生物由细胞组成

《生物由细胞组成》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物由细胞组成（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 组织工程组织工程组织工程组织工程体外复制人体器官体外复制人体器官体外复制人体器官体外复制人体器官 生物由细胞组成，低等的生物个体可能只包括单个细胞，如草履虫，这单个 细胞就可以完成整个机体的所有生命活动。对于较高等的生物，譬如我们在日常 生活中看到的各种动物、植物以及人类本身，它们的基本结构和功能单位仍然是 细胞， 这些细胞集合形成完成不同功能的组织，功能相关的组织按一定的方式组 成器官， 各种器官组合起来构成系统， 各个系统协调运动， 从而实现个体的生长、 新陈代谢、生殖和发育等生命活动。因此，器官可以看成是生物个体活动的结构 和功能单位。 生物体与生活环境和其它生物体的相互作用，不可避免

2、的会发生器官损伤或 功能衰退，其中有一些生物具有良好的再生能力,例如植物。动物界中，有尾目 的蜥蜴和蝾螈，它们在受到攻击时尾巴很容易脱落，但很快能再生出新的尾巴， 研究还发现，它们的其他组织，如视网膜、心肌、四肢等器官也能和尾巴一样实 现再生。 人类作为万物之灵，是否也具有象蜥蜴和蝾螈这样强的器官再生能力呢？研 究发现，人类的某些器官如肝脏具有部分再生能力，但总的说来，这种能力非常 有限， 器官损伤后,很难实现功能的恢复,从而造成功能障碍或残疾。对于功能受 损和丧失的器官， 通常采用异体器官移植或人工器官植入来治疗， 前者如肾移植、 角膜移植等，人工器官有心脏起搏器、人工骨等。通过这些方法可以

3、部分恢复病 人受损器官的功能，但是存在着诸多限制。对于器官移植，供体器官来源太少， 必须长期使用免疫抑制剂，以及可能引起外来病毒感染等问题；对于人工器官， 一方面功能有限， 另一方面费用昂贵， 这些限制都严重影响了这两种方法的普及。 20 世纪 80年代中后期发展起来的组织工程为解决受损器官功能替代和恢复提供 了新的途径，也为人类疾病的个性化治疗提供了新的思路。 一、 组织工程的概念 组织工程是应用工程科学和生命科学的原理和方法来解释哺乳动物正常的 和病理的组织结构功能关系，并且在体外培养具有生物活性的组织替代物， 来恢复、维持或提高机体器官的功能。它是细胞生物学、分子生物学、生理学、 医学和

4、临床、药理和毒理学、生物材料工程、生物化学工程、生物力学工程、生 物传感器等科学和技术的交叉和综合，是生物医学工程学科的一个重要分支。简 单而言，组织工程就是在以生物可降解的聚合体材料构成的模型表面，在一定的 条件下，进行特定细胞的培养，最后聚合体构架自行溶解，形成三维的具有生物 功能的组织或器官。下面这个例子简单说明了工程化组织的制造过程。 1999 年美国哈佛医学院通过九年的研究， 成功利用猎犬的一些细胞制造了膀 胱，新膀胱在猎犬体内工作正常。首先，科学家们从猎犬膀胱的外表面获取平滑 肌细胞，在膀胱内表面获取尿上皮细胞，在体外培养。其次，寻找正确的聚合体 构架使细胞能在其表面生长，科学家们

5、应用多分支的、多孔渗水的聚羟基乙酸聚 合体，塑造了一个膀胱形状的模子，再在其表面涂上聚乳酸类物质。第三步，科 学家们将尿上皮细胞加到聚合体膀胱的内表面，平滑肌细胞加到外表面，然后进 行无菌培养。7 天后，通过外科手术，用新生长成的膀胱分别替代 6 只小猎犬的 正常膀胱。3 个月后，聚合体在新膀胱组织中消失，小猎犬的机体开始用自身的血管供应新膀胱， 新膀胱和正常的膀胱一样能容纳尿液， 并维持正常的膀胱形态。 另外，新膀胱工作正常，甚至还接受机体神经支配。这样，工程化膀胱就可以完 全替代原来的膀胱。工程化膀胱的在动物实验中的成功，证明了人体内脏器官工 程化的可行性。 二、 组织工程研究的意义和目的

