组织工程研究与开发的发展历程、现状及发展趋势

bobo

日期: 2004-09-10 今日/总浏览: 1/1024
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　一、发展历程与现状
) w1 x) V4 n, q- V6 R/ ]% w　人工生物材料在组织工程研究发展的早期即与组织工程同步发展。在二十世纪六十年代中期，用于烧伤治疗的人工皮肤已经作为对症性治疗措施而在临床上应用，随后，合成性纤维开始用于烧伤治疗的人工皮肤的实验研究。在二十世纪七十年代早期，科研人员开始致力于对植入物的人工表面进行处理，以使之避免引起血液凝集，如对材料表面引入特殊的肝素复合物涂层等。其它研究集中于对可用作植入物或组织工程支架材料的各种有机聚合物进行毒性和生物相容性研究，以及研制作为人工皮肤基础的新型明胶。在二十世纪七十年代晚期，研究人员开始应用以胶原为基础的人工皮肤进行口腔粘膜损伤的治疗。* h- D- o+ J9 v' C6 l( ?
　二十世纪八十年代，在组织工程和生物材料研究领域，R＆D名副其实地增多。作为其中的一部分，在世界范围内许多大学建立了生物医学工程系。在1981年，应用一种人工皮肤治疗严重烧伤获得成功，该材料在组成上主要为硅酮，外面覆盖有交链了硫酸软骨素的多孔胶原海绵。
  N& s( \  ?: X* B　二十世纪九十年代，有多个组织工程产品进入市场。Interpore公司研制的珊瑚来源的骨移植代用品Pro―Osteon在1993年获得批准。1996年，Integra公司的人工皮肤被批准体内应用。1998年，美国FDA的普通外科和整形外科顾问专家小组一致同意Apligrf(Graftskin)人工皮肤用于治疗腿部静脉溃疡。Apligrf由Organogenesis公司研制,是一种最早研制出的具有活性的人工组织，在目前已经被顾问小组推荐给FDA批准。Apligrf在1997年获得加拿大批准用于治疗腿部静脉溃疡。' R% y& D7 |6 X
　在最近兴起了很多致力于组织工程研究的公司，这些公司之间通过不同于传统药物公司与大的制药公司之间的合作方式进行合作以开发更多的产品。例如，LifeCell(TheWoodlands)公司的用于体内移植的组织植入物以及输入性血液制品的保存。这家公司于1997年与Medtronic(Minneapolis，MN)合作，研制了组织工程工程化猪心脏瓣膜以用作人的心脏瓣膜替代品。Medtronic(Minneapolis，MN)是在心脏外科领域处于领先的医疗设备公司，它提供一整套机械和组织心脏瓣膜修复物，而其与LifeCell(TheWoodlands)公司的合作使其拥有了一个补充组织工程化产品的重要途径。这一合作类型证实，以更为专业化的医疗器械公司来替代大的制药公司，是组织工程产品商品化的一个有效途径。& F, x" b3 c5 I# A# M8 t/ t0 t
　Dermagraft－TC是一种组织工程化的人皮肤组织，它包含有合成性的表皮层。这种人工皮肤可以覆盖和保护烧伤，有助于减轻感染、防止体内液体流失直至自体长出足够量的可供移植的皮肤。$ Z3 N: P* _9 @5 s
　组织工程产品的另外两个应用领域是毒性检测以及体外实验市场，其可以作为某一类型动物实验检测的替代物。这方面应用很好的一个例子是在1995年，负责体外实验室检测的StratumLaborataries公司获得了制造和销售体外实验室Skin2检测试剂盒的许可以及另外六种组织的选择权。- q) U, R# c6 B9 B1 o  Y
　Skin2是一种用于检测皮肤护理、家务、化学品、制药品等的各种各样并发症的有活力的人工皮肤。这一组织已经被美国移植部及加拿大转运部批准用于腐蚀剂检测，并进一步证实了这一技术具有可行性。/ \- e' p- U1 |# l9 X( C
　伤口修复是组织工程产品的一个关键应用，虽然众多应用集中于人工皮肤治疗烧伤，但其它皮肤疾病也因此受益，例如，AdvanceTissueSciences＇Dermagraft是一种组织工程化人工皮肤，它已经应用于治疗作为长期糖尿病并发症的腿部溃疡，在临床实验时发现，这种治疗可以明显促进伤口愈合，尤其是在Dermagraft细胞具有活力、功能良好的情况下。
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8 F# e1 O- N4 j2 K　二、发展趋势; y8 F/ U( K) m: H4 r- a6 e6 `
　围绕种子细胞来源、生物支架材料和组织构建技术，讲述国际上的发展趋势。; |  s. Z9 U( \2 Y
