第七章 组织工程学概述

第七章组织工程学概述组织工程的概念1组织工程三要素2组织工程相关生物材料4组织工程研究方法3组织工程化皮肤及骨的应用及展望

51.组织工程的概念提出RobertLanger教授和麻省理工大学医学院的临床医生JosephPVcanti正式提出组织工程的概念1987年，美国国家科学院基金会在加利福尼亚的LakeTahoe举行的专家讨论会上明确了组织工程的定义1984年华人学者冯元桢首次提出组织工程的概念一）.提出二）.组织工程学定义：

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的一门科学。三）.组织工程基本原理应用工程学、生命科学和材料学的原理与方法，将在体外培养、扩增的功能相关的活细胞种植于多孔支架上，细胞在支架上增殖、分化，构建生物替代物，然后将之移植到组织病损部位，达到修复、维持或改善损伤组织的功能。科学意义：不仅在于为解除病人痛苦提供了一种新的治疗方法，更重要的是提出了复制“组织”、“器官”的新思想，它标志着“生物科技人体时代”的到来，是“再生医学的新时代”，是“一场深远的医学革命。核心：构件由细胞和生物材料构成的三维复合体。三要素：

种子细胞

生长因子

支架材料2.组织工程的三要素组织工程的三要素假体支架种子细胞生长因子种子细胞——干细胞支架：细胞立脚点的支撑体。人工细胞外基质称为细胞增殖和分化的“立脚点”，例如，立体海绵状骨胶原。生长因子：让细胞增殖和分化的因子。要确保必须的细胞立脚点，必须让细胞的数量大幅增加。控制细胞分裂的是一种被称为“细胞增殖因子”的蛋白质。一）.种子细胞

种子细胞是组织工程研究的基础，也是制约组织工程发展的瓶颈。

主要原因：

许多组织细胞（如软骨细胞、内皮细胞）的供体来源和扩增能力均非常有限，无法通过取少量组织体外扩增细胞来构建大块组织，很难实现“小损伤修复大缺损”的组织工程基本设想。

干细胞来源广，增殖力强，又能定向诱导分化为多种目的细胞并形成相应组织，因此，应用干细胞能够实现“小损伤修复大缺损”的基本设想，这为解决组织工程种子细胞问题提供了良好机遇。二.）支架1）定义能与组织活体细胞结合并能植入生物体的三维结构体2）支架材料最基本的特征与活体细胞直接结合：羟基磷灰石（HAP）、聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）网、尼龙网与生物系统结合：植入生物体的组织工程化软骨、骨、肌腱、牙、肺、肝、肾等组织与机体的结合具备细胞相容性和组织相容性（统称生物相容性）3）支架材料材料：钙磷材料、多聚物（合成的和自然的）要求：微孔结构、化学组成、可降解、力学性能作用：在结构上加强缺损部位的强度；阻碍周围组织长入；作为体外接种的细胞在体内扩增和增殖的支架；利用与细胞整合素以及受体的相互作用，作为一种可溶的细胞功能调节因子；作为细胞、生长因子和基因的生物载体。三）.生长因子1）定义

在细胞间传递信息并对细胞生长具有调节功能的一些多肽类物质，它可以促进或者抑制细胞的增殖、分化、迁移和基因的表达。2）分类按受体的结构分类，成纤细胞生长因子（FGF）、表皮细胞生长因子（EGF）和肝细胞生长因子（HGF）等3）将生长因子用于组织工程技术中时，有两种不同的方式：生长因子直接复合到支架上或者在支架构建之后再与其符合；在支架上同时移植能分泌生长因子的细胞。3.组织工程研究方法1）研究的核心内容：合适的种子细胞来源、可供细胞粘附生长的生物支架(或细胞外基质)、用于促进组织再生长因子和组织的相容性等问题。2）利用组织工程方法生成活体替代组织或器官常可使用细胞分离体外培养扩增种植到多孔支架植入缺损部位生物活性肽多孔支架策略2策略1微结构策略3生物过程PLA支架（灰色）+间充质干细胞（绿色）激光共聚焦显微镜照片培养6天培养10天4.组织工程相关生物材料组织工程相关的生物材料主要有两种：天然的材料：胶原合成聚合物：开始于20世纪80年代中期优点：1）生物相容性2）可复制性3）可生物降解4）通过与多聚物结构一体化来连续地输送营养和激素

各种各样的可生物降解材料已用作组织支架，包括陶瓷和多聚物。

陶瓷主要用于骨组织工程，再次运用了羟基磷灰石多孔配方以承载来源于骨膜或骨髓的骨祖细胞。

多聚物支架的典型形式：纤维网、多孔海绵或泡沫、或是水合凝胶。在纤维网和泡沫中更常使用的多聚物包括线形聚酯，例如，聚乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）和聚已内酯（PCL）；聚乙二醇（PEG）以及天然聚合物如胶原和透明质酸。5.组织工程化皮肤及骨的应用及展望

