[科普中国]-组织工程

组织工程(Tissue Engineering)一词最早是在1987年美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上提出，1988年正式定义为：应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。简介

组织工程学是综合应用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，在体外预先构建一个有生物活性的种植体，然后植入体内，修复组织缺损，替代组织、器官的一部分或全部功能，或作为一种体外装置，暂时替代器官部分功能，达到提高生活、生存质量，延长生命活动的目的。这一内涵的核心是活的细胞、可供细胞进行生命活动的支架材料以及细胞与支架材料的相互作用，这是组织工程学研究的主要科学问题。 一旦在体外能成功地制造出“组织”或“器官”，则通过医生的创造性劳动，将“组织”、“器官”植入人体，完成复制或修补人体组织、器官的艺术创作。

研究方向A 种子细胞的研究。

自体、异体、异种各种组织细胞的分离培养技术，细胞生物学行为，多种细胞的复合培养技术； 细胞因子的有序作用、信息传递及其调控； 建立实验标准细胞系，改造种子细胞，延长细胞寿命及生存期； 改变细胞表面结构，研究细胞粘附及抗粘附力的技术及其影响机制； 研究降低细胞抗原性及增强宿主免疫耐受的方法。

B 支架材料及细胞外基质的研究。

C 体内植入研究。

D 检测方法及检验标准。

E 临床验证研究。

F产业化研究。

研究对象干细胞研究干细胞研究受到科学家和世人的广泛关注有其必然性，干细胞在生命科学的基础研究与临床应用中起着越来越重要的作用，干细胞在细胞治疗、组织器官修复等领域有着极为广阔的应用前景。 可作为细胞治疗与组织器官替代治疗的种子细胞。干细胞的研究与应用将有可能使人类实现完美修复损伤组织和器官的梦想。利用干细胞构建各种细胞、组织、器官作为移植的来源将成为干细胞应用的主要方向。

干细胞的分类根据干细胞组织发生的部位进行分类。目前，已经从许多组织或器官中成功地分离出干细胞，其中包括：胚胎干细胞、造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞、肌肉干细胞、成骨干细胞、内胚层干细胞、视网膜干细胞及胰腺干细胞等。

按照发生学来源，干细胞可以分为胚胎干细胞(embryonic stem cell，ESC)和成体干细胞(somatic stem cell)。胚胎干细胞是指由胚胎内细胞团(inner cell mass，ICM)或原始生殖细胞(primordial germ cell，PGC)经体外抑制培养而筛选出的细胞。 胚胎干细胞还可以利用体细胞核转移(somatic cell nuclear transfer，SCNT)技术来获得。 胚胎干细胞具有发育全能性，在理论上可以诱导分化为机体中所有种类的细胞；胚胎干细胞在体外可以大量扩增、筛选、冻存和复苏而不会丧失其原有的特性。成体干细胞是指存在于一种已经分化组织中的未分化细胞，这种细胞能够自我更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。 成体干细胞存在于机体的各种组织器官中。 成年个体组织中的成体干细胞在正常情况下大多处于休眠状态，在病理状态或在外因诱导下可以表现出不同程度的再生和更新能力。

根据分化潜能分类根据不同的分化潜能，干细胞可以被分为全能干细胞(totipotent stem cell)、多能干细胞(pluripotent stem cell)、单能干细胞(unipotent stem cell)。全能干细胞：具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，有形成完整个体的分化潜能。 如胚胎干细胞，具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，进一步形成机体的所有组织、器官。多能干细胞具有产生多种类型细胞的能力，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。科学家们目前趋向于将分化潜能更广的干细胞称为多潜能干细胞(pluripotent stem cell)。单能干细胞(也称专能、偏能干细胞)常被用来描述在成体组织、器官中的一类细胞，意思是此类细胞只能向单一方向分化，产生一种类型的细胞。在许多已分化组织中的成体干细胞是典型的单能干细胞，在正常的情况下只能产生一种类型的细胞。 这种组织是处于一种稳定的自我更新的状态。然而，如果这种组织受到伤害并且需要多种类型的细胞来修复时，则需要激活多潜能干细胞来修复受伤的组织。

主要问题干细胞研究中的主要问题：

维持胚胎干细胞未分化状态的机制

干细胞定向诱导分化的调控机制

获得高数量和高纯度的分化细胞，为组织工程提供种子细胞

虽然人胚胎干细胞可以形成各种类型的细胞和简单的组织，但是其是否具有形成复杂器官的能力目前还远未清楚。

来源于胚胎干细胞的细胞应用于细胞和组织替代治疗所面临的移植排斥问题

干细胞用于临床治疗的安全性问题，对于胚胎干细胞而言，在移植前应该保证胚胎干细胞全部被诱导分化，对诱导分化的细胞应该严格纯化

干细胞可塑性的机制是怎样的，干细胞分化时所处微环境中的调控因素是如何起作用的

原理方法细胞的分裂与生长调控：

人体细胞总是都处于一个动态平衡的环境中。人体生长发育最重要的基础是细胞的分裂增殖和细胞的成熟。当个体发育结束后，人的各细胞群均处于一个相对稳定的数量，发挥其生理功能。 组织工程的细胞也要经过分裂增殖，大量增加细胞数目，并稳定在能满足功能需要的数量上，然后植入体内，发挥其生理功能。在这一工作中，了解培养细胞的分裂增殖规律，利用这些规律调控细胞的生长状态是十分重要的。

