第二篇　组织与器官的再生与工程化研究

组织工程学建立的历史可回溯到20世纪80年代，当时在软骨损伤的修复过程中，很多学者偏爱用软骨细胞移植来进行治疗，但均不能获得较为理想的结果。有一位学者在学术论文的讨论部分提出了一个设想，认为如果将细胞放在一种可以降解的生物支架上，细胞不但可以均匀分布在支架材料上，也使得细胞能较好地固定在相应的部位，有利于细胞更好地生长和组织形成。这一设想被较广泛地公认为组织工程概念的雏形。在组织工程学的建立和发展过程中，有两位学者起了较为重要作用———美国哈佛大学外科医生Joseph P. Vacanti教授和麻省理工大学的Robert Langer教授。Vacanti为小儿外科医师，专门从事肝脏移植。缺乏可供移植的肝脏来源一直是困惑他的难题，曾设想能否取自身的细胞来再造一个有功能的器官。对此专门从事生物材料研究的麻省理工学院化学生物工程师Robert Langer向Vacanti建议把细胞种植在可降解和可吸收的合成材料中，当细胞逐渐生长时，这些生物材料可逐步降解而有可能使这些植入的细胞最终形成组织或器官。经过初步的实验研究探索后，两位科学家在美国 Science杂志撰文，阐述了组织工程学的基本原理和未来的发展方向和应用前景。两位不同领域科学家的思维碰撞引发了组织工程学在美国乃至全世界的兴起和发展。但“组织工程学”这一术语的真正确立却源自美国加州大学圣地亚哥分校的一位华人教授Y. C. Fung。1987年美国国家科学基金会根据他的建议采用“组织工程学”来描述这一新兴领域并确定了这门学科的成立。美国早期组织工程研究主要集中在哈佛大学医学院儿童医院和麻省理工学院。前者由Joseph P. Vacanti领导，主要研究细胞与生物材料复合来构建组织的方法。后者由Robert Langer领导，主要探索和开发各种生物可降解和可吸收的组织工程材料。

组织工程研究早期阶段主要集中于单一组织构建，主要特点是采用无免疫功能动物(如裸鼠)为动物模型来构建组织。1991年Vacanti等用分离的牛关节软骨细胞与可降解的生物材料在裸鼠皮下成功构建出成熟的透明软骨组织。这一研究成果具有重要意义，因为在临床上透明软骨缺损或损伤后，其自身的再生和修复能力极低，采用组织工程技术构建出具有正常功能的透明软骨，无疑为将来的软骨缺损修复开辟了一条重要的新途径。其他单一组织的构建还包括骨和肌腱等。Vacanti等应用骨膜中分离出来的成骨细胞经体外扩增后与聚乙醇酸( polyglycolic acid，PGA)混合，植入裸鼠皮下后形成了新的骨组织。曹谊林等将小牛肌腱组织中获取肌腱细胞接种于条索状PGA网状支架上，体外培养一周后植入裸鼠皮下，发现能形成与正常肌腱结构相似的肌腱组织。在成功地构建了单一组织之后，Vacanti等还进一步应用组织工程技术构建出具有上皮和软骨复合结构的组织工程化气管，并用于动物气管缺损的修复，结果显示组织工程化气管能够维持动物正常的呼吸功能，初步显示了组织工程技术构建复合组织的可行性。组织工程学发展的历史过程中，在裸鼠体内形成了具有皮肤覆盖的人耳廓形态软骨无疑是一项重大的研究突破，该项研究标志着组织工程技术可以形成具有复杂三维空间结构的软骨组织，显示了组织工程从基础研究迈向临床应用的广阔前景。

回顾20余年的发展历程，归结起来，组织工程的发展可谓经历了3个阶段:①结构组织的组织工程化构建与应用，其标志是1997年美国FDA批准组织工程皮肤上市。同时，在美国、意大利、德国、中国等国家都有组织工程骨、软骨、肌腱等临床应用的初步报告;②具有复杂功能的器官的组织工程构建与应用，其标志是2006年Atala在Lancet杂志上发表了组织工程膀胱临床应用的学术论文。同时，也有接种细胞的生物人工肝、生物人工肾、心脏瓣膜、内分泌器官的组织工程化构建研究。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;③组织工程概念融入到再生医学的新概念中，其标志是国际组织工程学会与再生医学学会合并、融合成为统一的组织工程再生医学学会，并于2007年1月创办了《组织工程与再生医学杂志》( Journal of tissue engineering and regenerative medicine)。

