利用細(xì)胞和合成聚合物建造新器官存在著可怕的障礙，但卻是可以克服的。
組織工程正成為醫(yī)學(xué)科學(xué)中欣欣向榮的新領(lǐng)域，僅僅在幾年前，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為人類組織只能通過從捐獻(xiàn)者那里直接移植或利用由塑料、金屬和計(jì)算機(jī)芯片制造的完全人工部件進(jìn)行替換。許多人認(rèn)為完整的生物人工器官——由活細(xì)胞與自然的或人工的聚合物融合創(chuàng)造的混合物——永遠(yuǎn)不能制造出來，人類移植器官的短缺問題只能通過某種程度利用來自動(dòng)物的器官而獲得解決。
然而，現(xiàn)在世界各地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的創(chuàng)新性和富于想象力的工作表明，制造生物混合器官是完全可行的。開發(fā)組織工程產(chǎn)品的生物技術(shù)公司的銷售額己接近40億美元，并且每年的開支為此額的25％以上。不過，在這些投資通過可靠地減輕許多組織中的疾病所引起的人類痛苦而得到回報(bào)之前，組織工程必須克服某些重大的困難。
現(xiàn)成的細(xì)胞確定細(xì)胞的可靠來源是組織工程的首要前提。動(dòng)物細(xì)胞是個(gè)可能的來源，但確保它們具有安全性依然是個(gè)令人關(guān)注的問題，因?yàn)槊庖呦到y(tǒng)對(duì)其排斥的可能性很高。基于這些原因，人類細(xì)胞是首選對(duì)象。
最近，對(duì)人類胚干細(xì)胞一一能夠發(fā)育成一系列組織從而形成人的細(xì)胞——的鑒別提供了解決此問題的一種方法。但是，從能夠操縱培養(yǎng)中的胚干細(xì)胞到能夠生產(chǎn)可用于創(chuàng)造或修復(fù)特定器官的完全分化細(xì)胞，研究人員還有很長(zhǎng)的路要走。
一個(gè)更直接的目標(biāo)是從組織中分離出所謂的起源細(xì)胞。這種細(xì)胞向?qū)；较蜃吡藥撞剑驗(yàn)樗鼈兩形赐耆只�，因而具有足夠的靈活性可以補(bǔ)充幾種不同類型的細(xì)胞。例如，克利夫蘭臨床診所Arnold I.Caplan及其同事已從人類骨髓中分離出起源細(xì)胞，這種細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過促導(dǎo)能夠形成構(gòu)成骨的成骨細(xì)胞或組成軟骨的軟骨細(xì)胞。與此類似的是，北卡羅來納大學(xué)查珀?duì)栂柗中ola Reid已在成人的肝中鑒別出了小卵形起源細(xì)胞，這種細(xì)胞在培養(yǎng)物中經(jīng)過操縱后能夠形成成熟的肝細(xì)胞(此細(xì)胞產(chǎn)生膽汁并消除毒素)或者襯墊膽管的上皮細(xì)胞。
培養(yǎng)“萬能供體”細(xì)胞系可能又是一種方法。為了得到這種細(xì)胞，科學(xué)家要除掉或利用其他分子去蓋住細(xì)胞表面的將供體細(xì)胞視為“異己”的蛋白質(zhì)。馬薩諸塞州Diacrin公司現(xiàn)正采用這種策略制造人類移植可以接受的某些類型的豬細(xì)胞。 Diacrin公司還計(jì)劃利用“掩蓋”技術(shù)使細(xì)胞在不相配的人供體之間進(jìn)行移植。該公司已獲主管部門批準(zhǔn)，就某些肝病開始進(jìn)行掩蓋人類肝細(xì)胞的人類試驗(yàn)。
從原理上講，這些萬能供體細(xì)胞不會(huì)遭到受體排異；它們能從來自許多不同組織的多種類型細(xì)胞中產(chǎn)生，并在培養(yǎng)物中不停生長(zhǎng)直至需要之時(shí)。但尚不清楚萬能供體細(xì)胞在大規(guī)模臨床試驗(yàn)中的表現(xiàn)如何。
零部件工廠
尋找生產(chǎn)細(xì)胞和組織的最佳途徑遠(yuǎn)非一帆風(fēng)順的事情�？茖W(xué)家只鑒定出了幾種引導(dǎo)胚干細(xì)胞和起源細(xì)胞分化為�；�(xì)胞的生化信號(hào)，我們還不能從骨髓中分離出于細(xì)胞和起源細(xì)胞的培養(yǎng)物而同時(shí)又不讓結(jié)締組織細(xì)胞如成纖維細(xì)胞混入其中。(成纖維細(xì)胞是不需要的東西，因?yàn)樗鼈兎至蜒杆俨?huì)超過干細(xì)胞培養(yǎng)物的生長(zhǎng)。)
