组织工程的研究进展

组织工程的研究进展

马原松,石毅　(商丘师范学院生物系,河南商丘476000)

摘要　近年来随着细胞生物学、分子生物学、生物材料以及移植免疫学、临床医学等相关学科的发展,各自领域取得的成果和技术不断交叉、融合和相互渗透,逐渐形成了一门新的交叉学科———组织工程。介绍了组织工程的基本定义,国内外研究现状,并进行了展望。关键词　组织工程;生物材料;种子细胞;生长因子中图分类号　Q 26 文献标识码　A 文章编号　0517-6611(2006)05-1040-02

器官和组织的缺损或衰竭是临床遇到的最频繁、最具有危害性的难题,尽管人们以器官或组织移植、外科再造和使用机械装置等治疗方法,解决了一些问题,但这些方法仍然存在不少缺陷。例如:自体组织移植是以牺牲健康组织为代价的,同种异体、异种组织或器官移植,有免疫、供体来源及医学伦理学方面的问题;外科再造可能带来长期的术后问题;机械装置,如肾透析仪等并不能替代肾脏的所有功能,难以阻止病情的恶化,且费用昂贵。因此,人们一直在寻求新的治疗方法,随着多学科成果和技术不断交叉、融合和相互渗透,逐渐形成了一门新的交叉学科———组织工程。

1　组织工程的定义与方法

1984年冯元祯提出了组织工程的概念,之后的化学工程

师R obert Langer 教授和麻省理工大学医学院的临床医生

Joseph P Vcanti 正式提出组织工程的概念。1987年,美国国家

科学院基金会(NSF )在加利福尼亚的Lake T ah oe 举行的专家讨论会上,首次提出了组织工程的概念,并明确了组织工程的定义:“组织工程是运用工程科学和生命科学的原理及方法,从根本上认识正常和病理的哺乳动物组织和结构功能的关系,并研究生物学的替代物,以恢复、维持和改进组织的生物替代物”。

组织工程的主要方法:将体外培养的正常组织细胞吸附于一种生物相容性良好并可以被肌体吸收的生物材料上,然后将细胞生物材料复合植入体内受损部分,

细胞在生物材料逐渐被肌体降解吸收的过程中,形成在形态和功能上与受损组织和器官相一致的替代物,从而达到修复创伤和重建功能的目的(图1)。目前,组织工程研究的核心内容包括:①合适的种子细胞来源;②可供细胞粘性生长的生物支架或细胞外基质;③用于促进组织再生长因子;④组织的相容性等问题。

图1　组织工程示意

2　种子细胞的研究种子细胞是指为支架材料提供生命源泉,并能形成组织工程的功能细胞。根据构建不同组织的需要,可分为:成体干细胞的可塑性研究、胚胎干细胞的研究、人胚胎组织细胞的研究、异种细胞的研究等。

2.1　成体干细胞的可塑性研究　成体干细胞的可塑性是在20世纪90年代后期才被认识的。不仅骨髓组织中存在间质

干细胞(MSCc ),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现象。有研究发现,接种在小鼠体内的造血干细胞可培养出干细胞;将神经干细胞接种在致死剂量照射的小鼠体内,可在小鼠血液中发现来源于神经干细胞的造血细胞。这些研究表明,成体干细胞有可能作为组织工程构建的种子细胞来源,其中自体骨髓间质干细胞与支架材料复合构建的组织工

作者简介　马原松(1970-),男,河南汝南人,讲师,从事作物育种及生

物技术的教学与研究。

收稿日期　2005211212

程骨已有临床应用。同种异体MSCs 一直不发生或仅有程度很轻的免疫排斥反应,而且易于控制。MSCs 还易于外源基因的导入和表达,为基因治疗开创了应用前景。

2.2　胚胎干细胞的研究　胚胎干细胞(ES )具有发育的多能

性,可从早期胚胎的原始胚细胞及原始生殖细胞中分离培养获得。Th oms on 从人胚胎组织及原始生殖细胞中获得了人的

ES 细胞。由于人ES 细胞培养条件要求特殊,虽然可用多种

诱导物质使其定向诱导分化,但要成为组织工程种子细胞还有许多问题尚待研究解决。Lanza 提出了治疗性克隆的新概念:采用成熟组织细胞核置换卵细胞核,在体外培养至胚泡期分离ES 细胞,再进行定向诱导分化为特定的功能细胞用于治疗目的。这一研究在小鼠和羊的实验中获得成功,在人的治疗性克隆研究方面也取得突破性的进展。

3　支架材料的研究进展

支架材料作为组织工程研究的人工细胞外基质,为细胞停泊、生长、繁殖、新陈代谢、形成新组织提供支持。

3.1　可降解高分子材料　国外研究较多的是PG A 、P LA 、P L 2G A 等。这些材料具有可标准化生产、可降解、细胞相容性好

安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.Sci.2006,34(5):1040-1041 责任编辑　孙红忠　责任校对　孙红忠

