作者无任何利益冲突需要披露。

组织工程的实验方法

Experimental Approaches to Tissue Engineering

我叫Ali Kamasi，目前担任哈佛大学与麻省理工学院健康科学与技术系的助理教授。我同时在哈佛医学院有联合聘任职位，具体工作单位是哈佛医学院附属的布莱根妇女医院。我的研究领域集中在微尺度组织工程和生物组学领域。我的学术背景最初是化学工程。我在多伦多大学完成了化学工程的本科学习，之后我对更偏向生物学的工程领域产生了浓厚兴趣。因此，我继续在多伦多大学攻读生物医学工程硕士学位，研究方向专注于干细胞分化。然后，我来到麻省理工学院，在罗伯特·兰格（Robert Langer）教授的指导下攻读生物工程学博士学位。在完成博士后研究几个月后，我便就任目前的职位。我们专注的研究领域真正处于生物学、工程学与材料科学的交叉界面。因此，我们试图解决的是生物学家长期以来一直努力回答的问题，但我们的方法是通过引入新技术和新视角来实现以往无法做到的研究方式，以深入理解这些问题。我们试图解决的一个重大医学难题正是器官短缺问题。如何生成可用于移植的三维器官？显然，目前可移植器官严重短缺，许多患者需要进行器官移植，因而存在漫长的等待名单。因此，我们以及组织工程领域的其他研究人员致力于开发一些方法，以构建人工组织。基于相同的理念，目前存在的一个主要问题——同样存在于药物研发和新药发现领域——是如何构建能够体外模拟真实组织的更优模型，从而用于测试药物和化学物质，并观察它们对这类组织所产生的效应。而一旦我们能够准确实现这一点，就能更有效地预测哪些药物真正具有治疗作用。因此，在药物获批后，您就不必再面临召回问题，也不会出现副作用，从而能够实现更高效的药物研发过程。微流控装置属于我们所说的微尺度技术的一个子类。至于这些微尺度技术，或许我应该先从这里开始解释。他们试图模仿生物组织或生物系统的复杂性。大多数细胞的尺寸在几十微米左右。要真正理解这些尺度下的细胞，就需要具备相应的技术，能够在远小于10微米到大于10微米的长度尺度上，对细胞所接触和感知的微环境进行工程化设计。因此，可以对单个细胞进行操作，并能够调控其周围环境。微流控系统使我们能够精确控制可溶性因子向细胞的递送方式。例如，可通过微流控通道在其中生成趋化因子、生长因子或细胞因子的浓度梯度。现在，这使我们能够尝试模拟在正常发育过程中或生物系统内发生的情况，即在整个生物体中存在的浓度梯度实际上会指导细胞的行为，告诉细胞应该执行何种功能。借助微流控系统，我们能够以快速且可控的方式生成这类生物学复杂性，进而直接分析细胞在暴露于此类浓度梯度或具有生物学意义及空间取向的信号时的行为反应。组织工程的起源大约可追溯至二三十年前，其最初理念是尝试将可移植的细胞与材料相结合，从而构建出更优的三维组织。这一领域最初由研究人员探索可生物降解材料开始，尝试将其制成多孔泡沫结构。因此，这些结构具有高度多孔性。随后将细胞接种到这些泡沫材料中。当细胞在泡沫内部移动时，会逐渐定植于特定位置，随着时间推移，细胞将开始分泌自身的生物基质。由于这些材料可生物降解，会随着时间推移而逐渐降解，最终留下的是完全生物性的组织。这种方法尤其适用于一些结构较为简单的器官，例如软骨。事实上，已有诸如人工皮肤等产品获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。因此，这种方法在临床上是可行的。然而，该方法在应对更复杂结构时可能需要更多技术支持，例如心脏或肝脏，这些器官在微观尺度上具有高度受控的细胞间相互作用以及高度精确的复杂结构和架构。组织工程最初的设想之一是：当细胞被植入后，它们能够自行重新排列，从而形成正常人体中所见的某些复杂结构。但这种情况在一定程度上确实会发生，不过并不会完全实现。因此，在微观结构层面上，组织工程器官仍然不同于真正天然的生物组织。这是因为细胞在体外无法像在发育过程中那样完全自发地进行自组装。因此，我们试图在微尺度上进行组织工程研究时，重现这种复杂性。那么，我们该如何实现这一点？我们希望构建的复杂性又是什么？一方面，血管化组织具有非常丰富的血管网络，这些血管为组织提供其所需的氧气、营养物质及其他必要成分。目前，要真正构建出大型的组织结构，并为其中所有细胞提供充足且适量的营养和氧气，仍然非常困难。而微尺度技术使我们有可能直接在三维结构中构建微血管系统。微尺度技术使我们能够实现的另一件事是，尝试控制不同细胞类型在此三维结构中的相互作用方式。例如，你可能希望在特定结构中放置一种细胞类型，并在其旁边放置第二种细胞类型，就像它们在体内所处的位置一样。利用微尺度技术，我们能够尝试在三维结构中重现这些存在于体内的几何构型和复杂性。因此，我们不必寄希望于细胞能够在支架内部直接自发地自组装。