组织工程的实验方法

我叫 Ali Kamasi，目前是哈佛大学麻省理工学院健康科学与技术部的助理教授。我与哈佛医学院有联合约诊，特别是在哈佛医学院的附属机构布莱根妇女医院。我的研究领域是微尺度组织工程和生物群落领域。

所以我的学术背景更多地是化学工程，并且最初是从化学工程开始的。我在多伦多大学完成了化学工程的本科，随后我对更多面向生物学的工程产生了浓厚的兴趣。因此，我在多伦多大学继续攻读生物医学工程硕士学位，专门研究干细胞分化。

然后我，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博士学位。之后，经过几个月的博士后研究，我加入了现在的职位。我们关注的研究领域实际上是生物学、工程学和材料科学之间的交界处。

所以，我们正在努力做的是尝试解决生物生物学家长期以来一直试图回答的问题，但尝试以一种以前无法通过引入新技术和新视角来理解这些问题的方式来做到这一点。我们试图解决的主要医学问题之一实际上是器官短缺。我们如何生成可能被移植的三维器官，这样，你知道，因为，你知道，显然像这样的器官专业非常短缺，许多患者需要可移植的器官，而且有大量的等待名单。

因此，我们和组织工程领域的其他人正在努力做的一件事是尝试开发可以制造人造组织的方法。沿着同样的概念，现在存在的主要问题之一，也是在药物发现和寻找新药方面，是我们如何生成更好的模型来代表体外组织，以便我们可以测试药物和化学物质，看看它们对这类组织有什么影响。然后，一旦我们能够正确地做到这一点，那么我们就可以更好地预测哪些药物实际上会有效。

因此，您知道，您知道，药物获得批准后不会被召回和副作用，您可以拥有更好的药物发现过程。微流体设备是我们所说的微尺度技术的一个子部分。关于这些微尺度技术，我，也许我会解释一下从它开始的是什么。

他们试图做的是尝试模仿生物组织或生物系统的复杂性。所以大多数细胞都在几十微米左右。要真正了解这些维度的细胞，您需要拥有能够在长度尺度上设计细胞所看到的内容和细胞所感知的内容的技术，范围从远小于 10 微米到大于 10 微米。

因此，您可以拥有单独的细胞，并且能够纵周围的环境。因此，像微流体这样的系统允许我们做的是尝试，使我们能够非常严格地控制可溶性因子如何输送到细胞。这方面的一个例子是能够有一个微流体通道，并在其中产生 a、趋化因子、生长因子或细胞因子的浓度梯度。

它让我们现在能做的是尝试模拟正常发育过程中或生物系统内发生的情况，其中整个生物体中存在浓度梯度，实际上告诉细胞他们应该做什么。那么，借助微流体系统，我们可以以非常快速受控的方式产生这些类型的生物复杂性，然后直接在暴露于这些浓度梯度或生物生物和空间导向信号的情况下分析细胞行为。组织工程可能起源于大约 20、30 年前，当时的想法是尝试使用可移植细胞并将它们与材料融合，这样我们就可以生成更好的三维组织，实际上最初最初是人们试图获得可生物降解的材料，用它们制造泡沫。

所以，你知道，它们是非常多孔的结构。然后用细胞接种这些泡沫。因此，当细胞在泡沫中四处移动时，它们会定居在特定的地方，随着时间的推移，细胞将开始沉积自己的生物基质。

由于这些材料是可生物降解的，因此这些材料会随着时间的推移而降解，您留下的是一个完全的生物组织。这种方法对一些更简单的器官特别有用，比如软骨。实际上，我们的人造皮肤等产品实际上已经获得了 FDA 的批准。

所以它在临床上是可行的。这种方法可能需要更多帮助的地方是更复杂的结构，例如心脏或肝脏，在这些结构中，您确实具有非常受控的细胞相互作用以及非常受控的微观尺度复杂性和结构。所以组织工程的一个原始想法是，当你放置细胞时，细胞会重新排列自己，实际上会产生一些你在正常身体中看到的复杂性。

但是，这在一定程度上确实发生了，但并不是一直发生。因此，在微观结构水平上的组织工程器官，它仍然与真正的天然生物组织不同。这是因为细胞在发育过程中不会像

因此，对于微观尺度和微尺度上的移动组织工程，我们试图重新捕捉这种复杂性。那么我们该怎么做呢？那么，我们想要产生哪些复杂性呢？

嗯，其中一件事是血管化组织非常非常血管化，而这种供应为组织提供氧气和营养物质以及它需要的其他东西。所以现在很难真正设计出大型组织结构，并能够为所有细胞提供适量的营养和氧气。微尺度技术允许我们做的一件事实际上是有可能直接在我们的三维结构中设计微脉管系统。

微尺度技术允许我们做的另一件事是尝试控制不同细胞类型在这个三维结构中的相互作用。因此，您可能希望在特定结构中有一个细胞类型，并在其旁边有一个次级细胞类型，就像它在体内一样。使用微尺度技术，我们可以尝试在我们的三维结构中重新捕捉存在于体内的这些几何形状和复杂性。

