郭树忠, 熊 猛
(第四军医大学西京医院整形外科,陕西西安 710032)
1 组织工程组织发展概况
组织移植是整形外科基本的治疗手段之一。自体组织移植一直是移植组织的主要来源,但是,切取自体组织必然造成新的创伤,增加供区的继发畸形。为了降低切取自体组织的代价,医学界一直努力寻找自体组织的代用品。过去几十年中,异体和异种组织移植一直是人们研究的重点课题,但是由于移植免疫问题一直没有得到解决,难以在临床广泛应用。人工合成的组织代用品是另外一个重要的研究方向,同样由于异物排斥反应等原因难以完全替代自体组织。采用组织工程的方法研制可以替代自体组织的人工组织是近年来引起医学界广泛兴趣、且有很好的应用前景的一个新的研究领域[1 ] 。
虽然正式提出组织工程的概念只有十余年的历史,但实际上该项工作的开展已经有数十年的历史,为治疗大面积烧伤而开展的表皮细胞培养以及复合皮的研制便是最早开展的组织工程方面研究的例子。自从20 世纪80 年代提出组织工程概念,并报道在裸鼠皮下研制成功组织工程软骨之后,经过十余年的努力,已经在软骨、皮肤、骨关节、肌腱、血管、神经和肌肉等多种组织的组织工程研究中取得了不同程度的进展,发表了大量的文献[2 ,3 ] 。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[4 ] 。
2 组织工程组织研究中目前所面临的主要问题与发展方向
虽然组织工程研究方面已经取得了大量的研究结果,但是,要广泛应用于临床,尚需进行艰苦细致的研究工作。目前存在的主要问题包括:
2. 1 种子细胞的来源:构建组织工程产品需要大最细胞,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。从目前研究进展看[5 ,6 ] ,短期内难以有突破性进展,在异体和异种排斥反应问题获得彻底解决之前,异体和异种种子细胞无法成为种子细胞的主要来源,如果免疫排斥反应有一天真正能够获得解决,由于异体和异种组织很容易获得,应用组织工程组织的必要性也就大大降低了。从现有的研究资料看,短期内自体细胞仍然是种子细胞的主要来源,由于需要的细胞数量多、培养过程中存在污染风险、且普通细胞传代数量有限,在培养液中加入各种生长因子,研制新的各细胞种动态培养系统,如微重力旋转生物反应器,环绕混合培养系统,应力场培养装置等虽然能不同程度的提高细胞培养的效率[7～9 ] ,但尚需进一步完善以达到临床实用化的目标。20 世纪90 年代逐渐认识到成体干细胞的可塑性,骨髓中的间质干细胞(mesenchymal stem cells , MSCs) 在一定的条件下可以向多种成体细胞分化。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。还有研究发现,同种异体MSCs 移植不发生或程度很轻地发生免疫排斥反应,且易于控制。胚胎干细胞(Embryonic stem cells , ECs) 及治疗性克隆概念的提出也为干细胞在组织工程中的应用提供了又一思路。干细胞诱导分化获得种子细胞似乎是解决该问题的最佳途径,而完全调控干细胞的诱导分化尚需做大量的基础研究工作,在胚胎组织发育与细胞分化的调控机理未阐明之前,要完全解决这一问题尚有很大的困难。
2. 2 组织工程支架材料的研制与改进:目前广泛应用于组织工程研究的支架材料主要包括人工合成材料和天然材料两大类[11 ,12 ] 。人工合成的材料以聚乳酸和聚羟基乙酸为代表,这些材料具有可标准化生产、可降解、细胞相容性好等优点,早期在无免疫功能的裸鼠上获得成功后引起了广泛的兴趣,但是,后期的研究发现,其酸性降解产物有可能对细胞的活性产生不利影响,在具有强免疫能力的大动物体内应用时,局部大量炎细胞浸润,效果并不理想。同时其亲水性、细胞相容性、力学强度等均待改进。采用多种改性技术(化学改性、杂化改性、表面修饰、等离子体处理等方法) 有可能满足组织工程对支架材料的要求。而解决这一问题必须依靠材料学方面的专家与组织工程方面专家的广泛深入的合作。天然材料,源于人体的生物衍生材料保留了正常组织内的网架结构,空间结构好,细胞亲和性佳,是较为理想的组织工程支架材料。此类材料包括胶原凝胶、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报道,但是从生物体内提取的细胞外基质材料由于目前纯化比较困难,往往难以将蛋白质等免疫原性物质彻底清除干净,移植后仍然存在不同程度的免疫排斥反应,要在组织工程中广泛应用,需要解决其纯化问题,并尽可能地保持其原有立体结构和功能,如果在上述问题方面获得突破,无疑有广泛的应用前景。
2. 3 组织的构建:获得理想的种子细胞和支架材料只是为研制组织工程组织准备的必要的材料,尚需要构建出结构与正常组织完全一样的组织,对于单一细胞成分的组织如骨、软骨和肌腱,主要是诱导种子细胞合成和分泌细胞外基质,众所周知,任何组织的细胞外基质都是由多种成分构成的,如何调控移植的种子细胞模拟组织再生的过程合成和分泌所有的细胞外基质成分是组织工程研究的另一个难题,由于正常胚胎组织分化和组织再生过程中细胞外基质的合成与分泌调控机理目前远没有搞清楚,要解决这一问题,仍然有一定的难度。对于由多种细胞成分组成的组织如血管、神经甚至内脏器官组织,除细胞外基质的合成之外,尚存在如何调控这些细胞有序的按照正常组织结构进行排列组合,同样的在组织分化增殖机理未阐明之前,解决这一问题难度很大。如果进一步考虑人工构建的组织中的血管神经等辅助成分的形成,并具备正常功能,则是难上加难。某种意义上讲这样的工作是完全模拟生物发育与分化的全过程。
2. 4 组织工程组织的血运重建:组织工程组织的移植,和正常组织移植一样,移植入体内同样存在一个血运重建的过程,小块的组织移植由于早期组织液的渗透营养以及较快地建立血液供应而获得成活,而大块的移植组织如果不能尽快建立血液循环,将由于缺血而发生坏死,最终导致移植的失败。在移植的组织中预植入血管束、用带血管蒂的筋膜包裹、体外培养中将目的细胞与内皮细胞混合培养或是加入血管生长因子等方法都是目前着手研究的方向。最终的解决途径可能是组织工程器官与其所属的脉管系统、神经支配等实现共同构建。
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