組織工程的文獻綜述

1、組織工程的文獻綜述 課程論文 姓 名：成旭 學 號：20134482學院 (系)：天津理工大學 專 業(yè)：材料科學與工程班 級：一班 任課教師：陳民芳 組織工程的文獻綜述前言 組織工程（tissue engineering），是一門以細胞生物學和材料科學相結合，進行體外或體內構建組織或器官的新興學科。組織工程是基于對現(xiàn)代醫(yī)學, 尤其是細胞生物學原理再認識基礎上, 充分利用現(xiàn)代生物材料, 結合生物工程及信息技術發(fā)展起來的新興交叉學科。它是通過對正常和病理狀態(tài)下哺乳類動物的組織結構與功能關系的基本理解, 利用活細胞種植在生物支架或細胞外基質上, 輔助各種調節(jié)因子, 模擬具有一定結構和功能的組織、器官

2、來恢復、保持或改善機體功能。1其研究范圍涉及到生命科學, 目的是為了滿足現(xiàn)代治療醫(yī)學的新要求組織工程則是將活體細胞與生物材料相合研制出費用低廉的人工組織和器官, 它可重復制作,直至商品化。當前組織工程研究仍處于初級階段，還僅僅是初步應用組織工程技術修復臨床簡單組織缺損，還有許多制約組織工程應用與發(fā)展的基本科學問題沒有闡明。隨著組織工程各個層面技術難題的逐個攻破，組織工程的內涵和外延將不斷拓展，并有助于加快組織工程的產業(yè)化進程，促進臨床應用。針對組織工程核心要素研究的不足，結合最新的組織工程研究進展，闡述了現(xiàn)代組織工程發(fā)展的趨勢與前景。正文 1987 年，美國麻省理工學院的化學工程師Langer

3、和美國馬薩諸塞州立大學醫(yī)院臨床醫(yī)師Vacanti 較為系統(tǒng)地提出了組織工程( tissue engineering) 的概念，其含義為聯(lián)合使用細胞、支架材料和生物活性因子以促進組織修復和再生方面的研究。2迄今組織工程學雖然僅有二十多年歷史，但由于其重大的科學意義、誘人的臨床應用前景、巨大的商業(yè)價值，使世界各國科學家、企業(yè)家、政府官員都非常重視，成為再生醫(yī)學的熱門研究領域。一組織工程的構成1. 1 種子細胞種子細胞的來源、數量和質量目前依然是困擾組織工程發(fā)展的重要因素。組織工程的種子細胞可以來自自體、同種異體、或異種組織，也可以來自胚胎干細胞、成體干細胞、細胞系或轉基因細胞系。1. 2 支架材料

4、支架材料作為人工細胞外基質是組織工程研究的重要內容，它在體內組織再生過程中發(fā)揮的作用包括:在結構上加強缺損部位的強度; 阻礙周圍組織長入; 作為體外接種的細胞在體內擴增和增殖的支架; 利用與細胞整合素以及受體的相互作用，作為一種可能的細胞功能調節(jié)因子; 作為細胞、生長因子和基因的生物載體。作為種子細胞的生物學載體，理想的支架材料應具如下特征：良好的生物相容性。適中的生物降解性。具有誘導或引導組織再生的能力。具有一定的生物力學強度與可塑形性。無毒性與無免疫原性。具有合適的孔徑，利于細胞黏附生長等特點。3 1. 3 組織工程生物反應器組織工程生物反應器是安裝了將營養(yǎng)物、氣體( 如O2、CO2) 和

5、代謝廢物控制在適當水平的攪拌器和傳感器的培養(yǎng)室，可在體外大量培養(yǎng)細胞，生產細胞產品或用于細胞本身擴增。1. 4 復雜器官的構建從組織器官構建方式講，組織工程可分為組織替代工程和組織再生工程。組織替代工程是由異體或異種細胞與免疫隔離膜一起來構建一種功能性組織器官，用以替代患者受損或缺失的組織器官。 1. 5 工程化組織器官的植入工程化組織器官植入患者體內后，早期只能從組織液中獲取營養(yǎng)。有學者提出如下公式: S = RL2 /DCo( R 為細胞代謝率，Co 為營養(yǎng)物濃度，D 為營養(yǎng)液擴散速率，L 為營養(yǎng)物質擴散到達細胞的距離) 。如果滲出液中營養(yǎng)物質濃度、擴散速率及細胞代謝率不變，營養(yǎng)物質擴散的

6、距離就成為細胞的生命線( S) 。為使細胞獲得更好的營養(yǎng)，必須使植入體緊密接觸受體部位，理論上其距離應在100 m 之內。二組織工程應用現(xiàn)狀2.1骨組織工程1.種子細胞是組織工程研究中最基本的環(huán)節(jié)。其核心問題在于如何獲取適合臨床應用需要的種子細胞。干細胞主要包括骨髓來源的基質細胞、骨外組織來源的間充質干細胞以及早期胚胎來源的干細胞。2.種子細胞的體外大規(guī)模擴增，從社會因素、經濟因素和病人因素等多方面考慮，組織工程骨的構建和應用應在盡量短的時間內進行，因此就需要在體外短期內獲得充足的種子細胞，這也是組織工程骨產品產業(yè)化的關鍵性制約因素，顯然目前所應用的常規(guī)二維培養(yǎng)系統(tǒng)尚無法滿足需要。3.微載體技