等优点,但其酸性降解产物有可能对细胞的活力产生不利影响。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。3.2　陶瓷类材料　目前研究较成熟的是H A,这类材料生物相容性好,有一定的强度,是骨的无机盐成分,成为组织工程骨的支架材料,但降解慢、碎性大,因而降低了这种材料的应用范围。

3.3　复合材料　将有机材料如PG A与无机材料如H A复合,或将H A与胶原、生长因子如BMP复合形成复合材料,克服了单纯材料的缺点,综合了它们的优点。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方向之一。

3.4　生物衍生材料　将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胶骨等。

4　生长因子的研究

生长因子通过细胞信号传递影响细胞活力的一类多肽因子,通过自分泌、旁分泌、内分泌作用,起到促进或抑制细胞生长、繁殖、迁移、贴附和基因表达的作用。BMP、FG F、TG F、EG F、PDG F、NG F均为组织工程中常用的生长因子。

在组织工程中,当需要修复的组织再生时,往往需要供给生长因子以促进种子细胞的分化和增殖。然而,由于生长因子体内稳定性差,建议与药物配合使用。各种EC M替代品,如胶原、凝胶、P LA、H A均可以用作缓冲系统载体起到稳定生长的作用。

5　组织构建的研究

5.1　组织工程骨的构建　仅将一定密度的成骨功能细胞接种在三维支架材料上,在体外培养一段时间后植入体内,修复骨损伤。Is ogai将可降解高分子材料预制成型为人指骨形状,分别接种成骨细胞和软骨细胞,植入裸鼠体内,20周后形成了含有软骨及软骨下骨的指骨和关节。Casab ona将MSCc 细胞与H A在体外联合培养后,植入在裸鼠制备的带血蒂背阔肌肌皮瓣中,8周后有丰富新骨形成,新骨血循环丰富。5.2　组织工程软骨的构建　采用高密度软骨细胞,在离心管内经离心力作用后培养,在没有支架材料的条件下也能形成新的软骨组织。测量其DNA,在培养后的2周达到最高水平。

G AG在4周时达到最高水平;DNA/G AG比值在第8周时达最高水平。12周时的II型胶原mR NA表达与正常关节软骨基本相同,但生物力学强度较正常关节软骨低1个数量级。

5.3　组织工程肌腱的构建　将肌腱细胞接种在可降解支架材料上,经体外培养7～10d后,植入动植物体内,在体内营养环境及力学因素作用下,完成腱化过程。

5.4　组织工程皮肤的构建　Rheinwald和G reen建立了表皮胶原细胞培养技术,从人体获取少量皮肤即可培养扩增到足够量的表皮细胞,并相互融合成薄层皮片。Prunieras研制了人脱细胞真皮,在其表面接种胶原细胞进一步提高了临床效果。Y annas用胶原和硫酸软骨素混合制成真皮层。

6　组织工程的展望

组织工程提出以后,首先受到美国政府的高度重视,以国家基金资助建立了一系列实验室,进行基础研究。相继在加拿大、欧共体、俄罗斯、澳大利亚等和亚洲国家也投入了大量资金进行研究。我国的组织工程研究起步时间与国外的差别不大,但基础理论研究上与国外存在较大的差距,在某些领域与国外处于同一水平,在某些项目上,又领先于国际水平的成果。由于我国需要面对的病人数量巨大,具有其他国家所不具备的优越条件,一定会在某些领域有所突破,用于临床,不仅可挽救众多病人的生命和肢体,促进相关学科的科技进步,更为我国的经济发展并形成支柱性产业创造条件。

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最后可以在所建立的地形模型表面叠加上现实世界中地形和物体的纹理图像,可使模型更加生动、自然,使其成为具有真实感的地形。如果所建模型的区域较大,我们可以利用该区域对应的卫星遥感影像进行映射,使模型和相应地区的现实特征表现一致,从而增强地形的真实感和生动性。我们可以使用不同的纹理图像来代表不同的地理信息,更加有利于对农业信息的管理。另外,纹理映射能够保证在变换多边形时,多边形上的纹理图案也随之变化,即具有近大远小的效果。OpenG L直接提供了有关纹理映射的API函数,只需要定义纹理图像,并给定与模型匹配的控制点,系统即可直接实现这一效果,从而给地形数据的可视化提供了很大的便利。

5　结束语

介绍了OpenG L技术在农业中的应用,特别介绍了如何使用OpenG L技术建立三维地形模型。这只是OpenG L的最简单的应用,相信随着计算机模拟技术在地学领域中的成熟应用,必将给三维地理信息系统的研究带来前所未有的飞跃,在农业上开展更为广泛的应用。

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34卷5期 马原松等　组织工程的研究进展