因此，我们不必希望它们会直接在脚手架内部自行组装。存在许多挑战。关于我们如何设计组织，主要挑战之一是，即使我们制造了一个三维组织，我们仍然希望它具有功能性，并且正常组织具有多种机械和生化代谢功能，这些组织工程器官需要，你知道的，为了， 基本上是重新捕捉和模仿。

所以现在的问题是，许多组织工程器官达不到其原生的生物性能。部分问题在于我们现在使用的材料类型，它们不一定针对各种不同的应用进行优化。你知道，我们，我们目前，我们目前仍然需要更好地了解发育的生物学和伤口愈合的生物学，以便能够重建条件，让这些三维支架内的细胞真正进入你知道的，它们在正常发育或正常伤口愈合期间在体内会一直存在，这样我们就可以获得真正模拟真正再生的最终结构，或者， 你知道的，发达的组织。

生物学仍在探索和发展中。所以，你知道，这是生物学的一回事，另一回事是更好的材料。最后，我认为一个大问题仍然是细胞源。

这就是为什么尝试探索替代细胞来源非常重要的原因，因为我们的身体细胞，你知道，它们是成体干细胞，你知道的，你知道的，潜在的潜在可行的细胞来源。还有像胚胎和人们发现的新方法，你知道的，使用皮肤细胞或其他细胞来获得非常原始的细胞，在那里你可以尝试指导它们的分化并获得一个可行的细胞来源。所以我想说这是三个主要问题，你知道，更好的材料，更好地了解生物学，并在未来五年内获得更好的细胞来源。

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，将发生很多变化。我认为很多人现在都意识到，真正研究生物学和生成具有微尺度分辨率的组织是多么重要。我相信，这将是未来几年非常持续的趋势。

我认为另一个方面是，最终产品的人之间会有更多的互动，无论是临床医生，还是 FDA 或其他监管机构，你知道的，基本上是商业人士。所以，那里会有越来越多的互动，与这些实体的互动，与基础研究人员一起尝试真正回过头来，试图看看已经开发的科学商业化的主要问题是什么。我想，我们如何以安全和道德上负责任的方式做到这一点。

所以我认为，从科学上讲，仍然有重大的进步要取得，而且就其他事情而言，仍然会有，很多东西将被制造出来，我认为至少五年将是最初的几步，在接下来的 10 年、15 年里，是这些技术如何真正变得有趣的时候。 具体来说，就组织工程和 IT 而言，这些技术在药物发现分析和事物中的应用，如何用于实际应用，实际上取决于我们谈论的是哪个器官以及我们谈论的是哪种应用。显然，你知道，人造组织的第一个也是最明显的应用是在药物发现领域或诊断领域，在那里你试图更好地理解，获得更好的生理模型，你可以在体外的组织培养中拥有这些模型，并能够分析它们，探测它们以更好地理解生物学，或者探测它们以理解。 你知道的，有效的化学品或药物。我认为，在这个领域，主要的挑战是真正获得尽可能完全地模仿天然组织的东西，这样，如果你的组织结构表明某种东西是有毒的，你可以非常有信心，如果你把它放在动物身上，那么它就会是它。 它会是有毒的，并且会非常预测你会在动物身上得到什么反应。

所以，我认为就实际的治疗应用而言，还有很多障碍需要克服。我认为最主要的是这些治疗剂将如何表现，你知道，短期和长期，因为没有人真正、真正了解外来细胞，比如说，你知道，来自胚胎干细胞的组织工程或干细胞驱动细胞，或者你知道，来自其他人的组织工程或干细胞驱动细胞在， 从长远来看，在我或其他人的身体里。然后另一个，我认为还有其他伦理问题，比如，我们实际上是如何的，你知道的，什么是最好的细胞来源，你知道的，既在伦理上受到挑战，在道德上是负责任的，但在科学和临床上也是可行的，就实际的工程器官而言，我认为，主要问题是你能否拥有既安全又能正常工作的东西，你知道的， 你知道，任何类型的组织工程器官都必须克服很多调节机制。

我认为 FDA 在这一点上开始探索如何真正监管人们为治疗应用而设计的生物组织。我认为这类产品进行商业化有一两个先例，但仍然没有一条非常标准化的路线，你确切地知道从实验室到最终产品会发生什么。对于其中一些人造生物组织，这真的取决于器官。所以对于一些东西，比如皮肤，我们已经有了。

对于像心这样的东西，完整的心，我会说我们离得很远。你知道，我会说也许，你知道，大概 50 岁，你知道，我想非常保守。它可能会更早发生，但要获得正确、具有适当复杂性并像正常生物组织一样正确功能的东西，还有很多挑战。

但我认为，对于像心脏组织这样更小的东西，你知道的，而不是一个完整的心脏，我们更接近。我想说，关于临床应用和实际经过监管程序的东西，有可能在 15 年内真正拥有可以移植的心脏组织片段，你可以做到。我认为其中大部分将处于监管阶段，因为现在批准一种药物需要 12 年时间。

因此，即使我们现在有某种我们认为完美的产品，也至少需要十年时间来确保它是安全的，并且它还能发挥适当的功能，这样我们就可以，你知道，以广泛的方式在病人身上使用它。