7、術和旋轉式生物反應器系統(tǒng)的應用為此問題提供了有效的解決方案。4.新型仿生化、智能化生物材料的制備和應用目前對骨組織工程研究中應用的生物材料基本要求和特征已基本確立：(1.良好的生物相容性和生物降解性 2.骨誘導性和骨傳導性3.一定的機械強度4.易于塑形性5.具有負荷最大量細胞的高滲透性6.支持骨細胞生長和功能分化的表面化學性質與微結構7.可與其它活性分子如骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）、轉移生長因子復合共同誘導骨的發(fā)生8.易消毒性。) 4對于骨組織工程細胞外基質材料的研究不能僅從材料科學的角度，更重要的是從生命科學的角度進行探討。為達到這一目的，目前研究的熱點問題集中在生物材料的新型制備技術、生物材

8、料的優(yōu)化設計等方面，這幾個方面的研究是相輔相成的，互有滲透的。 組織工程骨的構建和應用實驗研究1.血管化組織工程骨的構建與應用.現(xiàn)行的組織工程骨構建方法多僅使用單純成骨細胞接種，使之雖然能夠成骨，但無論從形成新生骨組織的數量還是質量上來講均不能滿足臨床修復大范圍、長段骨缺損的需要。因此如何在構建組織工程化骨組織的同時，促進小血管的長入以及細胞與材料復合物內血供的重建就成為骨組織工程由基礎向臨床應用的關鍵性環(huán)節(jié)。同時這不僅是骨組織臨床應用所面臨的主要問題，也是大多數組織工程化組織與器官（如肌腱、肌肉、皮膚等）所必須面臨的共同問題。2.神經化組織工程骨的同步構建與應用.由于正常骨組織中神經的分布和

9、作用方式仍不明確，所以目前雖然進行了周圍神經組織工程的研究工作，但尚無組織工程化新生骨組織中神經支配的重建研究報道.3.靈長類動物體內組織工程骨的構建與應用.而靈長類動物的應用是骨組織工程從實驗室走向臨床的重要保證，是必須進行的重要研究內容之一。但目前在靈長類動物體內進行骨組織工程的研究極少，Ripamonti等在狒狒體內羥基磷灰石復合重組人骨形成蛋白P . 能誘導體內骨形成。進一步在狒狒體內以膠質骨為體， 添加骨形成蛋白P,BMP2植入磨牙缺損觀察對牙周組織再生的影響。 骨組織工程的臨床應用骨組織工程的臨床應用尚處于起步階段，研究報道不多。目前已有許多單位開展了人骨髓基質干細胞培養(yǎng)的基礎研究

10、，個別單位率先在臨床開展了實驗性的工作。柴崗5等利用自體骨髓基質干細胞與部分脫鈣骨復合構建組織工程后，用于修復11例顱頜面骨缺損，最大骨缺損面積為6cm，術后1 -2 年隨訪表明組織工程骨穩(wěn)定存在，無明顯骨吸收，臨床治療效果穩(wěn)定。楊志明6等應用自體骨髓基質干細胞、同種異體骨膜來源的成骨細胞復合同種異體骨在人體內構建組織工程骨，并對52例病人多個部位的骨缺損、骨不愈合進行了修復。經10-28個月隨訪,初步證實：1.組織工程骨具有良好的成骨能力和修復效果；2.采用同種異體來源的成骨細胞未發(fā)現(xiàn)明顯組織排斥反應及其它并發(fā)癥。2.2皮膚組織工程組織工程皮膚是指由細胞或細胞外基質或由兩者共同結合組成的皮膚

11、產品, 是應用生命科學和工程學的原理與技術將種子細胞與適當的支架材料相結合構建出的用于修復、維護和改善損傷皮膚組織功能和形態(tài)的生物替代物。目前的組織工程皮膚包括自體或異體培養(yǎng)的表皮片真皮替代物及含表皮和真皮雙層結構的皮膚替代物3 種。 1.表皮替代物包括自體表皮替代物，異體表皮替代物，角朊細胞。2. 真皮替代物2.1 異基因脫細胞真皮基質(Alloderm) 2.2 含有膠原6 - 硫酸軟骨素的細胞外基質( Integra ) 2.3 異體成纖維細胞真皮替代物(Dermagraft)2.4 合成網膜Biobrane.2.5 異體成纖維細胞細胞外基質真皮替代物( Transcyte ) 3 .雙

