,将结果反馈给基础研究人员,以便不断改进,使之达到更为理想的程度。同时,经过临床医生的实际操作,确定组织工程制品临床应用的技术标准和质量要求。

  3 相关研究内容

  3.1.1 检测方法及标准 为保证组织工程产品能够安全有效地用于人体,在各个环节均要严格把关。因此,还需要研究建立各个环节的检测方法,制定检验标准,包括植入后的监测内容及方法等。


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