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组织工程学

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A simplified overview of the general methods used in regenerative medicine
A simplified overview of the general methods used in regenerative medicine

组织工程学(Tissue engineering),是指利用生物活性物质,通过体外培养或构建的方法,再造或者修复器官组织的技术。这个概念由美国国家科学基金委员会在1987年提出,在此后的二十多年间快速发展。

组织工程学涉及到生物学材料学工程学等多学科;目前已经能够再造软骨皮肤消化道角膜肌肉乳房等组织器官。

综述

Micro-mass cultures of C3H-10T1/2 cells at varied oxygen tensions stained with Alcian blue.
Micro-mass cultures of C3H-10T1/2 cells at varied oxygen tensions stained with Alcian blue.

目前被普遍运用的组织工程学的定义,是由 Langer 和 Vacanti 所提出的:

组织工程是结合了工程学以及自然科学为一体的综合性学科,致力于发展生代材料以修复,替代,提高人体器官及其功能。[1]

组织工程也被定义为理解组织生长的原理,并生产具备功能性以供替代原先组织的临床使用。另一个描述接着说,组织工程的基本假设是,利用该系统的生物将在更换,维修,保养,和/或增强组织功能的治疗策略下取得更大的效益。

组织工程再多领域多层面的研究下,已经发展出一套对于原料与材料之间的应用有着组织性并且十分新颖的策略,例如生物材料科学的进步,干细胞应用,特殊生长和转化因子(differentiation factors)的应用,模拟独特的仿生环境(biomimetic environments),或是利用物理或化学工程改造的细胞外基质(支架的制程),细胞和生物活性分子之间的组合制备等等。而组织工程目前所遇到的困难主要是如何稳定培养更具复杂性的组织以及如何有效利用实验室培养出的组织进行移植以及新生组织在生物力学稳定性。

组织工程的持续发展将增长从工程和组织基础研究同时也会增进组织(tissue)、基质(matrix)、生长因子(growth factor)、干细胞(stem cell)和发育生物学(developmental biology)、材料科学(materials science)和生物信息学(bioinformatics)的这些学科的融合与应用。

组织工程学的三个要素

细胞

细胞是一切生物组织最基本的结构单位。干细胞是人体内一种有潜力能够分化为其他类型细胞的特别的细胞,也是生物工程广泛研究和利用的一种手段。

细胞收集与纯化

从液体组织,例如血液,通常会利用离心或单采血液成分萃取(apheresis)出目标细胞后再进行细胞增生。而从固体组织,纯化困难程度较高。通常将组织切碎,然后用胰蛋白酶(trypsin)消化酶或胶原蛋白酶(collagenase)以除去细胞外基质(extracellular matrix)以方便保存的细胞。此时细胞是自由浮动的,之后利用离心法或单采血液成分萃取。

胰蛋白酶作用对温度敏感性高。在较高的温度下分解胞外基质速度快,但高温下相对对细胞的伤害较大。胶原酶作用对温度敏感性低,对细胞的伤害也较少,但需要更长的时间进行反应,期间会消耗大量昂贵的试剂。

使用细胞的种类

一般会利用细胞的来源作为分类依据

  • 自体细胞(Autologous cells)是从同一个人的细胞取出后重新植入目标区进行组织再生,自体细胞移植具有最少的问题,像是免疫排斥或是病原体的传播,但是,在某些情况下可能不可用。例如,有遗传性疾病的自体细胞不可使用,或者是很患部病灶严重的患者(例如:严重烧伤)或年长者,可能没有足够数量的自体细胞建立有用的细胞株。此外,由于这一类的细胞必须从患者体内采集,此时也需要顾虑在执行这样的手术操作是否会导致供体部位(donor site)的感染或慢性疼痛,而这两者间的取舍必须经过缜密评估后再进行抉择。

由于这类细胞株要从采集到的样品中进行培养后才能使用,十分花费时间。最近出现了倾向使用来自骨髓和脂肪间叶干细胞在进行分化(包括骨骼、软骨、脂肪和神经)的方法,能利用诱导的方式大量分化并产生所需要的细胞。

支架

支架是用于支撑细胞成长为一个完整的组织的框架材料。

生长信息

用于引导和协调组织内细胞活动的各种方法,目前已知的能够影响细胞活动的生长信息包括各种蛋白质因子和电信号

组织工程学的医疗应用情况

骨骼缺损修复

传统临床使的植骨材料主要分为自体骨、同种异体骨、经特殊处理的异种骨和人工骨材料等,这些手段但都存在适用性和并发症等缺陷。随着组织工程学技术的发展,改变了治疗骨缺损的传统治疗模式。而通过组织工程学手段体外培养骨骼组织作为修复材料,则没有其它手段的各种缺点,可以达到理想的效果。

角膜

通过体外培养角膜,再移植回人体,让因为角膜缺失或损坏而失明的人士恢复视力。

皮肤

对于被烧伤炎症等因素损害的皮肤,通过体外培养皮肤组织移植人体,达到修复皮肤的外形和功能的目的。

牙齿

参见

引用

  1. ^ Langer, R & Vacanti JP, Tissue engineering. Science 260, 920-6; 1993.

参考文献

  • Davis, M.E., et al., Injectable Self-Assembling Peptide Nanofibers Create Intramyocardial Microenvironments for Endothelial Cells. Circulation 111:442-450 (2005).
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