胶原蛋白和干细胞在人造器官中的应用
一、组织工程的起源
创伤以及病损组织的修复一直困扰着医学界人士，成为医学领域所要攻克的难题之一。自19世纪中后叶现代外科奠基以来，通告的治疗方法不外乎将病变组织从患者的机体切除，或者进行重建，目前临床上对受损组织和器官的修复和治疗主要有自体组织器官移植、异体组织器官移植和采用人工替代物等几种方法。
自体组织器官移植的最大优点是可以避免免疫排斥,并取得较为令人满意的临床效果。但自体移植的供体来源非常有限，而且会造成患者更多的组织损伤。异体组织器官移植虽增加了人体组织和器官的供应来源,但也同样存在着供体来源不足的问题，而且异体间的组织相容性问题使移植体难于存活。此外,无论是自体移植或异体移植，治疗费用都极其昂贵，并且需要长期的术后治疗和护理,不但增加了患者的痛苦，也加重了医疗机构的负担。人工替代物由人工合成制备，可以解决以上存在的供源和免疫排斥问题,但人工替代物并不能完全具备组织和器官的全部功能,而且有时产生异物反应。随着医药学科领域各项技术的日益发展，人们致力于寻求一种更好的方法来解除患者的痛苦，同时提高治疗指数,并将整个疗程的人力、物力耗费降到最小。此时“组织工程”这门新兴学科便应运而生。
20世纪70年代初，就有人将细胞活体组织引人到生物材料附建的支架上，以期合成人工组织或器官,这便是组织工程的雏形。组织工程学是以分子生物学、生物工程细胞生物学和临床医学等为基础的边缘性学科。它利用生命科学和工程学的原理和方究正常和病理的哺乳动物组织的基本结构和功能的关系,并且发展具有生物活性的人功替代物来恢复、维持或提高组织功能。此外，从组织工程学的技术方法角度来看，可以认为，组织工程学是一门应用工程学和生命科学原理，以人工合成生物材料作为载体，整合被分离的细胞并能在宿主内降解释放细胞，形成新的有功能组织的科学。
二、组织工程的要案
近20年来,生物医学工程、化学工程、材料学工程、以及生物技术等各项技术的迅速发展，为组织工程学的建立和发展提供了前提。尤其是细胞生物学及分子生物学的深入研究，推动了细胞技术的发展，使人们更加了解细胞的生理、生化环境与其生长、分化的关系。生命科学和技术科学两大领域的发展，为人们将两者结合起来,并以工程的方式开发出具有一定功能的活组织器官的设想和探索,奠定了坚实的物质和技术基础。
组织工程的目的在于生产组织和器官的替代品，涉及的范围甚广包括人工皮肤替代物、可移植的细胞聚合物基质，以及生物人工器官等。迄今为止,人们已经成功地复制出人工耳、人工血管、人工肌腱以及塑形精确的人工软骨包含关节的指骨等组织，而肝、肾等实质性器官的功能性细胞培养与植入、呼吸道及消化道等管状器官培养等方面都取得了令人振奋的研究成果。
组织工程的基本技术支撑与要素：
1.种子细胞
种子细胞是指为支架材料提供生命源泉、并能形成组织的功能细胞。按其来源可以分为自体、同种异体和异种细胞。自体细胞可以由活检或穿刺所得到的组织进行分离培养，获得所需要的功能细胞；同种异体细胞主要来自于胚胎、新生儿和成体组织；异种细胞主要来自于猪、牛等动物。各种功能细胞中研究最多的是干细胞。
2.支架材料
合并能植入生物体的材料，依照其降解性的不同可以分为可降解性材料和非降解性材料2种。而生物可降解性材料由于其所具有的很多优良性质、经常被人们选用，胶原蛋白材料属于可降解的理想性材料。
3.生长因子
生长因子是通过细胞间信号传递影响细胞活动的一类多肽因子。它对细胞具有促进或抑制其分裂增殖、迁移和基因表达的作用。按其分泌和产生效应的位置关系来分，可以是内分泌、旁分泌或自分泌。目前已发现几百种生长因子，虽然大部分生性因子结构、功能和机制尚不清楚，但常用的十余种已研究得放为透很彻。
4.周围环境