此外，科學(xué)家必須開發(fā)出在所謂生物反應(yīng)器中大量培育細(xì)胞的更加先進(jìn)的方法，生物反應(yīng)器是安裝了將營(yíng)養(yǎng)物、氣體(如氧氣和二氧化碳)和廢物控制在適當(dāng)數(shù)量水平的攪拌器和傳感器的培養(yǎng)室�，F(xiàn)有的方法產(chǎn)生的細(xì)胞數(shù)量常常太少，或者產(chǎn)生的組織片常常比需要的薄。不過，新的解決方案已經(jīng)出現(xiàn)。幾年來，研究人員努力培育足夠厚的軟骨片以適合于醫(yī)療應(yīng)用，例如取代膝蓋中損傷的軟骨。但是一旦軟骨生長(zhǎng)超過了一定的厚度，中心的軟骨細(xì)胞就會(huì)離生長(zhǎng)載體過遠(yuǎn)而吸收不到營(yíng)養(yǎng)物和氣體，無法對(duì)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)化學(xué)和物理信號(hào)作出反應(yīng)，或者不能排去廢物。麻省理工學(xué)院Gordana Vunjak—Novakovic和Lisa Freed在生物反應(yīng)器中的三維聚合物載體中培養(yǎng)軟骨細(xì)胞，從而解決了這一問題。該載體相對(duì)疏松的結(jié)構(gòu)和生物反應(yīng)器的攪拌作用確保所有細(xì)胞均勻地附著于載體材料并得到培養(yǎng)媒體的滋潤(rùn)。隨著組織在生物反應(yīng)器中的生長(zhǎng)，使其機(jī)械特性達(dá)到最佳將是極為關(guān)鍵的問題，因?yàn)樵S多組織在受到擴(kuò)展、拉動(dòng)或壓縮作用時(shí)會(huì)作出反應(yīng)，進(jìn)行重構(gòu)或改變它們的總體結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)組織工程軟骨在把正在發(fā)育的組織暴露給流體作用力的變動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)器皿中進(jìn)行培養(yǎng)時(shí)，它就會(huì)變得更大，從而包含更多的形成細(xì)胞外基質(zhì)的膠原和其他蛋白質(zhì)基質(zhì)�；|(zhì)是類似蜘蛛網(wǎng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，作用是支撐細(xì)胞生長(zhǎng)和構(gòu)成組織。)以這種方式培育的軟骨，包含了細(xì)胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)，從而使其更穩(wěn)固，更持久，對(duì)外力更易作出生理反應(yīng)。
同樣，加州大學(xué)圣迭戈分校John A.Frangos也揭示，在生物反應(yīng)器中攪拌的珠狀膠原媒體上培育的成骨細(xì)胞比在平坦的靜止盤中培育的成骨細(xì)胞形成更多的骨無機(jī)物。現(xiàn)在杜克大學(xué)的Lawrn E．Niklason證實(shí)，如果讓組織工程小動(dòng)脈的培養(yǎng)基產(chǎn)生脈動(dòng)(類似于搏動(dòng)心臟所產(chǎn)生的血壓)，那么這些由內(nèi)皮細(xì)胞(血管襯)和平滑骨細(xì)胞構(gòu)成的管狀組織工程小動(dòng)脈就能展現(xiàn)更接近于自然管的機(jī)械特性。另外幾個(gè)小組(包括我們小組在內(nèi))正在開發(fā)培養(yǎng)骨骼肌和心肌的方法，這些組織隨著物理應(yīng)力而變得越來越強(qiáng)健。
欲求之特性
了解怎樣調(diào)節(jié)細(xì)胞行為是又—個(gè)重大挑戰(zhàn)�；钕到y(tǒng)的復(fù)雜程度是難以置信的：例如，人肝就包含組織成稱為小葉的顯微序列的6種不同細(xì)胞類型。每個(gè)細(xì)胞都能完成數(shù)百種不同的生化反應(yīng)。更為重要的是，每個(gè)細(xì)胞的生化活動(dòng)常常依賴于同其他細(xì)胞間的相互關(guān)系和遍布每種組織的細(xì)胞外基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。舉例來說，密執(zhí)安大學(xué)David J．Mooney揭示，肝細(xì)胞會(huì)根據(jù)它們賴以生長(zhǎng)的物質(zhì)的粘性狀況而產(chǎn)生不同數(shù)量的某一特定蛋白質(zhì)。為了開發(fā)出這類器官一一比如說可以移植的生物人工肝(組織工程的一個(gè)重要目標(biāo))——研究人員必須更好地了解怎樣在不同的情況下培育肝細(xì)胞和肝中其他細(xì)胞，使其發(fā)揮正常生理作用的功能達(dá)到最優(yōu)。了解“重構(gòu)”對(duì)制造將要成為接受者一個(gè)永久部分的生物人工器官和組織是極其必要的。在組織工程產(chǎn)品的大多數(shù)成功的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，組織工程移植物都促進(jìn)了受者自身細(xì)胞和組織的生長(zhǎng)，并最終取代了人工聚合物和移植物的移植細(xì)胞。例如，我們同波士頓兒童醫(yī)院的Toshiharu Shinoka和John E.Mayer合作揭示，一旦把由人工聚合物、羔羊上皮細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞(一種有助于傷口愈合的細(xì)胞)構(gòu)成的心瓣膜小葉移植給羊，它就變得更牢固、更富彈性、更薄。而且，11周之后，小葉就不再含有人工聚合物：它已被重構(gòu)而只含有羊細(xì)胞外基質(zhì)。不過，控制這種重構(gòu)過程的生化信號(hào)和生長(zhǎng)因子依然基本未知。
