组织工程技术发展历程

自20世纪80年代提出“组织工程学”概念以来，在政府基金、企业资金的支持下，组织工程学在种子细胞、三维支架材料、生物活性因子、组织构建、体内植入等基础方面的研究已取得显著进展，在部分领域已进入临床前研究或产业化阶段。组织工程皮肤和软骨细胞移植治疗关节软骨部分缺损已被美国FDA批准上市用于临床。组织工程骨、软骨、肌腱、神经等也有部分临床应用成功的事例报道。随着人类物质、文化生活水平的提高，组织工程学的研究与未来发展将会获得更好的机会，通过组织工程技术再生组织器官以达到替换活体器官的目的，不断造福全人类。

回顾三十年的发展进程，组织工程的发展大致经历了三个阶段。第一阶段，结构组织的组织工程化构建与应用。其标志是1997年美国FDA批准组织工程皮肤的上市。与此同时，美国、意大利、德国、中国等国家均有组织工程骨、软骨、肌腱等临床应用的初步研究报告。第二阶段，具有复杂功能的器官的组织工程化构建与应用。其标志是2006年关于组织工程膀胱临床应用的学术论文的发表，此外，也有关于生物人工肝、生物人工肾、心脏瓣膜、内分泌器官的组织工程化构建研究，其证明多细胞结构的组织工程化器官有可能通过组织工程技术获得成功。第三阶段，组织工程概念融入再生医学的新概念中。其标志是国际组织工程学会与国际再生医学学会合并成为统一的“国际组织工程与再生医学学会”，并于2007年1月创办了组织工程与再生医学杂志，从此组织工程的内涵更加丰富，研究范围更加广阔，应用领域更加广泛。

在我国，组织工程的发展同样取得了巨大进展。我国是世界上最早采用壳聚糖开发神经移植物的国家之一，也是首先转化这一人工神经研究进入临床的国家。其方法使得科学家们能够控制壳聚糖神经导管的生物降解速率，这一特性对于修复长度、位置和直径各异的神经缺损极其重要。2007年，由空军军医大学开发的ActivSkin成为国家食品药品监督管理总局批准的首个组织工程产品，并使得我国成为世界上继美国之后第二个持有这一人工皮肤技术的国家。2010年我国开发的一种骨修复支架也获得SFDA批准，该材料已在3万例患者身上使用，并正推行到世界其他地方。目前，我国组织工程学专家们正致力于开展各种组织工程产品的研发与临床应用研究。

组织工程学的发展伴随着其三大核心基础内容的研究与进步，即种子细胞、支架材料、种子细胞与支架材料之间的相互作用的研究与进步。

（一）种子细胞的研究进展

种子细胞指可以为支架材料提供生命源泉，并能形成组织的功能细胞。作为组织工程的核心基础内容之一，种子细胞需具有易于获得、可体外调控其增殖和分化、不引起免疫排斥反应等特点。依据来源不同，种子细胞可分为自体、同种异体和异种细胞。从细胞种类的角度，种子细胞又可以分为成体组织细胞、成体干细胞、胚胎干细胞、诱导多能干细胞等。

以成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、肌腱细胞、上皮细胞等构建的结构组织已有临床应用报道，但由于成体组织细胞是终末分化细胞，在很大程度上限制了其在组织工程方面的广泛应用。成体干细胞具有多向分化潜能，目前已经可以从骨髓、外周血、脂肪、神经、肌肉、上皮、肝脏等组织和器官中成功地分离并培养出干细胞，并证明其具有跨胚层分化的生物学特性。其中骨髓、脂肪、肌肉、上皮及神经干细胞作为组织工程的种子细胞，或以细胞治疗的方式进行了广泛研究，并已有临床应用于骨、软骨组织重建等领域的报道。胚胎干细胞来源于胚胎囊胚的内细胞团，是最早期的未分化细胞，具有无限增殖、自我更新和多向分化的特性。但胚胎干细胞在临床应用过程中存在免疫原性及伦理学问题，限制了它的应用范围。人类诱导多能干细胞是通过对普通体细胞经过多个转录因子重新编程获得的，同样具有增殖快、多向分化潜能的特点，而且避免了临床应用时所面临的伦理障碍，在组织工程修复和再生医学领域显示出良好的应用前景。(www.xing528.com)

（二）支架材料的研究进展

支架材料作为组织工程化组织的最基本构架，起着替代一般组织细胞外基质的作用，因此必须具备良好的生物相容性、适当的力学性能和良好的机械强度、良好的生物稳定性或生物可降解性和良好的间隙供营养和代谢废物扩散等特征。经过30余年的广泛研究，目前组织工程支架材料主要分为有机高分子材料、钙磷类无机材料、高分子与无机材料的复合材料、生物衍生材料以及生物衍生材料与其他材料的复合材料等。天然的生物（衍生）材料（如胶原、珊瑚、壳聚糖等）、脱细胞基质（如骨、小肠黏膜下层等）、合成材料（如聚乳酸类、钙磷类）以及它们的复合材料都有大量研究及临床应用。如多孔羟基磷灰石、磷酸三钙等无机材料生物相容性好，有一定强度，常用作骨组织工程的支架材料；胶原凝胶、脱细胞真皮用于构建组织工程皮肤；纤维蛋白凝胶用作组织工程软骨的支架材料。但是，由于人体结构的复杂性，目前尚不能确定哪一种材料是构建组织工程产品的最佳材料，其相关研究正在进行中。

（三）种子细胞与支架材料之间的相互作用以及生物活性因子的研究进展

在组织工程研究领域中构建成功的工程化组织中，细胞与支架材料之间的黏附是其形成的重要基础。细胞只有与支架材料发生适当的黏附才能进行有效迁移、增殖和分化。已有研究表明，支架材料表面所带电荷量及其湿润度均会直接影响其对细胞的黏附性；材料表面的特定合成聚合物、纤维连接蛋白以及材料的降解性能亦会改变细胞的黏附与迁移。因此，对支架材料进行表面修饰，如加入某些化学基团、改变材料表面的湿润度、在材料表面固定黏附蛋白或者生长因子、支架材料复合细胞外基质，可以提高细胞对材料的黏附性，进而促进细胞的增殖及分化。

在组织修复、器官再生与功能重建中，生物活性因子也发挥了重要作用。比如，骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）具有促进骨形成的作用，可诱导干细胞分化为软骨或成骨细胞，用于修复骨缺损，已被美国FDA批准用于临床，取得了较好的临床效果；转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）作为一种分泌型的多功能蛋白，可以调节细胞增殖、分化与细胞外基质分泌，参与炎症和组织的修复；成纤维细胞生长因子1（fibroblast growth factor 1，FGF-1）可以诱导血管新生、促进成骨细胞生长并促进神经再生，已获美国FDA批准进入临床试验；肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）是目前已知生物活性最广泛的生长因子之一，可刺激多种上皮和内皮细胞进行有丝分裂，在肾脏的发育、再生中具有较强的作用。在工程化组织的体外构建以及体内植入过程中，可以通过添加外源性因子、添加具有类生物活性因子作用的药物来达到促进细胞增殖和分化、组织修复与器官再生的作用。