这一过程面临诸多挑战。其中主要的挑战之一在于组织工程领域：即使我们能够制造出三维结构的组织，仍然需要确保其具备功能性。正常组织具有多种机械和生化代谢功能，而通过组织工程构建的器官必须能够基本重现并模拟这些功能。目前存在的问题是，许多组织工程器官无法达到其天然组织的生物学功能水平。其中部分原因在于我们目前所使用的材料类型，并未针对各种不同的应用需求进行优化。此外，我们仍需更深入地理解发育生物学和伤口愈合的生物学机制，以便能够重建相应的微环境，使这些三维支架中的细胞能够像在体内正常发育或正常伤口愈合过程中那样完成完整的分化与功能重建，从而获得真正模拟天然再生或发育成熟状态的组织结构。而生物学仍然在不断探索和发展中。因此，您知道，一方面在于生物学本身，另一方面在于更优的材料。最后，我认为一个重要的问题仍然是细胞来源。您知道，这正是为什么尝试探索替代性细胞来源非常重要的原因，因为人体细胞，尤其是成体干细胞，是一种非常具有潜力且可能成为可行的细胞来源。此外，诸如胚胎干细胞，以及人们正在发现的新方法，例如利用皮肤细胞或其他细胞来获得非常原始的细胞，进而尝试引导其分化，从而获得可用的细胞来源。因此，我认为在未来五年内，主要有三个重要方向：开发更优的材料、更深入地理解生物学机制，以及获得更理想的细胞来源。在使这些微尺度技术更广泛地适用于生物学家和组织工程师方面，将会发生许多变化。我认为，现在越来越多的人意识到，以微尺度分辨率深入研究生物学并生成组织具有极其重要的意义。我相信，在未来几年里，这将是一个持续发展的显著趋势。我认为另一个方面是，最终产品相关各方之间的互动将会大大增加，无论是临床医生、美国食品药品监督管理局（FDA）还是其他监管机构，以及商业领域的人士。因此，这些实体与基础研究人员之间的交流会越来越多，旨在追溯并探讨当前已开发的科学技术在商业化过程中面临的主要问题。同时，我认为我们还需要思考，如何以安全且符合伦理责任的方式推进这一过程。因此，我认为无论是在科学层面还是其他方面，目前仍有大量重要进展有待实现。至少在未来的五年内，我们将迈出最初几步；而在接下来的10到15年里，随着这些技术——特别是组织工程领域以及这些技术在药物发现检测等方面的应用——真正开始发挥作用，情况将变得尤为引人关注。具体如何在真实世界的应用中使用这些技术，很大程度上取决于我们所讨论的是哪种器官以及哪一类应用场景。显然，人工组织最直接且最明显的第一批应用将集中在药物发现或诊断领域，即通过构建更优的生理模型，在体外组织培养环境中更好地模拟体内组织，从而对这些模型进行分析和探测，以更深入地理解生物学机制，或评估化学物质和药物的有效性。在这一领域，主要挑战在于必须构建出尽可能全面模拟天然组织的模型，使得当我们的组织模型判断某种物质具有毒性时，我们能够高度确信：若将该物质用于动物实验，其结果也将呈现毒性，并能准确预测动物体内的实际反应。因此，我认为在实际的治疗应用方面，仍然存在许多需要克服的障碍。其中最主要的挑战在于，这些治疗性制剂在短期和长期内将如何发挥作用，因为目前尚无人真正了解外源性细胞——例如，由胚胎干细胞或其他个体来源的组织工程细胞或干细胞衍生的细胞——在人体内或他人身体内长期存在时的行为特性。此外，还存在其他伦理学问题，例如，我们究竟应如何选择最佳的细胞来源，使其既符合伦理责任要求，又在科学和临床实践中具备可行性。而在器官工程的实际应用方面，关键问题在于：我们能否构建出既安全又能正常发挥功能的器官？此外，任何类型的组织工程器官都必须通过一系列严格的监管机制审查。我认为，目前美国食品药品监督管理局（FDA）正在开始探索如何对用于治疗用途的工程化生物组织进行实际监管。我认为，这类产品在商业化方面已有了一两个先例，但仍然没有形成非常标准化的路径，能够明确指导如何将实验室成果转化为最终产品。对于这些人工生物组织而言，具体情况取决于所涉及的器官。例如，对于皮肤这类组织，我们已经拥有相关技术。对于心脏这样完整的器官，我认为我们还有很长的路要走。也许，大概需要50年左右，我这样说已经是非常保守的估计了。这种情况也许会更早实现，但要制造出具有适当复杂性并能像正常生物组织一样发挥功能的器官，仍面临诸多挑战。但就心脏组织这类较小的结构而言，而非完整的心脏，我认为我们已经相当接近这一目标。可以说，在临床应用方面，若某项技术已实际通过监管审批流程，那么在15年内实现可移植心脏组织的制备是有可能的。我认为大部分时间将花费在监管审批阶段，因为目前一种药物的批准通常需要12年。因此，即使我们现在拥有某种自认为完美的技术，也需要至少十年时间来确保其安全性和正确功能，才能在患者中广泛使用。

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