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1、专题四干细胞与组织工程专题四干细胞与组织工程技术技术- -生物探索生物探索 干细胞与组织工程 随着生命科学的飞速发展，目前组织工程、干细胞研究已经成为21世纪生命科学研究的焦点和前沿领域。组织工程研究涉及种子细胞、生物支架材料以及组织构建等众多研究方向干细胞研究则有望解决组织工程研究中的种子细胞来源问题，可能成为组织工程研究中的理想种子细胞。一 “组织工程”的概念 1 “组织工程”的产生和发展 组织、器官的损伤或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一，也是人类疾病和死亡的最主要原因。据美国的一份资料显示，每年有数以百万计的美国人患有各种组织、器官的损伤或功能障碍，每年需进行800万次手术进行修
2、复，年住院日在4000万9000万之间，年耗资超过400亿美元。 随看现代外科学的发展，人类对组织、器官缺损的治疗有了很大的进步，但仍然存在许多问题。目前临床常用的治疗方法有三种： 自体组织移植、 异体组织移植、 人工合成组织代用品 组织工程是近年来正在兴起的一门新兴学科组织工程是近年来正在兴起的一门新兴学科,1984,1984年，年， Wolter Wolter首先提出首先提出“组织工程组织工程” ” （Tissue EngineeringTissue Engineering）一词。）一词。19871987年，美国国家科学基金年，美国国家科学基金会于正式提出和确定会于正式提出和确定“组织工程
3、组织工程”一词，开辟了组织工程学研究的新纪元。一词，开辟了组织工程学研究的新纪元。它是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病它是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进理两种状态下结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。 从事组织工程研究的科学家们利用细胞生物学、分予生物学以及材料科从事组织工程研究的科学家们利用细胞生物学、分予生物学以及材料科学等学科的最新技术，
4、像工厂生产零部件一样，针对患音组织或器官缺失情学等学科的最新技术，像工厂生产零部件一样，针对患音组织或器官缺失情况，利用构成组织或器官的基本单位况，利用构成组织或器官的基本单位细胞以及为细胞生存提供空间的支细胞以及为细胞生存提供空间的支架材料，在体内外培育出所需的人体组织或器官需要多少就培育多少量架材料，在体内外培育出所需的人体组织或器官需要多少就培育多少量体裁衣制备完成后再给患者安装上去。体裁衣制备完成后再给患者安装上去。 组织工程研究的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体。这一三维的空间结构为细胞提供了获取营养、气体交换、排泄废物和生长代谢的场所，也是形成新的具有形态和功能的组织
5、、器官的物质基础。这与传统的二维结构对细胞营养有着本质的区别。其最大的优点在干：形成具有形态和功能的组织、器官的物质基础。形成具有形态和功能的组织、器官的物质基础。形成具有生命力的活体组织，对病损组织迸行形态、结构和功能的形成具有生命力的活体组织，对病损组织迸行形态、结构和功能的重建，并达到永久性替代，可以用最少量的组织细胞（甚至可用组织重建，并达到永久性替代，可以用最少量的组织细胞（甚至可用组织穿刺的方法获得，经体外培养扩增后，来修复大块的组织缺损达到无穿刺的方法获得，经体外培养扩增后，来修复大块的组织缺损达到无损伤修复创伤和真正意义上的功能重建；损伤修复创伤和真正意义上的功能重建；可按组织
