干细胞与组织工程

干细胞与组织工程组织、器官的丧失或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一，也是人类疾病和死亡的最直接原因。据美国权威资料显示，每年有数以百万计的美国人患有各种组织、器官的丧失或功能障碍，每年需进行800万次手术进行修复，年耗资超过400亿美元。我国是一个人口大国，因创伤和疾病造成的组织丧失或功能障碍病例居世界各国之首。据不完全统计，国内每年的烧伤患者达数百万，骨损伤患者高达约千余万，需做关节置换术者约500万(每位患者的目前费用是3万―5万元)，需做面部软骨缺损修复患者近30万。我国晚期肾病年发病率为(50～100)／100万，每年新增病例为6万～12万，仅1994年肾透析患者就有?0170例，肾移植患者2 000例。改善组织、器官缺损病人的生命健康，提高生命质量已成为现代医学必须迫切解决的首要问题之一。针对因疾病、创伤、遗传等因素所造成的组织或器官损伤，临床主要通过组织移植的治疗手段，以恢复组织结构完整性、重建组织功能。自体组织移植如皮肤移植、自体骨移植等，存在着牺牲自体正常组织、造成供区新的创伤等缺点，是一种以创伤治疗创伤的传统治疗模式。同种异体组织或器官移植，其组织或器官来源有限，病人需长期甚至终身应用免疫抑制剂。异种组织或器官移植，虽然解决了器官来源问题，但病人仍需终身应用免疫抑制剂，而且存在物种之间致病原传播的风险，在实际应用上还存在较大争论。因此，寻找新的组织或器官替代物以克服组织、器官移植过程中存在的上述问题，成为20世纪医学及相关学科发展的主要方向之一。应用生物材料及体外辅助系统，恢复病损组织结构或替代病损组织的主要生理功能是现代医学的一项重大进展，克服了组织移植存在的多种问题。医用生物材料在临床上的应用，可在结构上恢复损伤组织的完整性，但这种结构性替代是以完全或大部分牺牲替代组织功能为代价，不能替代缺损组织的主要生理功能，而且存在继发感染、异物反应、植入后材料断裂与移位等诸多问题。体外辅助系统(血液透析、人工肝等)的出现，部分地解决了单纯生物材料不能替代缺损组织或器官生理功能的问题，有效地改善了病人的生存质量，并延长了生存时间。但是，复杂的机器系统与操作步骤、昂贵的医疗费用，尤其是病人需要终身定期治疗，严重限制了这一技术的应用。因此，如何在现代医学及相关学科发展的基础上，进一步提高组织、器官损伤治疗的效果，为生物材料与体外辅助治疗系统增添行使各种生物学功能的“生命力”，成为临床医学及多种交叉学科共同思考的问题。改善生物材料单一“惰性”的结构性替代功能，使其具有促进创伤修复的生物活性功能；提高体外辅助治疗系统的生物学活性，使其成为依靠机体细胞完成生物学功能的装置，成为现代生命科学研究的重要内容，也是组织工程技术建立的起源。组织工程学是在细胞生物学与生物材料研究交叉及融合的基础上，逐步建立并发展起来的。随着细胞体外培养技术的逐步完善，大量的通过单纯细胞移植方法治疗组织或器官缺损的探索，远期临床观察证明单纯细胞移植不能形成理想的组织与器官。另一方面，在生物活性材料领域的大量研究与实际应用也证明，仅仅通过改善材料本身的性状、材料不具备生物学活性也不能达到理想的组织再生修复效果。组织工程学研究即在这种背景下，联合应用细胞培养技术与生物活性可降解材料，通过将细胞与生物材料相结合的方式，成功构建出多种新的组织。与传统组织移植或生物材料替代相比，组织工程的最大优点在于：①通过构建结构完整、功能完全、具有生命力的健康活体组织，对病损组织进行形态、结构和功能的全面重建；②所形成的机体自身组织在体内与机体正常组织整合良好，可对体内各种生物学刺激产生应答，并可达到永久性替代；③可用最少量的组织细胞(甚至可用组织穿刺的方法获得)，经体外培养扩增后，修复体积较大的组织缺损；达到无损伤修复创伤和真正意义上的功能重建；④可根据组织、器官缺损情况，构建相应形态与结构的组织，达到完美的形态修复。组织工程学在世界范围内经过20余年的发展与不断深入，已成为世界各国在生物科技领域展开竞争的重要方面，带动了生命科学、生物材料、机械工程制造等多学科的广泛交叉与合作。软骨、骨、肌腱等组织再生的成功，已展示了它广阔的发展前景；血管、气管等复合组织的再生，标志着组织工程已由单一组织再生向复合组织预制迈出了重大一步，而在胰腺、肝脏等组织再生研究中取得的突破性进展，更向人们展示了人类有能力再生具有复杂组织结构和生理功能的器官。组织工程学的研究已成为生命科学研究领域的国际性前沿课题，蕴含着巨大的科学价值。