“组织工程”率先发展，在此基础上“再生医学”概念出现并迅猛发展已有10余年了。经过10余年的发展历程，再生医学已经取得了很多进展，不仅弄清了不少科学问题，为后续研究创造了条件，同时也为临床应用提供了依据。事实上，再生医学的临床应用已经取得了令人瞩目的成绩，如细胞移植治疗缺血性疾病已被认为是血液循环重建的有效方法之一，国内外已有数千例的临床应用报道，早期疗效满意。由细胞与支架材料复合构建的组织工程植入物已在骨、软骨、肌腱、皮肤、膀胱等结构组织和实质性器官病损的治疗中实现了结构、功能、形态的完美修复。对一些难治性疾病，如中枢神经系统损伤与疾病、糖尿病、终末期肝脏损害、遗传性肌营养不良症等，新的治疗方法有可能获得突破性进展。促进组织/器官再生的新药，如BMP、VEGF、bFGF、HGF等已有产品上市或正在进行临床试验。一批过去用于治疗其他疾病的经典药物，如辛伐他汀、苯妥因、微量四环素等，以及一些中药已被发现具有促进组织/器官再生的作用。这一切都证明再生医学的研究成果将会对生命科学产生深远影响，为维系人民健康提供新的策略和方法，同时也会为促进国民经济发展注入新的动力。但再生医学毕竟仅问世10余年，与其他任何新生事物一样，需要不断加深理解和认识。其内涵在研究过程中不断丰富，也需要得到广大科学工作者、政府、企业家的关心、支持与呵护，才能使“再生医学”这一新生事物健康、稳定、高速发展，为维护人民健康、发展国民经济作出贡献。

再生医学是研究组织再生的一门科学。其概念有广义和狭义之分。广义上讲，再生医学是一门研究如何促进创伤与组织器官缺损生理性修复以及如何进行组织器官再生与功能重建的新兴学科，可以理解为通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生的机制及干细胞分化的机制，寻找有效的生物治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能。狭义上讲是指利用生命科学、材料科学、计算机科学和工程学等学科的原理与方法，研究和开发用于替代、修复、改善或再生人体各种组织器官的信息技术，其技术和产品可用于因疾病、创伤、衰老或遗传因素所造成的组织器官缺损或功能障碍的再生治疗。

就目前而言再生医学所包含的内容主要为以下三大模块:再生生物学、干细胞与克隆技术、组织工程。再生医学的核心和终极目标是修复或再生各种组织和器官，解决因疾病、创伤、衰老或遗传因素造成的组织器官缺损和功能障碍。

组织工程学这一概念诞生于20世纪80年代后期，由美国的化学工程师Robert Langer和临床医师Joseph P. Vacanti提出，是指应用工程学和生命科学的原理和技术，研究开发能够修复、维持或改善损伤组织功能的生物替代物的一门新兴学科。种子细胞、生物材料、组织构建是组织工程的3个基本要素。该学科是材料学、工程学和生命科学等多学科共同发展并相互融合的产物。20世纪90年代，由于临床医生、工程学家以及企业科学家的共同努力，极大地推动了组织工程的发展，但基础生物学研究还比较缺乏。直到90年代中期，对于干细胞以及其他祖细胞关注逐渐增多才开始形成再生医学的概念。

组织工程学与再生医学之间的科学分界并不十分明确。国际再生医学基金会( International Foundation Regenerative Medicine，IFRM)明确把组织工程定义为再生医学的一个分支。但由于组织工程的内涵不断扩大，包括干细胞治疗、细胞因子和基因治疗等能引起组织再生的技术和方法均被列入组织工程的范畴，因而两者也常混用。

