Prof. Bengt Kasemo Sep 01, ’32 < 20200401

什么是组织工程?

组织工程(TISSUE ENGINEERING,TE)是生产组织的一系列技术组合,主要用于修复人体组织。组织工程也有一些衍生应用,如药物筛选和人造肉。组织工程产品与医学植入体不同,医学植入体是用人工材料制作的技术装置,不包含活组织部分。

组织工程用于临床应用和开发

今天,在临床应用方面已经有若干个组织工程案例如:皮肤、软骨、骨头、心脏瓣膜和膀胱。而在研究阶段和动物实验阶段的例子则更多,如人工肝、人工胰腺、人工血管。在大部分案例中,组织都是体外培育,然后植入患者体内。然而科学家也有一些大胆的想法和尝试,比如原位实施组织工程:将一批人工孵育的细胞植入体内,然后在体内发育成预期的组织。

如何工作组织工程过程的三个关键因素

组织工程实施过程中的关键因素:第一是组织、或者细胞样本,其包含了组织工程的种子,或者叫起点;第二是一个用以固定和支持种子生长的支架,控制其在特定位置,生长为预期的几何形状;第三个是包含信号物质和养分等的环境,能够控制细胞培养或组织种子生长出期望的生物特性,包括几何大小和形状及生物功能特性。

生物反应器控制组织的形状和功能特性

组织工程通常在一个设计好的生物反应器中进行,生物反应器能够控制组织的几何形状和生物功能特性。另外,生物反应器也能够提供压力和温度环境,以及特定的运动程序,如搅拌和旋转。现如今,使用2D和3D打印来构建复杂的组织工程结构已经越来越流行。

有些组织需要血管化

就现阶段的困难与挑战而言,目标组织是否需要血管化是一个分水岭:有一些TE在组织生长中有血管,用来运送营养素和氧气及去除废物;另外一些TE则无需血管。例如,TE心脏瓣膜因为被血液包围,能够直接运送营养素和氧气,从而不需要血管化;而人工TE肝脏或者胰腺必须内部血管化。

实施组织工程的三种细胞类型或组织

组织工程实施的起始样本或者细胞培养可以是自体的,即来源于同一个被治疗个体。也可以是同种异体的,也就是说来源于同一个物种,一般为人,但是属于不同的个体。也可以来源于异种异体的,也就是来源于非人类的其他物种。当然,从兼容性来说,自体来源的细胞或者组织具有几个优势,能够与病人的组织和生理兼容,并且降低免疫反应。

干细胞的优势和挑战

干细胞是一个特例,并且它具有显著的优势。有几种不同类型的干细胞,比如成人干细胞和胚胎干细胞。成人干细胞用于特定的组织类型。它存在于人体并且可以修复或更新人体组织,如:骨头,肌肉,皮肤。胚胎干细胞是未分化的胚胎细胞。它们具有多功能性,能够如在自然状态下从起始胚胎阶段发育为一个生命体那样,具有发育为任何类型细胞和组织的潜力。对于组织工程来说,它们的多功能是一个祝福,然而也是一个诅咒:因为这些细胞能够分化为任何类型的细胞和组织,换句话说,科学家很难控制它们分化,来引导它们成为期望的细胞,而同时避免分化为不期望的细胞类型。

因为胚胎干细胞牵涉到特殊的伦理问题,因此成人干细胞可能更具吸引力。山中伸弥(2012年诺贝尔奖获得者)的一个重要发现解决了此伦理困局,并且赋予组织工程全面的优势。那些成熟分化的细胞能够逆转为上游干细胞。伴随这项工作的成功,科学家将无需收集胚胎干细胞。

组织工程在生理或修复之外的其他使用场景

如上文所述,组织工程主要目的是开发组织和器官形式的人体功能修复。然而,也有一些常规TE衍生的有趣应用。

人造肉

组织工程一个相当有趣的应用叫做人造肉。这个想法很简单-在生物反应器里利用细胞培养肉,即实质上的肌肉细胞或组织。此“肉”能够通过上面提到的不同种类的干细胞或者肌原细胞(一种肌肉干细胞)培育而来。目前来看,依然没有商业化的产品可用,但是各种制造厂已经在筹划之中。人造肉的潜在优势包括:降低生产肉类所带来的温室气体排放,降低用于家畜饲养及家畜喂养过程的农田占用。

药物测试和筛选

在药物测试和筛选过程中,组织工程可能是其最有趣的应用。如果一种代表性的组织或器官被工程化,那么它可以作为评估药物有效性,剂量和可能的副作用的特定测试位点,并可以用于针对此特殊组织的药物开发。这样的组织工程可能降低实验动物的使用量,缩短临床试验时间,且极大可能降低药物发开的费用。

研发领域的生物材料和组织工程有何差别?

生物材料是人造材料,开发目的是用于医学治疗。它们常常通过不同的途径整合进周围组织。相比之下,TE是通过一系列方法,使用活细胞或组织种子来制造具有活体功能的组织。TE最初被认为是生物材料亚学科领域,其原因是使用支架和模板,以及用于TE的其他材料,因为TE起初非常专注支架等的材料研究。今天,TE被认为是一个自我独立的科研领域,并且与生物材料有较大重合。

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