面向21世紀(jì)的人工組織與人工器官研究

人工組織與人工器官作人體病損組織與器官的替代物已在臨床廣泛應(yīng)用由于其治療效果確切，已成為本世紀(jì)醫(yī)學(xué)與人類(lèi)健康進(jìn)步的顯著標(biāo)志之。據(jù)美國(guó)國(guó)家健康統(tǒng)計(jì)中心(NCHS)近年的調(diào)查，不包括齒科材料，植入1件以上人工組織與人工器官的患者，在美國(guó)已達(dá)1100萬(wàn)人，占其總?cè)丝诘?%，全球估計(jì)達(dá)3000萬(wàn)人。

　　由于90年代生物技術(shù)與組織工程的崛起，人工組織與人工器官的研究進(jìn)入了一嶄新的階段。特別是組織工程的興起，各類(lèi)具有生物活性的人工組織與人工器官應(yīng)運(yùn)而生，具有生物活性的人工組織與人工器官及其臨床應(yīng)用已成為跨世紀(jì)實(shí)驗(yàn)外科的沿領(lǐng)域之一。組織工程應(yīng)用工程科學(xué)與生命科學(xué)的原理與方法，在可控、可重復(fù)條件下，通過(guò)哺乳動(dòng)物(包括人、乃至患者自己)特定細(xì)胞在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的體外培養(yǎng)，形成具有特定功能的組織和器官替代物。組織工程對(duì)于醫(yī)學(xué)的發(fā)展與保障人類(lèi)健康有著重意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年有10萬(wàn)人因疾病和意外創(chuàng)傷造成器官、組織的不可逆損傷而需要作器官及組織移植。由于移植物來(lái)源有限，只有不足2%的患者能及時(shí)治療。我國(guó)是一個(gè)人口眾的大國(guó)，方面的問(wèn)題加突出。從發(fā)展看，解決此問(wèn)題有前景的途徑就是通過(guò)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的三維培養(yǎng)來(lái)長(zhǎng)成具有特定功能的組織、器官。

　　為了推動(dòng)21世紀(jì)實(shí)驗(yàn)外科的發(fā)展，就人工組織與人工器官而言，有以下一些重要問(wèn)題需要認(rèn)真解決。

　　一、應(yīng)深入進(jìn)行應(yīng)用基礎(chǔ)研究

　　1. 細(xì)胞-表面相互作用規(guī)律和機(jī)制：細(xì)胞-表面相互作用對(duì)細(xì)胞粘附、展布(spreading)、激活、重組、遷移、增殖和分化等細(xì)胞行為有顯著的影響。它的定量規(guī)律和作用機(jī)制的研究不僅是人工組織與人工器官的基石，而且在免疫學(xué)、腫瘤學(xué)、血液學(xué)和發(fā)育生物學(xué)方面都有重要意義。這一問(wèn)題的研究要求細(xì)胞生物學(xué)方法、分子生物學(xué)技術(shù)和生物力學(xué)方法以及表面觀測(cè)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。主要有以下3個(gè)方面：(1)建立化學(xué)因素單一化的或生物活性精細(xì)確定的“表面”模型，模擬基質(zhì)表面、細(xì)胞表面或細(xì)胞間質(zhì)網(wǎng)絡(luò)表面的不同結(jié)構(gòu)-功能，觀測(cè)細(xì)胞在模型表面的行為，以揭示細(xì)胞-表面相互作用的分子生物學(xué)機(jī)制。這里，關(guān)鍵是配體在表面的定位連接(生物活性組裝)。所用配體有細(xì)胞膜上各受體的片斷、抗體、粘附蛋白、酶、膜酯、凝聚素、粘多糖、聚胺聚糖等。(2)配體分布和表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精確測(cè)定。瑞典li[x]nko-pin大學(xué)等應(yīng)用橢片技術(shù)發(fā)展的新型生物傳感器空間分辨率可達(dá)5，這將大大推動(dòng)這一方面的研究。(3)細(xì)胞在不同模型表面上行為的定量觀測(cè)。激光共焦顯微圖像分析技術(shù)使得這類(lèi)觀測(cè)可以深入到亞細(xì)胞、分子水平。而微吸管(micropipe)技術(shù)可用以精確地測(cè)定細(xì)胞-模型表面粘附力。

　　2. 蛋白質(zhì)-表面相互作用規(guī)律和機(jī)制：蛋白質(zhì)在材料表面的吸附(吸附量和吸附蛋白的狀態(tài))不僅是人工組織與人工器官生物相容性的關(guān)鍵，而且對(duì)于細(xì)胞間相互作用起調(diào)控作用。因而它的規(guī)律和機(jī)制的研究是人工組織與人工器官的重要科學(xué)問(wèn)題。當(dāng)前研究的重點(diǎn)是：(1)表面吸附蛋白的狀態(tài)(組織化程度)與細(xì)胞-蛋白質(zhì)分子-表面相互作用的關(guān)系。(2)表面微結(jié)構(gòu)和不均勻性對(duì)液-固界面上吸收蛋白組織化程度的影響，復(fù)合介質(zhì)中多組元吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以及它們與人工組織和人工器官生物相容性的關(guān)系。觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步是這一問(wèn)題進(jìn)展的關(guān)鍵。