制造可生物降解并且不會(huì)誘導(dǎo)瘢痕組織形成的新材料是組織工程的一個(gè)新興領(lǐng)域，它提出了許多挑戰(zhàn)。目前用于組織工程載體的大多數(shù)材料都可歸于兩種類型之一：合成材料如可生物降解縫合材料或天然材料如膠原或藻酸鹽(源于藻類的凝膠樣物質(zhì))。合成材料的優(yōu)點(diǎn)是，它們的強(qiáng)度、降解速度、微結(jié)構(gòu)和滲透性均可在生產(chǎn)過程中進(jìn)行控制；而天然材料的優(yōu)點(diǎn)則在于它們通常更易于細(xì)胞附著在其上�，F(xiàn)在，研究人員試圖綜合兩類材料的最佳優(yōu)點(diǎn)來設(shè)計(jì)具有特別需要的特性的新一代材料。例如，有人正在制造具有模擬特定組織的自然細(xì)胞外基質(zhì)的生物活性區(qū)域的可生物降解聚合物。其中有一種包含RGD，即細(xì)胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)纖維連接素的一部分。
RGD是用構(gòu)成它的三種氨基酸即精氨酸(R)、甘氨酸(G)和天冬酰胺(D)的單字母縮寫命名的。許多類型的細(xì)胞通常都通過附著到RGD而附著到纖維連接素上，因而包含RGD的聚合物能夠?yàn)樯L(zhǎng)細(xì)胞提供更自然的環(huán)境。
而另一些科學(xué)家則打算制造導(dǎo)電的聚合物(這對(duì)培育組織工程神經(jīng)是有用的)，或者制造能迅速膠化的聚合物。這些快速成形的聚合物在可注射生物人工產(chǎn)品中是有用的，這些產(chǎn)品包括可用來填充斷骨的產(chǎn)品。
誘導(dǎo)血管生長(zhǎng)，也就是所謂血管發(fā)生過程是維持許多組織工程器官生存的關(guān)鍵——特別是需要大量血液供給的胰、肝和腎。研究人員通過利用促進(jìn)血管形成的生長(zhǎng)因子包裹支持組織的多聚物載體而成功地促進(jìn)了在實(shí)驗(yàn)室里生長(zhǎng)的生物人工組織的血管發(fā)生。今后的研究必須考察釋放生長(zhǎng)因子與控制其活性的最佳途徑，以便只在需要的時(shí)候和需要的地方形成血管。
面向患者
還有件重要的事情就是，開發(fā)組織保存新方法以確保組織工程產(chǎn)品在從工廠到手術(shù)室的途中以良好的功能狀態(tài)存活，且不會(huì)在移植過程中死去。在這種情況下，從供體器官移植中改良而來的技術(shù)可能是有用的。例如，現(xiàn)在手術(shù)醫(yī)生知道，許多移植器官損傷都發(fā)生在再灌注期間，也就是器官連接到受者供血系統(tǒng)之時(shí)。再灌注誘導(dǎo)氧自由基的形成，這實(shí)際上在細(xì)胞膜上刺開了孔，并殺死了細(xì)胞。為了避免再灌注損傷，目前外科醫(yī)生在保存溶液中加入吸收這種自由基的化學(xué)物質(zhì)。還必須找到更好的分子以防止組織工程產(chǎn)品不受再灌注損傷和局部缺血損傷(因血流不充分引起)，并必須完善深低溫保藏技術(shù)以便生物人工器官和組織能冷凍到需要之時(shí)；現(xiàn)在用于細(xì)胞的方法還要進(jìn)一步開發(fā)以適合更大的組織。
制定聯(lián)邦政府主管部門對(duì)組織工程產(chǎn)品的審批程序也是個(gè)棘手的問題，生物人工組織和器官幾乎跨越了美國(guó)食品與藥物管理局(FDA)所管轄的所有領(lǐng)域，它們基本上是醫(yī)療器械；但因?yàn)樗鼈儼罴?xì)胞，所以還產(chǎn)生起到象藥物那種作用的生物物質(zhì)。這樣，F(xiàn)DA將第一批尋求正規(guī)批準(zhǔn)的組織工程產(chǎn)品——兩種生物人工皮膚一一作為復(fù)合產(chǎn)品對(duì)待。該機(jī)構(gòu)將組織工程作為一個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域并正在提出處理生物人工產(chǎn)品的明確政策。
我們相信，科學(xué)家和政府主管部門將清除本文所述的所有障礙，從而在今后幾年內(nèi)為市場(chǎng)帶來多種多樣的組織工程產(chǎn)品。許多挑戰(zhàn)性工作依然存在，但總有一天一一或許從現(xiàn)在起的許多年后——用組織工程器官和組織武裝患者就會(huì)象今天的冠狀旁道管手術(shù)那樣平常。