目前组织工程技术可应用于复制各种组织，如肌肉、骨骼、软骨、腱、韧带、人工血管和皮肤；生物人工器官的开发，如人工胰脏、肝脏、肾脏等；人工血液的开发；神经假体和药物传输等方面。一）组织工程化皮肤皮肤损伤主要是热损伤，仅在美国每年大约就有250万人烧伤，其他原因包括慢性溃疡、创伤、皮肤肿瘤切除或其他皮肤疾病。传统的修复方法有：自体植皮、同种异体植皮、异种植皮和人工合成代用品的应用。但存在供区不足、免疫排斥及传播疾病等缺点。目前，一种生长因子和几种皮肤替代物已经投放市场，作为治疗难愈性溃疡的二线选择。皮肤的解剖生理学皮肤依构造可分为表皮、真皮及皮下组织,如图所示。表皮最主要的成分是角化细胞，它们由细胞桥粒形成互相结合的重叠结构，使得细胞与细胞互相粘连。真皮的主要细胞是成纤维细胞，产生和维持大部分细胞外基质。颗粒层棘层基底层（生发层）乳头层网织层角质层透明层表皮真皮皮下组织组织工程皮肤组织工程皮肤:由活性细胞接种在支架材料上形成的组织工程化皮肤，有真皮层或同时具有真皮层和表皮层，因此是一种活性生物敷料。工程化皮肤结构需要复制的关键特性有：①一种具有恰当帮助真皮修复和支持表皮生长能力的真皮或者间质成分；②一层具有容易使创面达到生物覆盖能力表皮；③一层可以使屏障特性快速重建的表皮；④一个准许免疫系统、神经系统和血管系统生长的环境；⑤一种能在结构和附加功能（例如降低长期瘢痕形成和色素重建）方面正常化的组织。组织工程皮肤的临床应用组织工程皮肤是美国FDA批准最早用于临床的产品。第一代产品为单层上皮细胞移植，虽然愈合较快，但瘢痕较多，且易发生瘢痕挛缩。第二代产品则研制成功了真皮层，成为具有双层结构的新一代产品，其临床效果也得到明显改善。其代表产品有Dermagraft-TM，Dermagraft-TC和Apligraff（TM）。1.)表皮替代物和支持基质重建表皮的方法:细胞悬液→全层皮肤替代物。例如：聚硅氧烷膜、活的表皮角质形成细胞1975年，Rheiwald和Green等以3T3细胞作为滋养层采用共培养的方法培养出人类表皮角朊细胞获得成功。1981年，O’Connor等首次应用CEA法在体外培养出适于移植的人自体表皮细胞膜片，表皮细胞膜片附着良好。尽管CEA技术是大面积烧伤治疗的一大进步，但单纯CEA移植技术存在一些缺点：如耗时长；细胞膜片菲薄易碎，难以操作；移植到创面后，接受率低，极易造成移植物脱失；即使在上皮化后，新生表皮不耐摩擦，容易发生水泡，造成残余创面。2.)真皮替代物和支架材料真皮替代物的研究是随着CEA的发展而不断引起人们的关注的。研究进展：人尸体皮肤（发生免疫排斥反应、引发潜在感染的可能、移植物的来源以及原料质量的差异性）→去细胞的真皮乳头层深（部真皮和更表浅得乳头层真皮在结构上存在不同）→较深层的网状真皮组织工程已经研究了通过使用支架和活细胞来引起肉芽组织形成的可能性。1980年，Yannas和Burke制成一种人工真皮替代物，网状皮片的获得率也提高到85%～95%。IntegraArtificialSkin、Biobrane、Dermagraft、Dermagraft-TC等人工真皮相继产生。3.)复合人工皮肤:

既含有表皮层又含有真皮层的组织工程化皮肤

复合人工皮肤:用组织工程方法对所取小量皮肤组织进行消化、分离,表皮细胞、成纤维细胞分别培养和扩增、达到一定细胞数量后重组成全层皮肤组织（包括表皮层及结缔组织）。组织工程皮肤包括两种活的细胞成分：位于表层的表皮细胞和位于真皮层的成纤维细胞，不仅具有正常皮肤的部分功能，种植后不易变形，而且具有良好的修复皮肤创伤的作用。Apligraft(又称作Graftskin)是第一种商品化的既含有表皮层又含有真皮层的组织工程化皮肤，这种由Organogenesis公司注册生产的产品已在加拿大和美国获准用于临床治疗静脉性溃疡。.组织工程皮肤展望用组织工程皮肤移植物作为常规手段治疗皮肤创面已经变