　　二、應(yīng)解決應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

　　1.生物相容性表面技術(shù)：在研究上述問(wèn)題的基礎(chǔ)上，研究人工組織與人工器官表面的生物活性組裝與表面修飾是提高目前臨床正在應(yīng)用的人工組織與人工器官生物相容性的關(guān)鍵。因?yàn)樗鼈兊纳锵嗳菪灾饕獩Q定于其與組織接觸的界面。表面生物相容性好，人工組織與人工器官整體的生物相容性就會(huì)得到提高。梯度修飾是當(dāng)今世界上人工組織與人工器官領(lǐng)域新技術(shù)，梯度修飾能使生物相容性?xún)?yōu)異的生物活性材料通過(guò)組裝、修飾它們的表面，提高了人工組織與人工器官表面與整體的生物相容性。同時(shí)，組裝、修飾層與人工組織與人工器官連成一體，在體內(nèi)長(zhǎng)期不會(huì)剝落。非梯度修飾由于修飾層與人工組織、人工器官材料差別較大，植入體內(nèi)一段時(shí)間后修飾層會(huì)從本體表面剝落，引起并發(fā)癥的發(fā)生，影響人工組織與人工器官的效果和使用壽命。

　　2.精密加工技術(shù)：在人工組織與人工器官領(lǐng)域，精密加工技術(shù)是它們?cè)谌梭w內(nèi)長(zhǎng)期安全、有效地發(fā)揮功能的重要保證。例如，體內(nèi)植入支架，它的花紋、結(jié)構(gòu)需要準(zhǔn)確的激光刻蝕；介入導(dǎo)管球囊與不同硬度管體的高強(qiáng)度光滑連接，需要精密高頻及超高頻焊接。再如：眼內(nèi)人工晶體的成型需要無(wú)軸高速切削；特定的人工髖關(guān)節(jié)，需要個(gè)體化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)控制加工。

　　3.組織工程中的轉(zhuǎn)基因技術(shù)：組織工程方法生產(chǎn)的人工組織與人工器官體內(nèi)植入成敗關(guān)鍵在于降低宿主免疫排斥反應(yīng)。宿主的干細(xì)胞、實(shí)質(zhì)細(xì)胞的來(lái)源也是大量開(kāi)發(fā)組織工程產(chǎn)品的主要困難之一。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制備能為宿主接受的異體及異種干細(xì)胞、實(shí)質(zhì)細(xì)胞是發(fā)展組織工程產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，這里包括：基因轉(zhuǎn)染，克隆技術(shù)與轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的制備等技術(shù)。

　　4.組織工程網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的生物活性組裝與表面修飾：網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的使用主要是為細(xì)胞提供粘附增殖的表面，至于其他因素如機(jī)械強(qiáng)度、表觀密度等只是與細(xì)胞的優(yōu)化生長(zhǎng)條件有關(guān)。通過(guò)生物活性材料組裝與修飾改變表面形態(tài)與分子結(jié)構(gòu)進(jìn)而可調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)速度與構(gòu)造，組裝與修飾的分子層的厚度和生長(zhǎng)因子表面與微環(huán)境的濃度，通過(guò)界面技術(shù)與生物降解等緩釋技術(shù)可加以調(diào)控。

　　5.組織工程網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架在低重力效應(yīng)下細(xì)胞和組織三維培養(yǎng)技術(shù)和裝置的研究：如前所述，能否培養(yǎng)出與人體組織和器官功能、分化水平相當(dāng)?shù)慕M織與器官，關(guān)鍵在于能否在適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)剪應(yīng)力條件下，克服重力沉降引起的接觸限制，從而在細(xì)胞離體培養(yǎng)過(guò)程中，確保細(xì)胞能夠三維生長(zhǎng)。而且，在維持其生長(zhǎng)所需的穩(wěn)態(tài)(生物、化學(xué))環(huán)境的同時(shí)，確保細(xì)胞-細(xì)胞之間、細(xì)胞-網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架表面之間的連接、粘附、細(xì)胞聚集等不同傳質(zhì)過(guò)程免受必然造成的流動(dòng)應(yīng)力的妨礙或損傷。這就是在地面重力條件下實(shí)現(xiàn)的“低重力效應(yīng)下細(xì)胞、組織培養(yǎng)技術(shù)”的含義。這里，生物流體力學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的結(jié)合起著關(guān)鍵作用。

　　圍繞上述研究可以開(kāi)展以下一些課題的研究：(1)微囊內(nèi)胰島細(xì)胞的生物活性組裝與分泌動(dòng)力學(xué)研究；(2)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架上腎臟、肝臟細(xì)胞的生物活性組裝與生物活性研究；(3)復(fù)合式生物人工腎、人工肝的研究；(4)神經(jīng)細(xì)胞快速生長(zhǎng)的組織工程方法研究；(5)組織工程方法培養(yǎng)膀胱替代物的研究；(6)眼內(nèi)人工晶體表面生物活性組裝與梯度修飾研究與植入研究；(7)顱頜面種植體的表面羥基磷灰石梯度修飾及其植入行為研究；(8)人工心臟瓣膜氧化鈦與類(lèi)金鋼石梯度修飾與血液相容性研究；(9)人工關(guān)節(jié)的生物固定層的組裝與骨組織長(zhǎng)入行為的研究；(10)血管與非血管內(nèi)支架的生物活性組裝表面修飾及其力學(xué)行為的研究。這些課題覆蓋了人工組織與人工器官的主要領(lǐng)域。這些課題的完成，將使我國(guó)與實(shí)驗(yàn)外科有關(guān)的人工組織與人工器官的研究達(dá)到國(guó)際先進(jìn)或領(lǐng)先的水平。