全 文 ：2 反应器设计
为获得大规模的组织结构,必须在细胞开始形
成组织或器官时,保证有足够的营养物输送至细
胞,以及将来自细胞的废弃物排出细胞。迄今,已推
出数种培养系统,包括灌注或灌流反应器、旋转壁
反应器和旋转瓶反应器,来为细胞的三维生长提供
必需的运输条件。这些反应器都具有独特的液流模
式,和一定程度的来自液流的可控机械刺激,但一
般而论,其主要优点是具有运输性能。
虽然运输是组织形成的关键性条件,但一些其
他的刺激,包括机械刺激,可对新组织的形成产生
巨大的影响。通过利用已研制出的可提供这些刺激
的反应器,已建成具有前所未见的特性的新的组织
工程结构,包括可迸发出压力强度高达 286.6±
94.4kPa的组织工程动脉。这种工程动脉由于可产
生这么高的国际压力强度,所以很适合于动脉移
植。上述研究成果证明,生物反应器可为组织工程
结构的研发发挥关键性作用。
3 药物的释放:为组织形成和修复进一步创
造良好的环境
有关组织工程药物释放或递送,已有一系列优
秀的综述。药物释放有可能通过可溶因子,来创造
可指导细胞的相应的化学环境。控制性释放有可能
在支架内长时间提供药物和生长因子,从而促进组
织的发展和形成。已将生长因子成功地参入水凝
胶,从而增强有关组织包括骨和软骨的发展。并已
将生长因子成功地参入 PLGA支架,进而导致有更
强活力的组织结构的形成。
将生长因子参入多聚物的最常用的方法之一,
是利用微球体的形成。迄今,这些微球体释放因子
一直被用于支架,成为利用可促进修复的必需的化
学环境,来创造组织工程结构的另一个途径。由此,
人们通过把含有不同药物的微球体与独特的释放
模式结合起来,就可以开始仿效发育期间所见的环
境。这一点对于干细胞研究具有深远的意义。认为
通过组织工程和药物释放,人们有可能再现发育过
程。这种方式要比把生长因子简单地加入二维培
养,更有生理意义。这样,就有可能更好地控制和了
解干细胞的能力,并利用这种能力实现复合组织的
替代和修复。
4 细胞来源
组织工程的要旨是把支架与细胞结合起来,从
而将其用于组织替代或组织修复。在某些例子中,
已在移植后,使宿主细胞向内生长入支架,进而成
功地再生出新的组织,但在大多数场合,需要有来
自宿主或供体的细胞来源。除了细胞的来源外,还
应该选择一种或多种类型的细胞。这是构建组织工
程结构成败的关键。今后,在细胞生物学中有可能
随着鉴定一系列的干细胞和基因工程的介入,将可
能出现多种新的细胞来源和细胞类型以供进一步
研究。
软骨是组织工程领域中曾经广泛地和成功地
研究过的最早的组织之一。已经从软骨活检包括耳
后活检中,获得了自体软骨细胞,并且在 PGA筛网
和 PLA支架中成功地扩展和培育了这些细胞,进
而将其通过移植用于治疗组织缺损。自体细胞可避
免排斥问题,但它不一定是一种永远可行的选择。
这是因为,这些细胞可能无法获得,没有活力,或不
能进行必需的增殖从而形成新的组织。在某些情况
下,通过宿主或供体调控免疫反应,可使同种异体
细胞成为人们的另一种选择。但这种选择仅限于能
进行必需的增殖,从而形成新的组织的细胞类型。
如果只需要把细胞用于化学支持,例如胰岛的替换
手术,则可利用包囊的异种细胞。
然而,就多种组织类型而论,初级或原代细胞
是无法获得的或数量不足的,但其增殖能力则可满
足组织工程的需求。多潜能干细胞和祖细胞很有可
能解决组织工程所需要的有活力的细胞的来源问
题。因此,在再生医学中的干细胞(SC)业已成为组
织工程领域中的关键性研究对象之一。已知造血干
细胞(HSC)可以代替造血系统中的全部细胞,因而
HSC最早被鉴定,而且至今仍然是组织工程领域中
生物医学组织工程研究现状和前景(下)
汪开治 编译
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·信息交流· 2008年第1期
2008年第1期
经过最详尽描述的干细胞。但目前对于除 HSC之
外的多数干细胞类型的定义尚见仁见智。这是因