12、層皮膚替代物3 .1 活的異基因雙層皮膚替代物Apligraf 3.2 培養(yǎng)的復合人工皮膚OrCel. 7組織工程皮膚的適應證8關于組織工程皮膚修復皮膚缺損的適應證，文獻報道現(xiàn)有各種組織工程皮膚產品幾乎適用于各種原因引起的急、慢性皮膚缺損以及部分皮膚疾病，根據病因及應用療效其適應證包括燒傷、潰瘍、外科創(chuàng)面及皮膚疾病等。組織工程皮膚移植前應嚴格選擇適應證，患者的全身狀況良好可以耐受手術創(chuàng)傷，系統(tǒng)疾病應得到有效控制，創(chuàng)面無感染，術前可以應用止血藥物及免疫抑制劑9，術前麻醉根據創(chuàng)面大小及受體耐受情況選擇全麻或局麻。組織工程皮膚移植后愈合的金標準參照自體游離皮片移植的愈合標準。與傳統(tǒng)的治療方法相比，使

13、用人工皮膚的優(yōu)點包括：對燒傷的治療中減少對供體組織的需求；減輕創(chuàng)面結痂和收縮現(xiàn)象；對大面積急性創(chuàng)面實現(xiàn)快速覆蓋；可作為傳遞外界生長因子的載體等。組織工程皮膚生物相容性的評價 隨著組織工程研究的不斷深入，組織工程皮膚的研究取得了很大進展，臨床上出現(xiàn)了許多類型的皮膚替代物?？蛇@些皮膚替代物仍然存在不同程度的相容性、安全性、工藝復雜和價格高昂的問題，不能被廣泛采用。有研究結果顯示，脫細胞真皮基質為深紅色均質纖維，無任何活性細胞成分。接種人包皮成纖維細胞均能在510 min 很好地黏附，生長良好，移植于SD 大鼠皮下后炎癥反應輕微，未發(fā)生超急性排斥反應，提示豬皮膚經脫細胞處理可以避免超急性或急性排斥反

14、應。移植2 周后組織學觀察顯示炎癥反應存在，但隨移植時間的延長，炎性反應逐漸消失，膠原排列整齊，說明所構建的人工真皮生物相容性好，但同異體真皮比較，其生物相容性稍差。值得提出的是構建的人工真皮替代物具有完整的基底膜，因此能夠成為種子細胞生長的支架，使覆蓋在上面的種子細胞和真皮替代物牢固結合。一種良好的真皮載體除了應具備較好的組織相容性外，還必須具有一定的理化性能，如強度、柔軟度、彈性、透氣、透濕性能，才能保證真皮和創(chuàng)面貼附良好，為細胞生長提供理想的纖維支架，從而促進自體皮生長10。三未來前景雖然總體而言，組織工程的開發(fā)研究還處于初級階段。因為目前僅僅是走通了應用組織工程技術修復臨床簡單組織缺損

15、這條路，還有許多制約組織工程應用與發(fā)展的基本科學問題沒有闡明。除了要拓展種子細胞來源，加快組織特異性材料的開發(fā)，研制特定組織生物反應器，以及探索復雜器官的重建以外，還必須開展組織工程基礎問題的研究。如: 工程化組織在體外或體內形成過程中的演變規(guī)律; 這些演變規(guī)律與正常組織發(fā)育、再生及創(chuàng)傷修復等的異同; 影響工程化組織形成與成熟過程的相關因素及作用機制等，這些問題涉及到組織工程技術臨床應用的有效性、穩(wěn)定性和安全性，只有系統(tǒng)地闡明組織工程化組織形成、成熟及體內轉歸過程中的一系列重要問題的內在機制，才能真正實現(xiàn)組織工程的臨床應用與產業(yè)化。但是，與傳統(tǒng)的自體或異體組織、器官移植相比，組織工程克服了以創(chuàng)

16、傷修復創(chuàng)傷、供體來源不足等缺陷，將從根本上解決組織、器官缺損的修復和功能重建等問題。目前組織工程已成為生命科學最具挑戰(zhàn)性的前沿領域，標志著復制再生組織與器官時代的來臨。組織工程為再生醫(yī)學的崛起開辟了嶄新道路。從移植組織器官到制造組織器官，組織工程理論與傳統(tǒng)的治療觀念相比，是一個質的飛躍，具有劃時代意義。1 楊光成，組織工程的構成J,國外醫(yī)學.外科學分冊，2000,01,12-13.2杜鵑，組織工程面臨的技術挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢J中國生物工程雜志China Biotechnology，2011，31( 6) : 142-1483石 靜，組織工程中3D生物打印技術的應用J 中國組織工程研究,January 8, 2014 Vol.18, No.2,271-274 4裴國獻，骨組織工程研究進展J 中華創(chuàng)傷骨科雜志,2004.Vol.6.No.1,38-425 柴崗，張艷 組織工程骨在顱頜面骨缺損臨床修復中的應用 J 中華醫(yī)學雜志，2003,83:1676-16816楊志明,黃富國,生物衍生組織工程骨植骨的初步臨床應用,J中國修復重建外科雜志2002,16:311