通常认为，组织工程是实现再生医学的重要工具和治疗手段。再生医学包含了组织工程领域以及传统工具以外的方法和策略。组织工程研究是再生医学的外延，拓宽了再生医学的广度和深度，已成为再生医学研究和发展的主要方向。尤其是组织工程研究中的种子细胞、生物材料、组织构建技术均已成为再生医学的核心内容，并在其临床效果上完整地体现了再生医学的优越性。组织工程的科学意义不仅在于提出了一个新的治疗手段，更主要的是提出了复制组织、器官的新理念，使再生医学面临重大机遇与挑战。再生医学利用生物学及工程学的理论方法创造缺失或功能损害的组织和器官，使其具备正常组织和器官的机构和功能，而应用组织工程学技术在关节软骨的再生方面已取得了突破。近年来在关节软骨组织工程研究中利用软骨细胞、骨髓来源干细胞、脂肪来源干细胞及骨髓来源的干细胞为种子细胞，与各种合成或天然支架材料复合，在各种生长分化因子的作用下，在体内外实验中已成功构建关节软骨的类透明软骨组织。

干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，可以分化成多种功能细胞，在胚胎发育、组织更新和修复过程中扮演着关键的角色。干细胞可谓再生医学的基础和灵魂，可以说再生医学的诞生和发展取决于干细胞研究的开展和深入。

再生医学主要涉及干细胞研究的两个方面:首先，利用干细胞的可塑性，经体内外诱导或基因修饰等方法使其向目的细胞转分化，从而达到治疗目的。其主要的研究对象是胚胎干细胞和成体干细胞。其次诱导一些成体细胞逆转为干细胞或干细胞样细胞，从而达到治疗的目的。这主要是利用干细胞的去分化和逆分化特性来实现。这一类研究在近几年逐渐成为热门，并获得了相当大的突破。其标志性事件就是诱导多能干细胞的诞生。干细胞研究的深入对再生医学将起到重大的推动作用，但要将干细胞技术推广应用还有一系列需要解决的问题。

干细胞生物学是近年来生命科学研究中进展最为迅速的领域之一，在细胞治疗、组织器官修复、发育生物学、药学等领域都有着广阔的应用前景，是再生医学的基础。①干细胞在疾病治疗中可能出现重大的突破的几个方面有皮肤附件再生、退行性疾病治疗、心血管疾病治疗等。目前临床应用已初步观察到在特定条件下骨髓干细胞有可能发展为汗腺、皮脂腺以及毛囊等。②成体干细胞是非常有价值的研究对象，相对胚胎干细胞的优势在于可对临床应用有更实际的表现。新近提出的亚全能干细胞学说，这种细胞刚脱离胚胎干细胞特征，但又不是成体干细胞，通过实验证明，人体亚全能干细胞能够诱导分化为各种组织细胞，通过移植给受者参与组织的再生与修复，为恶性血液病、心血管疾病、糖尿病、肝功能衰竭多种严重疾病拓展了新的治疗途径。

再生医学的科学问题实际上是发育生物学所面临的问题，其核心是细胞的诱导分化与调控，基于发育生物学以及各种模式生物研究组织器官的再生问题又称之为再生生物学。再生生物学是生物科学重要的基础分支学科之一，研究内容是和许多其他学科内容相互渗透、错综联系，特别是和遗传学、细胞生物学、分子生物学的关系最为紧密。其研究内容涉及配子的发生和形成、受精过程、细胞分化及形态形成，包括发育与再生过程中不同细胞群如何按照一定的时间顺序及空间关系有序地重新配置、特化、进而产生出各种细胞类型，最终器官表型特征出现和特殊功能建立;基因在不同发育时期的表达、控制与调节，基因型和表型表达之间的因果关系;发育与再生过程中细胞核与细胞质的关系、细胞间的相互关系以及外界因素对胚胎发育的影响。

从20世纪八九十年代迄今，生物学领域的重大进展都与发育生物学有着密切的关系。有关生殖细胞发生、受精等过程的研究是动、植物人工繁殖、遗传育种、动物胚胎与生殖工程等生产应用技术发展的理论基础。有关细胞分化机制、基因表达调控与形态模式形成及生物功能的关系研究，是解决人类面临的许多医学难题(如癌症的防治)以及器官与组织培养等再生医学产业化工程发展的基础，也是基因工程发展为成熟的实用技术的基础。

生物力学的研究主题可以概括为以下三方面:生物结构与功能的关系;生物体的调节与控制机制;生物的应力-生长关系。在组织工程中生物力学起着很重要的作用。干细胞研究中的分化诱导加上力学的刺激后，新的生长因子才可能出现，如果缺乏力学环境就可能只有形态而没有功能。生物材料的评价等也需要生物力学的帮助，这样再生医学就为生物力学提供了新的平台。