为,对于各种类型的干细胞,常有数种细胞鉴定、分
离和扩展方法,从而引起混淆。同时,在相同条件
下,并非全部特定类型的干细胞包括神经、间充质
和视网膜干细胞都一定会表现出形式雷同的行为。
例如,从各种组织或利用不同技术分离出来的神经
干细胞,就有可能具有不同的增殖、整合和分化能
力。
尽管如此,干细胞仍然具有广阔的应用前景。
同时,干细胞生物学已在来自成体和胎儿组织两者
的干细胞的鉴定、分离、扩展和控制性分化等诸方
面取得了重大的进展。据报道,干细胞可存在于骨
髓(造血,间充)、脑和脊髓(神经)、心脏、胰脏、视
网膜、肝脏和肺脏等多种组织或器官。早期常利用
克隆技术来鉴定和分离干细胞。也有一系列的研究
组曾利用荧光激活细胞分选仪,根据特异的表面标
记或 Hoescht染料的流量来分选干细胞。已研究了
由接种入干细胞的多聚物支架构成的几种组织替
代物,包括软骨、小肠和骨骼。
有关组织工程中和特异地指导多潜能干细胞
增殖和分化的能力,一直是一个挑战性的问题。例
如,已证明神经干细胞(NSC)可形成中枢神经系统
(CNS)中的全部细胞类型,并可替代损伤模型中的
细胞。但在离体条件下,却只有 1%的 NSC可被引
导而分化为特异的细胞类型。同样,在较大的在体
损伤模型中,NSC可植入和分化,但总是不那么完
全。
多潜能干细胞的分化转变,作为有可能获得成
体内不能获得或不容易获得的干细胞的途径,已引
起密切关注。有人建议,有可能把一种类型的干细
胞诱导成为另一种类型的干细胞。例如把骨髓基质
干细胞转分化为神经干细胞,或把神经干细胞转分
化为造血干细胞。大多数现代研究业已建议,这些
细胞常常不是通过分化转变,而是有可能通过与其
他细胞的融合,从而产生明显转分化的细胞的。在
干细胞群中,分化转变的存在仍然是一个有很大争
议的课题。
已知 1998年首次报道了人胚胎干细胞(hES
细胞)。已经对小鼠胚胎干细胞(ES细胞)进行了长
达 20年的研究。结果证明,小鼠 ES细胞能分化成
为多种类型的细胞。同多潜能干细胞一样,ES细胞
虽可对生长因子作出应答,但这种应答并不完整,
即只有一部分 ES细胞可作为组织应答,而分化成
为特殊类型的细胞。无论如何,当 hES细胞生长在
三维支架时,就可以通过相应的分化,形成新的组
织包括血管。同时,在移植时还可以与宿主成功地
整合,成为流过供体血管的宿主血细胞。
5 复合组织的构建:未来的方向和挑战
最早经批准用于治疗和投入市场的移植物之
一是组织工程皮肤植片。目前也在使用软骨,并将
其投入临床试验。科学家们正在为多种组织,包括
骨骼、肝脏、动脉、神经、胰脏、皮肤、肾脏和膀胱,构
建组织工程结构。
迄今,科学家们在组织工程领域所遭遇的最大
的挑战之一,是需要为复合组织和器官构建一个功
能血管网。血管形成或构建一直是一个关键问题。
有人曾加入生长因子以促进宿主的血管形成,也有
人将 hES细胞分化成为供体血管网,还有人曾经利
用共培养,以及利用组织工程,将初步的血管网作
为支架和药物释放器来形成复合组织。认为不论对
于肝组织还是皮肤,血管形成都是关键性的。
目前,组织工程领域正在作出的最有影响的贡
献是把材料、药物和反应器,以可以充分仿效发育
过程中的环境的方式组合起来,从而促进具有必需
功能的新组织和器官的发展,但无需复制发育过程
中的全部或众多的复杂性。例如,只要把两种生长
因子参入支架,通过相应的释放来促进骨骼生长和
血管形成,就可以对发展中的组织及其功能产生重
大的影响。祖细胞和干细胞的潜能促成了这种可能
性。组织工程研究也加强了人们对祖细胞和干细胞
发育和潜能的理解。
启动组织工程的最终目标是用于移植的新组
织的研发。我们正在目睹这一目标的实现。目前已
将组织工程血管移植入患儿。还有人曾将猪心瓣膜
移植入患儿,虽然在此项早期试验中遭受失败,但
这方面的应用前景,仍然看好。
(原载 AppliedMicrobiologyandBiotechnology,2004,
65(1):1~8)
汪开治编译:生物医学组织工程研究现状和前景(下) 185