6、 人体组织或器官的工程化生产，可以用于替代人体不可逆损伤的、功能退 化的器官，从而提高人类的健康水平和生活质量，是组织工程研究的最终目的。 据统计，美国每年约有 10 万人因为疾病、意外创伤、先天缺陷等造成器官、组 织的不可逆损伤而需要器官移植，如肾脏、角膜、骨髓、血管、肝脏等，每年对 这些器官的需求约 1000 万个，因为来源缺乏，其中只有 20%的患者能得到及时 处理， 大多数患者因为没有供体器官而得不到及时救治而造成终身残疾，甚至失 去生命。美国每年在器官移植方面的费用约为 4000 亿美元。在我国，这些数字 将更惊人，对工程化器官的需求量更大。组织工程的发展可以为人体组织、器官 移植提

7、供新的来源，使更多的患者得到及时治疗。 组织工程的研究对于药物的药理学和毒理学研究有重大的推动作用。药物 要进入临床使用，必须先进行药理学和毒理学研究，通常的方法是通过动物实验 和志愿者试验来进行研究，周期较长，而且由于人类与动物的差异和药物的组织 特异性，动物实验所得结果不一定适用于人类。而工程化组织可以在体外模拟机 体的环境来研究药物，一方面大大减少了实验动物的使用，缩短了研究周期，降 低了志愿者的风险；另一方面对于提高药物疗效和降低毒副作用具有重大价值， 从而大大加速了新药的研究和开发。 组织工程对于基因疗法和细胞疗法等新技术 的发展也起重大作用。美国正在进行这方面的研究，把取自癌症患者

8、的癌细胞和 免疫细胞进行体外培养， 训练 、锐化、提高患者免疫细胞的功能，再输回到患 者体内以治疗癌症。 组织工程的研究对于生命科学、材料科学、以及其他科学的研究亦具有重大 科学意义。个体从一个受精卵开始，经多次分裂形成具有内、中、外三个胚层的 胚胎，内、中、外胚层细胞分工定向分化成个体的各个组织和器官，最终形成个 体。根据分子遗传学理论，个体的生长发育和一切生命活动都是由基因控制的， 每一个细胞均带有个体所有的基因，即细胞具有基因全能性。在个体形成早期， 即胚胎期，胚胎的发育易受外界条件的影响，例如，药物、疾病、辐射等因素可 能使胚胎发育异常，从而造成先天畸形或发育停止，这说明了外界环境可以

9、影响 细胞的分化， 从而影响组织和器官的结构和功能。 一些动物为什么具有再生能力， 人类肝脏为什么具有部分再生能力？这是因为机体内存在干细胞， 干细胞具有分 化形成特定细胞的能力，从而可以实现组织再生。那么，人体内是否存在处于睡 眠状态的干细胞， 或分化细胞在一定条件下是否可以转化为去分化细胞？对于损 伤的组织，机体在自我修复时更容易形成疤痕，而不是再生，细胞间是否缺乏引 起再生的刺激信号， 或者产生抑制再生和喜好修复的信号？细胞在何种条件下发 生分化或去分化？细胞之间是如何通讯的？细胞和材料表面之间是如何相互作 用的等等生命之谜，其谜底将随着组织工程研究的深入而全部或部分得到揭开。 三、 组

10、织工程中的科学问题和关键技术 组织工程的核心问题是：应用生命科学和工程技术的原理和方法，在细胞 的体外培养过程中，诱导干细胞定向分化，维持、调控乃至优化这种分化，从而 形成具有和在体组织相似功能的组织或器官。以这一核心问题的解决为目标，从 不同学科出发提出的科学问题和方法学研究， 就是组织工程的主要科学问题和关 键技术。 1、组织构成细胞的培养 生物组织是由实质细胞和间质细胞构成的。对于组织工程来说，首先要求获 取所要培养组织的细胞。干细胞的研究对组织工程起着重要作用。干细胞具有两 个特性，一是能够自我更新而不发生定向分化；二是它具有多种分化可能性，在 特定的微环境的调控下可以分化成特定的体细

11、胞。 对组织工程来说，细胞可来源于自体细胞，这是一种较常规的选择，可以避 免机体的免疫排斥反应，但是受到种类、数量、时间等限制。因此必须考虑其它 方式来获取细胞， 如应用治疗性克隆技术从胚胎干细胞诱导分化成组织特异干细 胞或应用转基因技术获得工程细胞。获取细胞后，还要研究细胞扩增防老化技术 及其机理，干细胞快速、规模扩增等问题。 2、生物材料及构架制备 为了形成具有三维结构的组织，必须提供一个构架，构架选择的聚合体必须 有足够的弹性提供细胞一个类似生命体的力学环境， 充分多的孔隙允许培养液浸 润生长的组织，传输营养物质和清除细胞代谢废物，随着组织的生长能够自我降 解，但是降解速度不能太快，要有