6、、器官的缺损情况任意塑型，达到完美的形态修复效果。可按组织、器官的缺损情况任意塑型，达到完美的形态修复效果。2 组织工程的阶段性发展 应用组织工程技术构建组织工程化组织至今主要经历了三个发展阶段，代表了组织工程阶段性的发展历程。A A在在2020世纪世纪8080年代末至年代末至9090年中期的第一阶段，年中期的第一阶段，主要进行了组织工程化组织构建的主要进行了组织工程化组织构建的初步探索，证明应用组织工程技术能够形成具有一定结构与形态的组织。初步探索，证明应用组织工程技术能够形成具有一定结构与形态的组织。B B至至9090年代中期主要在免疫功能缺陷的裸鼠体内构建组织工程化组织，在此阶段年代中期
7、主要在免疫功能缺陷的裸鼠体内构建组织工程化组织，在此阶段成功构建了骨、软骨、肌腱等组织。成功构建了骨、软骨、肌腱等组织。其中在裸鼠体内构建具有皮肤覆盖的人耳廓其中在裸鼠体内构建具有皮肤覆盖的人耳廓形态软骨的成功，樗着组织工程技术可以形成具有复杂表面结构的软骨组织，向形态软骨的成功，樗着组织工程技术可以形成具有复杂表面结构的软骨组织，向人们展示了组织工程研究的广阔前景。人们展示了组织工程研究的广阔前景。C C目前组织工程民经进入了其发展的最为重要的第三阶段，即组织工程的临床应目前组织工程民经进入了其发展的最为重要的第三阶段，即组织工程的临床应用与初步产业化，用与初步产业化，据来自美国的最新统计结
8、果表明，目前专职从事组织工程研究据来自美国的最新统计结果表明，目前专职从事组织工程研究的科学家已超过的科学家已超过30003000人，组织工程的高科技企业已有人，组织工程的高科技企业已有7070余家，企业运行所需的年余家，企业运行所需的年度费用已近度费用已近6060亿美元，并以亿美元，并以16%16%的年增长率啬。截止到的年增长率啬。截止到20012001年初，在美国股票市年初，在美国股票市场上市的场上市的1616家组织工程高技术企业其市值已达家组织工程高技术企业其市值已达2626亿美元。亿美元。二 组织工程研究新进展 在某些领域已进入临床前研究或产业化阶段,组织工程皮肤已被美国食品及药物管理
9、局( FDA) 批准上市。预计在不久的将来还会有新的产品应用于临床治疗。 组织工程的核心是细胞、生物材料及组织工程化组织构建，因此，组织工程研究的方向主要集中于三个方面：种子细胞研究、组织种子细胞研究、组织工程用生物材料组织构建及构建环境优化研究。工程用生物材料组织构建及构建环境优化研究。 1 种子细胞的研究进展 应用组织工程的方法再造组织与器官所用的各类细胞统称为种子细胞。 种子细胞的培养是组织工程的基本要素，种子细胞研究的目的在于获取足够数量的搁细胞，同时保持细胞增殖、合成基质等生物功能并防止细胞老化。组织工程种子细胞主要有三个来源：（1）与缺损组织细胞同源的自体细胞;（2）组织特异干细胞
10、：主要包括骨髓基质干细胞等具有多向分化潜能的多能干细胞及皮肤、肌肉前体细胞等具有定向分化潜能的专能干细胞;（3）胚胎干细胞. 干细胞将作为组织工程的“上游”研究为组织工程的进一步发展提供技术储备，近年研究进展尤为突出。种子细胞的扩增及应力与生长的研究种子细胞的扩增及应力与生长的研究 构建组织工程产品需要大量细胞,如何从少量组织中获取大量细胞已成为组织工 程研究中迫切需要解决的问题之一。各种生长因子,各种动态培养系统,如微重力旋转生物反应器,环绕混合培养系统,应力场培养装置等均已在组织工程研究中得到应用,但尚需进一步完善以达到实用化目标。2 2 支架材料的研究进展支架材料的研究进展2. 1 可降