　1、种子细胞来源：种子细胞是组织工程的基本要素。某些种子细胞在体外培养过程中，经过一段时间后,细胞极易老化，从而丧失分泌基质的功能，因而难以从少量的组织经体外分离培养获得大量的组织细胞。因此，如何防止细胞功能老化和寻求广泛的细胞来源,是组织工程研究中首先需要解决的关键问题。在这一方面的主要研究方向有：; r# ~; v, C; o. I
动物细胞：确保它们具有安全性依然是个令人关注的问题，因为免疫系统对其排斥的可能性很高。基于这些原因，人类细胞是首选对象。
2 M& b  w, n( A% Z# u& C- S+ H3 f　人类胚干细胞：能够发育成一系列组织从而形成人的细胞。但是，从能够操纵培养中的胚干细胞到能够生产可用于创造或修复特定器官的完全分化细胞，研究人员还有很长的路要走。
4 K# D+ e' ]. l4 N5 i3 ]+ r　组织特异干细胞：一个更直接的目标是从组织中分离出叫做起源细胞的组织特异干细胞。这种细胞向专业分化方向走了几步，但因为它们尚未完全分化，因而具有足够的灵活性可以补充几种不同类型的细胞。组织特异干细胞的可塑性是在二十世纪九十年代后期才被认识到。在现在已经知道，不仅骨髓组织中存在的间质干细胞(MSCs)在一定条件下，可向成骨细胞、软骨细胞、成肌细胞、脂肪细胞、成纤维细胞等分化，而且在其他组织如皮肤、肝、神经等也存在干细胞，这些干细胞还存在相互转化的现象。研究发现，接种在小鼠体内的造血干细胞可培养出肝细胞，将神经干细胞接种在致死剂量照射过的小鼠体内，可在小鼠血液中发现来源于神经干细胞的造血细胞。克利夫兰临床诊所ArnoldI.Caplan及其同事已从人类骨髓中分离出起源细胞，这种细胞在实验室中经过诱导能够形成构成骨的成骨细胞或组成软骨的软骨细胞。与此类似的是，北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校LolaReid已在成人的肝中鉴别出了小卵形起源细胞，这种细胞在培养物中经过操纵后能够形成成熟的肝细胞（此细胞产生胆汁并消除毒素）或者衬垫胆管的上皮细胞。这些研究表明，组织特异干细胞有可能作为组织工程的种子细胞来源，其中自体MSCs与支架材料复合构建的组织工程骨已有临床应用的个案报道，显示了临床应用的良好前景。MSCs还易于实现外源基因的导入和表达，为基因治疗开创了应用前景。
8 I4 w8 E9 [- ^3 \& N7 S! V　通用细胞：科学家除掉或利用其他分子去盖住细胞表面的将供体细胞视为“异己”的蛋白质。马萨诸塞州Diacrin公司现正采用这种策略制造人类移植可以接受的某些类型的猪细胞。Diacrin公司还计划利用“掩盖”技术使细胞在不相配的人供体之间进行移植。该公司已获主管部门批准，就某些肝病开始进行掩盖人类肝细胞的人类试验。
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; h3 Q2 w6 c; W' g" D' e　2、生物支架材料) I/ K# z- m8 }
　生物可降解材料在组织工程研究中起着非常重要的作用，它是组织工程实现产业化的关键。/ ^6 p6 g5 E7 q- h7 t
　研究和开发可生物降解并且不会诱导瘢痕组织形成的新材料是组织工程的一个新兴领域，它提出了许多挑战。在目前用于组织工程载体的大多数材料都可归于两种类型之一：合成材料，如可生物降解缝合材料，或天然材料，如胶原或藻酸盐（源于藻类的凝胶样物质）。合成材料的优点是，它们的强度、降解速度、微结构和渗透性均可在生产过程中进行控制；而天然材料的优点则通常更易于细胞附着在其上面。现在，研究人员试图综合两类材料的最佳优点来设计具有特别需要的特性的新一代材料。例如，有人正在制造具有模拟特定组织的自然细胞外基质的生物活性区域的可生物降解聚合物。其中有一种包含RGD，即细胞外基质蛋白质纤维连接素的一部分。RGD是用构成它的三种氨基酸即精氨酸(R)、甘氨酸(G)和天冬酰胺(D)的单字母缩写命名的。许多类型的细胞通常都通过附着到RGD而附着到纤维连接素上，因而包含RGD的聚合物能够为生长细胞提供更自然的环境。
' w6 c, _/ E- O0 @4 }　而另一些科学家则打算制造导电的聚合物，或者制造能迅速胶化的聚合物。这些快速成形的聚合物在可注射生物人工产品中是有用的，这些产品包括可用来填充断骨的产品。6 p4 ?1 ?9 E2 a
　研究人员通过利用促进血管形成的生长因子包裹支持组织的多聚物载体而成功地促进了在实验室里生长的生物人工组织的血管发生。今后的研究将考察释放生长因子与控制其活性的最佳途径，以便只在需要的时候和需要的地方形成血管。