12、足够的时间保证细胞长进去，及时填补聚合体 溶解留下的空隙。所以必须用多分支的、多孔渗水的聚合物材料制作网络构架， 常用的有聚羟基乙酸、聚乳酸类等生物材料。 组织工程所用的材料除与一般医用生物材料要求生物相容性外，还要求对细 胞有选择性粘附能力，能介导细胞细胞相互作用；能对细胞能动运动起导向作 用；能诱导、调控细胞功能分化；通过孔隙尺度的设计(10nm)和药物缓释建立 免疫屏障或抑制免疫原性； 降解产物无毒， 且可代谢排出； 具有合理的力学性能， 其降解速率和细胞生长、组织构成速率相匹配。其基本科学问题是：生物大分子 与细胞、细胞与细胞、细胞与材料表面之间包含的化学的、物理的、力学的、生 物学的

13、、以及其它相互作用。其关键技术主要包括基体材料改性、表面修饰、表 面活性组装、降解速率调控、三维构架设计和制备等等。 3、生物组织工程化培养系统的研究 在发育过程中，细胞通过自我复制、能动运动、粘附、聚集、相互作用而构 成特定的生物学图式，形成具有特定结构和功能的组织和器官。近十余年来的研 究表明：细胞的生长会在其周围介质中形成一定的应力分布，且这种应力的作用 将导致周围的生物大分子形成有序的结构，因此，对生物组织的离体培养来说， 力学环境(微环境应力分布)是诱导、调控细胞功能分化，影响细胞能动运动、 粘附、聚集以及细胞之间的相互作用，进而决定其生物图式的构成的重要因素。 另一方面，细胞的生长

14、要求一定的化学微环境。在离体培养条件下，化学微环境 稳态的维持必须通过特殊设计的传质过程实现。 而传质过程总是和介质的应力分 布耦合在一起的。因此，组织工程中的细胞组织培养系统和生物化学工程中传 统的生物反应器有质的区别，它的研究涉及组织工程学的一些基本的科学问题， 而它本身又是组织工程的关键技术之一。 四、 组织工程研究现状 组织工程的研究受到了政府、学术界、工业界的广泛重视，美国宇航局曾 将此列为空间生物科学研究计划首选项目，美国还建立了多个组织工程研究中 心，如美国宇航局所属 Johson 中心、匹兹堡组织工程中心等。目前，实验室生 长的器官，从皮肤、软骨到心瓣、角膜等已有十几个或已进入

15、临床应用，或在临 床试验中，或在动物实验阶段。 最早进入工程化组织市场的是皮肤和软骨产品。1997 年，美国 FDA（食品与 药品监督管理局）批准美国加利福尼亚州一家公司生产的商品名为 TransCyte 的皮肤替代物进入市场。 它由取自皮肤真皮或表皮层的细胞在一个生物可降解的 聚合物上生长而成。TransCyte 能作为创口的临时覆盖物，可用于 2 度或 3 度烧 伤的病人。另一个皮肤产品，商品名为 Apligraf，由皮肤的真皮层细胞和表皮 层细胞一起培养而成，1998 年在美国和加拿大批准用于治疗不能自然愈合的腿 部溃疡。 商品名为 Carticel 的软骨产品，可用来替代损伤的膝关节软

16、骨。它首 先从病人机体中获取一些软骨细胞，然后将这些细胞在一个可降解的基体上生 长，组织长成后，外科医生切去损伤的软骨，用工程化软骨组织替代。 还有一个软骨产品正处在临床试验后期，软骨细胞在称为水凝胶的聚合体上 生长，它在注入体内后变硬，可用于有尿液返流到症状的儿童患者，作为膀胱瓣 膜缺损的修补物；也可用于张力性尿失禁的妇女，这类病人在咳嗽或打喷嚏时尿 液容易流出。还有一些已进入临床试验的产品，如皮肤替代物 TransCyte 的新品 种被设计用来治疗糖尿病引起的难治性脚部溃疡； 由成纤维细胞和胶原质组成的 连结性组织产品 Vitrix，可以实现深部创伤的无疤痕愈合。 处于实验室研究阶段的工程化组织较多，例如，在体内能迅速变硬的可注射 的聚丙烯延胡索酸酯共聚物，可以诱导猫和山羊的断骨再生;在猫身上使用聚 合体基质生长的小肠，已成功的与其它内脏器官相接。人类角膜、心脏肺瓣、血 管、耳、胰脏、肌肉、乳房组织替代物等工程化组织均已能在实验室里生长。 我国组织工程的研究还处于起始阶段，在医学界有零星的实验研究，主要侧 重于临