细胞基质是引起细胞分化的基础物质之一。它含有多种生长因子、分化因子、分裂细胞以及其他与结构基质有联系的调节和信号因子。它触发了细胞仙部的信号和化学反应，决定了细胞的分化和功能特异性。因此，可以由需要培养细胞的特殊需要，提供有相应成分的基质。组织工程中制备细胞基质的主要途径有：用纯化的胶原蛋白加入生长物质与细胞混合、凝结；用可降解的生物或非生物聚合物制成纤维或薄型网状材料，加入某种生长物质；此外，培养细胞在体外可直接生成和分泌细胞外基质。三、组织工程的实施方法
组织工程的实施方法分为2种,分别为体外组织工程和体内组体外组织工程。
体外组织工程操作分为2步:首先将预先选择的种子细胞种植于可生物降解的支架上，使种子细胞附着于支架材料上。再加入合适的生长因子，在适当的条件下进行细胞培养。在组织结构形成的过程中,支架材料逐渐降解，新生组织沿支架构型逐步成形,最终形成新的组织结构。然后，将形成的组织结构植入人体内，取代器官。在不同的条件下可以生成不同的新生器官，如人造胰腺和人造肝脏等。
体内组织工程则有3种:第1种,血细胞的移植。移植后造血细胞增殖，造血干细胞分泌出天然的ECM。第2种,细胞移植。将细胞移入受损组织如受损的心肌层,在受护根组织中仍有ECM保留,然后注射细胞，形成重建的组织。第3种，严重缺损的组织重建。将细胞和生长因子或它们中的任何一个种植到生物降解性支架上，然后植入严重缺损处，形成重建组织。
四、组织工程的医学应用
组织工程技术发展的首要目的是应用于临床，以治疗因为组织器官损失或器官衰喝所产生的疾病。组织工程在生物医学中的应用主国有以下几个方面:
(1)为器官病变或衰竭以及组织缺失的患者的移植治疗，提供组织器官替代物；
(2)为失去部分机体功能的患者，提供相应需要的可植入性功能细胞微囊;
(3)为植入体内的非生物装置表面涂层,进行生物化处理;
(4)为病损的机体组织提供可供其组织再生和功能恢复的、含有不同生长物质的植人体;
除了临床治疗外，工程组织还可以广泛地应用于需要哺乳动物组织作为对象的基础研究体系，为生物医学基础研究和应用研究提供组织或器官模型系统。应用人工软骨培养系统，可在体外对关节炎的发生过程进行深人的研究;应用组织三维培养系统，可研究肿瘤浸润的病毒侵袭过程;特别是工程组织还可用来生产内源药物，以及作为药物试验的体外模拟系统，从而将组织工程技术与制药业直接联系在一起。
自从美国国家科学基金会于1987年正式提出“组织工程学”概念以来，由于其重要的科学意义、潜在的经济效益，受到世界各国广泛关注和高度的重视。组织工程学基础研究取得了显著的进展。其中引人注目的是种子细胞性质的研究。组织工程细胞培养需要高浓度的细胞接种，而自体组织细胞在数量上存在局限性以及多次传代后细胞功能会老化等问题。现今的研究在多方面寻找种子细胞,其中最重要且最有潜力的是干细胞工程。干细胞工程是指应用现代生物学和组织工程技术,通过对间充质干细胞、胚胎干细胞、血管造血干细胞神经干细胞和皮肤、肌肉等前体细胞进行体外分离纯化定向导分化转基因及核移植、大量扩增和整合构建，在体外重构人以放盘肌内肌睫孵膜脂防.真皮基质、神经、血管皮肤、角膜以及造血和免疫等组织。例如，具有发育的多能性胚胎干细胞可从早期胚胎的原始胚细胞及原始生殖细胞中分离培养获得。1998年Thomson从人胚胎组织及原始生殖细胞中获得了人的ES细胞。但因为其细胞培养条件特殊，无法成为组织工程细胞。1999年，Lanza提出用治疗性克隆的新方法解央这一难题， 即采用成熟组织细胞的细胞核置换卵细胞核,在体外培养至胚泡期，然后分离ES细胞，再定向诱导分化为特定的功能细胞用于治疗。
组织工程再造的组织和器官不但可以进行大批量生产,而且同天然的组织和器官具有相同的功能,还可防止免疫排斥反应的产生，被认为是最有希望彻底解决组织和器官修复的难题的途径。由于举足轮重的科学组文和潜在的经济效益坝工程必将成为2世化的高技术产业,对整个社会产生革命性的意义。
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