11、解高分子材料可降解高分子材料 国内外研究较多的是聚羟基乙酸(polyglycolic acid , PGA) 、聚乳酸(polylact acid ,PLA) 、聚羟基乙酸与聚乳酸的共聚物( PL GA) 等。这些材料具有可标准化生产、可降解、细胞相容性好等优点。 但其酸性降解产物有可能对细胞的活性产生不利影响;同时其亲水性、细胞相容性、力学强度等均尚待改进。采用多种改性技术有可能满足组织工程对支架材料的要求。2.2 陶瓷类材料 目前研究较成熟的是多孔羟基磷灰石(hydroxylapatite , HA) 、磷酸三钙等。这类材料生物相容性好,有一定强度,是骨的无机盐成分,常用作骨组织工程的支架
12、材料。但由于它们降解慢,脆性大,降低了这类材料的实用性。2.3 复合材料将有机材料如PGA 与无机材料如HA 复合,或将HA 与胶原、生长因子如骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein , BMP) 复合形成复合材料,可克服单纯材料的缺点,并能综合其优点。近几年对纳米材料或纳米复合材料的研究有了新的突破,这已成为组织工程支架材料研究的方向之一。2.4 生物衍生材料 生物组织经过处理后获得的材料称为生物衍生材料。来源于人体的生物衍生材料保留了正常的网架结构,组织相容性好,是较为理想的组织工程支架材料。如胶原凝胶、脱细胞真皮构建组织工程皮肤,纤维蛋白凝胶构建组织工程软骨
13、等。脱细胞、去抗原处理的生物衍生骨支架构建的组织工程骨已有临床应用个案报道。3 组织构建研究进展 根据所构建组织的结构与功能的不同，组织构建的研究主要可划分为两个领域： （1）结构复杂并具有不同代谢功能器官的组织构建研究，如肝脏、肾脏、心脏等复杂器官的组织构建。 （2）结构较为简单不执行或仅执行简单代谢功能的结构性组织的组织工程化构建研究，如：骨、软骨、肌腱、神经等组织的构建。组织工程化组织构建主要有三种方式：（1）体内构建：种子细胞与生物材料复合后，组织尚未完全形成“成熟”时即植人体内，组织形成与生物材料降解在体内完成；（2）体外构建：在体外柳暗花明拟体内环境，应用生物反应器形成组织与器官；
14、（3）原位组织构建：单纯植入生物材料支架于体内组织缺损部位，依靠周围组织细胞迁移并粘附于生物材料支架，形成并再生组织，这种方式并非经典的组织工程概念。组织工程皮肤的构建组织工程皮肤应用于临床存在的问题目前已有许多组织工程皮肤应用于临床，但他们仍然没有完整的皮肤功能，因为虽然在结构上具有了皮肤的屏障功能，但没有达到真正的皮肤重建，尤其是缺乏皮肤附属器另外其种子细胞是成熟或比较成熟的角质形成细胞，其扩增次数、增殖能力有限如何缩短培养周期、防止细胞老化是函待解决的问题。 组织工程皮肤概念：组织工程皮肤是应用组织工程学的基本原理，将体外培养的高浓度表皮和真皮，扩增后吸附于一种生物相容性良好并可被人体逐
15、步吸收的细胞外基质上，对其进行构建和移植，从而可实现创伤的修复和重建。创伤的分类：急性损伤和慢性溃疡组织工程皮肤技术的优点：（1）在对烧伤治疗中可减少对供体组织的需求，减少伤口的接疤和收缩现象；（2）对大面积急性伤口可实现快速覆盖；（3）可以作为传递外界生长因子的载体组织工程皮肤分类： 表皮替代物 真皮替代物 全皮替代物皮肤干细胞的应用前景与展望 皮肤干细胞是原始的细胞，具有很大的增殖能力。皮肤干细胞是原始的细胞，抗原性弱不仅具有自我复制的能力，而且有多向分化的潜能，具有很大的增殖能力，如皮肤缺损修复所需的各种类型的细胞，能分化形成表皮、毛发、毛囊、汗腺和皮脂腺等结构，所以可以克服目前皮肤移植修复的缺乏附件、薄易破、弹性差、功能恢复不全等特点能诱导创面产生“再生样”反应;且具有一定的生长潜能。 皮肤干细胞的应用前景与展望 -尚未解决 问题在体外扩增获得足够量的干细胞以修复皮肤缺损的同时，如何保持自我特性如何改进干细胞的分离培养技术并控制干细胞向皮肤特有的生理结构分化如何缩短干细胞的体外扩增时间。 结束结束