加快细胞增殖的方法：

组织工程在获得理想细胞以前需用自体细胞与材料复合，构建组织工程的初级产品。在这一过程中面临的最大问题是细胞增殖缓慢。目前解决这一问题有两条途径，即具有分化潜能的细胞的诱导和促生长因子的应用。在体内情况下，多种生长因子都由机体协调作用，因而是一个多因子序贯作用体系：体外如何模仿实施这一多因子序贯调节将是组织工程的另一重大课题。

体外培养细胞主要环境影响因素：

细胞生长与生存微环境的关系；功能细胞与支持细胞的相互关系；功能细胞与其支持物——ECM的关系；功能细胞的生长繁殖与三维空间的关系；功能细胞的生长繁殖与应力等物理因素的关系

细胞三维培养在组织工程中的应用：

细胞隔离和替代；只有那些提供需要的细胞才允许被替代。细胞需要浸入浴液处理，以保持它们在接受者体内的功能以及排斥免疫。

组织替代；组织替代取决于特定信息分子(促进细胞生长、分化和增殖的调节因子等)的提纯和大规模生产，并将这些信息分子输送到位的方法。

细胞置于基体表面或位于基体中；在封闭系统内，细胞通过一层膜与身体隔离，这层膜允许营养物质和废弃物渗透，但阻止尺寸较大的抗体和免疫细胞来消化这个植入体。

组织工程的细胞基质：

组织工程研究最基本的思路是在体外分离、培养细胞，将一定量的细胞接种到具有一定空间结构的支架上，通过细胞之间的相互粘附、生长繁殖和分泌RCM，从而形成具有一定结构和功能的组织或器官。其中RCM替代物的研究是组织工程研究的焦点之一。理想的组织工程基质材料应具备下列条件：良好的组织相容性。良好的表面活性。具有可塑性。生物可降解性。具有三维立体结构。

结果检测组织工程的研究结果，最终要用于人体。在进入临床应用前，需建立检测方法及评价标准。因为这是一项崭新的技术，目前尚没有可借鉴的检测方法及检验标准，应在组织工程研究的同时，研究制定各种组织工程产品体内植入的标准及检测方法。

临床验证研究：研究结果试用于临床后，将临床结果反馈，进一步改进基础研究，再回到临床验证，经过几次反复，使研究结果成熟，用于临床，服务于病人。

产业化研究：组织工程产品属于生物制品，需研究标准化批量生产的工艺、包装、贮存、运输、人体植入前处理、植入后监测等产业化过程，同时研究审批程序、机构，以及制定相应的政策法规。在这些科学问题解决之后，组织工程产品将会被推向市场。对市场前景的预测又将是政府及企业界投入组织工程研究的动力。因此在某种意义上，对未来市场的预测将会推动组织工程学的开发与研究。

发展因素组织工程学的提出、发展不是偶然的，与很多因素有关：

①随着人类物质、文化生活水平的提高，对损伤、疾病的治疗要求越来越高，不仪要求治好伤、病，还要求良好的功能及完美的外形，应用传统的治疗方法难以达到如此完善的地步，需要寻找新的治疗途径。

②科学技术总体水平的提高，为患者、医生对治疗提出的高要求有实现的可能，如完善的细胞培养技术和可控降解的高分子材料的问世，为体外构建“组织”、“器官”提供了条件。

③高、新技术的开发与利用是组织工程学研究的基础，如基因工程技术、免疫隔离技术等为改造细胞提供了新方法。

④巨大的市场需求为组织工程学发展注入了动力。众多的投资公司注入大量资本进行组织工程学研究。这些是组织工程学研究发展的基础与动力。

研究展望组织工程学研究与经济发展的关系：据Vacanti及Ianger的一项调查表明，美国每年花在有器官及组织损害病人身上的资金高达4 000多亿美元，几乎占全美国医疗费用的一半。美国的医院每年要为这些病人作800万例次手术，然而并不能挽救每一个人的生命或避免残废。每年约有4 000人在等待器官移植时死亡，还有约10万人在未被列入等待器官移植时就已死亡。用于骨缺损修复的骨移植手术在美国务医院是仅次于输血的组织移植手术。

组织工程学前景广泛：约有1000万人因尿道功能失调，尿失禁或尿液返流，等待组织工程产品植入治疗；约有100万个膝关节半月软骨等待替代；每年有1000万例牙科手术，其中需新放入9000万个充填物，另有2亿个过去放入的充填物需要更换。每年约有200万例以上的皮肤慢性溃疡，其中50万例系糖尿病性肢体缺项血，需要组织工程化皮肤移植治疗。

在组织工程学研究兴起的10多年时间里，由十广大科学工作者的艰苦努力，已取得了十分可喜的成绩。然而人体具有极为复杂的大体及微观结构，十分完善的功能体系，非常精密的调节系统，永不停息的新陈代谢活动等，在组织工程学研究中还隐藏着很多未知的奥秘，要完全模拟在人体组织或器官，并非易事，这需要生物学、工程学、材料学、化学、基础医学、临床医学和生物医学工程学等多学科交叉，有机结合，共同攻关，逐一解决组织工程学研究中的科学问题。