生物反应器在组织工程化中的关键作用

组织工程技术大规模临床应用及产业化发展的关键在于在选取合适的种子细胞与生物支架材料的基础上，进一步成功地进行组织构建。组织器官的构建作为组织工程核心内容之一，是一个复杂精细的系统工程。首先需要充分理解和掌握种子细胞、支架材料、生长因子、生物反应器以及彼此之间的相互作用关系，然后根据工程化设计方案进行三维构建。组织器官的结构功能不同、用途不同，最终决定了组织构建时所选取的种子细胞、支架材料以及外源性生长因子的不同，同时组织构建的方式也存在很大的差异。

（一）组织构建的不同层次

根据所构建组织结构与功能的不同，组织构建工作的研究主要从以下两个层次展开：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构建研究，如骨、软骨、肌、神经等组织的构建。

（二）组织构建的不同方式

根据种子细胞接种途径与组织形成环境的不同，工程化组织构建主要分为三种方式：①体内构建：种子细胞与生物支架材料复合后植入体内，在体内促进组织形成与生物材料的降解。②体外构建：在体外模拟体内环境，利用生物反应器进行组织器官的构建。③原位组织构建：将生物支架材料植入体内组织缺损部位，利用宿主细胞迁移并黏附于生物支架材料，促进并诱导组织再生。

工程化组织体内构建的优势在于种子细胞与生物支架材料复合体具有良好的孔隙率，植入体内后有利于周围组织液与营养物质的渗入，也有利于血管与神经的新生及长入；但其缺点是细胞外基质成分较少，细胞直接暴露于周围环境，抗感染能力差，细胞存活率较低，组织新生速率与生物支架材料的降解速率不匹配。

工程化组织体外构建的关键点在于尽可能模拟需构建组织器官的体内微环境。体内微环境是一个复杂的综合体，要尽可能地模拟组织器官的体内微环境需要综合考虑组织器官的结构功能特性以及周围细胞分泌的生长因子、细胞外基质、细胞间相互作用、局部化学酸碱平衡、物理力学特性等。(www.xing528.com)

（三）生物反应器

生物反应器在工程化组织体外构建中起到了关键作用。组织工程技术中涉及的生物反应器主要有搅拌式生物反应器、灌注式生物反应器和转壁式生物反应器。其中搅拌式生物反应器是指安装有搅拌器和传感器的细胞培养室，可在体外大量培养细胞，并在培养细胞的过程中将营养物质、气体（如O2、CO2）和代谢废物控制在适当水平。灌注式生物反应器则是通过循环灌注培养液，对培养的细胞施加一定的应力刺激，从而增加细胞的活性与功能。以上常规生物反应器所进行的细胞培养是在重力的影响下进行的，细胞将发生沉降，不利于重建组织各组分间形成良好的空间组合及进行优质的三维结构重建。转壁式生物反应器则是利用旋转离心力消除重力的影响，使培养的细胞更接近于体内自然条件下生长的细胞，为功能组织的形成提供了有利条件。但现阶段用于组织工程研究领域的生物反应器还不是很成熟，需要根据组织器官的结构功能及再生机制，进一步研究开发和设计。

迄今为止，只有少数组织可在体外重建，如皮肤（真皮和表皮）、角膜、骨、软骨和血管等。原位组织构建相对而言是不需要依赖体外的细胞培养装置，也就是生物反应器。这种方式是利用组织缺损部位周围多种内源细胞（包括体细胞及成体干细胞）发生定向聚集、迁移、增殖、分化，达到缺损修复以及组织新生的目的。对于某些再生能力较强的组织细胞，如黏膜上皮、骨骼组织等，采用组织原位构建方式具有其特定优势。对于个别解剖结构复杂，含有特殊结构的组织（如耳、鼻、咽喉、胃肠道等）缺损，采用原位组织构建可以极大地降低修复难度，减轻患者的痛苦。

知识链接7-3

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