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: f1 W0 o) p1 k4 Q　　3、组织构建技术' _- L' c3 h% t  o$ C
具备了大量可靠的种子细胞和符合要求的生物支架材料，仅仅是完成了组织工程化组织或器官构建的第一步。在此基础上，科学家必须开发出在生物反应器中大量培育细胞或组织器官的更加先进的方法，叫做生物反应器的其是安装了将营养物、气体（如氧气和二氧化碳）和废物控制在适当数量水平的搅拌器和传感器的培养室。随着组织在生物反应器中的生长，使其机械特性达到最佳将是极为关键的问题，因为许多组织在受到扩展、拉动或压缩作用时会做出反应，进行重构或改变它们的总体结构。例如，当组织工程软骨在把正在发育的组织暴露给流体作用力的变动的转动器皿中进行培养时，它就会变得更大，从而包含更多的形成细胞外基质的胶原和其他蛋白质基质。基质是类似蜘蛛网的网状结构，作用是支撑细胞生长和构成组织。以这种方式培育的软骨，包含了细胞外基质蛋白质，从而使其更稳固，更持久，对外力更易做出生理反应。' y$ P% }( A$ Z0 H4 k
　现在，杜克大学的LawrnE．Niklason证实，如果让组织工程小动脉的培养基产生脉动（类似于搏动心脏所产生的血压），那么这些由内皮细胞（血管衬）和平滑骨细胞构成的管状组织工程小动脉就能展现更接近于自然管的机械特性。+ A/ `: E3 n/ d) W+ `1 L: t+ f
　除上述所涉及的组织工程领域研究的方向和趋势以外，与此紧密相关的二个问题也是目前研究的重点，即组织保存技术和相关的法规文件。
  }$ c  `$ S8 C! _5 `　开发组织保存新方法以确保组织工程产品在从工厂到手术室的途中以良好的功能状态存活，且不会在移植过程中死去。在这种情况下，从供体器官移植中改良而来的技术可能是有用的。
! W! J, y3 \; I3 W: E　对组织工程产品的审批程序也是个棘手的问题，生物人工组织和器官几乎跨越了食品与药物所管辖的所有领域，它们基本上是医疗器械，但因为它们包含着活细胞，所以还产生起到像药物那种作用的生物物质。目前，美国FDA将第一批寻求正规批准的组织工程产品――两种生物人工皮肤一一作为复合产品对待。该机构将组织工程作为一个优先领域并且正在提出处理生物人工产品的明确政策。
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组织工程研究与开发的需求分析
: _$ Y, b" |6 Q2 I1 s; m7 k" S　组织和器官的损伤或功能衰竭是人类健康面临的一大难题，并由此用去美国年度医疗经费总额的一半。对组织和器官的损伤或功能衰竭的治疗包括：器官移植（同种或异种移植）、外科修复、人工假体、机械装置，在少数情况下，也可选用药物治疗。伴随医学科学的发展，器官移植技术已经较为广泛地应用于临床，但至今器官移植仍存在一些问题，其中最严重的是器官和组织短缺，供体不足，同时，上述治疗方案最终仍难以修复受到损伤的组织或器官或使之功能得到长期恢复。
% S- l: F, d+ \$ m8 U2 A8 K　对组织和器官的损伤、功能衰竭来说，组织工程学是一种重要的潜在替代治疗措施，有望最终解决这个问题。当组织和器官损伤或功能衰竭时，组织工程技术采用植入天然的或合成性／半合成性组织或器官代用品的方式进行治疗，这种方式可以在植入初期已经具有组织或器官的全部功能，或在体内生长的过程中逐步具有需要的组织或器官的功能。
8 x& X0 d6 u! _　组织工程的应用范围相当广泛，包括结构组织的修补，器官移植与人工器官替换，还有药物传递、细胞治疗等。采用组织工程的治疗，具备复原快、减少手术、改善病人生活品质、降低住院及医疗费用等优点，因此，组织工程将是二十一世纪具有巨大潜力的高技术产业，成为二十一世纪医学发展的重要方向之一。' q) [4 h% b* r6 F! {+ Z' `  Z1 I9 x
　做世界市场的分析，欧盟调查，世界组织工程市场目前约有250亿美元，年成长率12％，美国市场则有一百亿美元，约占世界市场的四成，而欧洲也有七十亿美元的市场规模，预计到了2007年，世界市场将成长至八百亿美元。: W+ z$ W- U: G. q9 |
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* U! C: O1 Q7 n作者: . H* j2 `. n/ Z% Q+ f7 V
来源: 上海市科学技术委员会6 b: q, A% \' L4 M+ n' i$ {
发布者: 刘斌