组织工程概述

组织工程是再生医学的一个领域，利用细胞、生物材料和生物活性分子来创建、修复或替代组织。天然组织由结构成分——即细胞外基质（ECM）——以及定植于其中的组织特异性细胞组成。工程化组织旨在尽可能模拟天然组织，通过使用天然或人工构建的结构成分与组织特异性细胞来实现这一目标。本视频将介绍组织工程领域的基本概念，演示该领域中一些常用的技术与挑战，并介绍该技术的一些应用方向。

首先，让我们来看一下工程化组织的典型组成成分。组织的构建首先需要使用生物材料制备支架。组织支架旨在提供结构支持并模拟天然的细胞外基质（ECM）。根据所需组织类型的差异，组织支架可呈现多种不同的形态，例如纤维膜或水凝胶。无论何种情况，所使用的生物材料都必须能够促进细胞黏附以及理想的细胞相互作用。此外，也可采用来自供体器官的脱细胞支架，为新组织提供结构支持。下一个组分是细胞。所有组织均依赖活细胞，这些细胞决定了组织类型。例如，成纤维细胞用于构建皮肤，软骨细胞用于构建软骨。工程化组织中所使用的细胞可来源于多种途径。原代细胞是从天然组织中提取的，该过程需要将天然组织切碎并用酶消化以释放细胞。或者，也可使用来自细胞库的继代细胞。然而，这些细胞并非患者特异性，可能引发排斥反应。最后，还可以使用干细胞，这是一类未分化的细胞，能够分化为不同类型的特化细胞，或进行自我复制。为了构建组织，需将选定的细胞接种到组织支架上，并添加必要的生长因子以促进组织形成。接种后的支架随后在静态培养条件下进行培养。或者，也可使用专门的组织培养反应器来接种并培养工程化组织。

在介绍完工程化组织的组成成分后，让我们来看一下该领域中一些常用的方法。组织支架的制备可能是决定组织力学性能的最关键因素。一种常用的支架形态是静电纺丝支架，它由微米级纤维构成的无纺膜组成。静电纺丝通过在装有生物材料的注射器针尖与收集板之间施加电压来实现。由此产生的微纤维不断积聚，直至形成的纤维膜达到支架所需的各项要求。该支架必须具备相互连通的微孔结构，以允许细胞和营养物质迁移；足够的表面积以促进细胞黏附；以及与天然组织相匹配的力学性能。接下来，用于组织生长的一项关键技术是组织培养反应器。通常通过液滴接种或浸没法将细胞接种到组织支架上，并在静态培养条件下使其生长。然而，天然组织（如血管）是在机械刺激环境下发育的。组织培养反应器旨在模拟生理条件，例如动脉中的脉动血流，从而影响动脉内皮细胞和肌细胞的行为与生长。

然而，该领域仍面临诸多挑战。体外工程化组织的主要局限在于缺乏血管系统。天然组织具有血管化结构，可输送营养物质并清除代谢废物。然而，工程化组织严重依赖扩散作用，这限制了营养供应和组织的尺寸。一种实现血管化的策略是利用带有内置血管结构的合成支架，以帮助向组织输送营养物质。尽管工程化组织具有广泛的应用前景，但目前尚难以大规模生产以满足临床应用需求。对于植入用途，需先从患者体内获取细胞，再在支架上进行扩增和培养。这将需要为每位患者单独建立细胞培养系统。除了这些步骤所需的时间较长外，监管方面的挑战以及高昂的成本也使得该技术目前难以广泛实施。

在了解了组织工程领域当前的一些方法与挑战之后，让我们来看看该技术的一些应用。组织工程可用于慢性伤口或烧伤的愈合。其中一种方法是使用含有生长因子但不含细胞的组织支架。脱细胞基质可促进细胞迁移并刺激组织生长。或者，对于较深的伤口，可使用含有细胞的基质，使其整合到宿主组织中。最终，研究人员的目标是能够完全替代受损器官。目前，这一目标主要通过器官培养来实现。首先，将供体器官（例如本例中的肺）进行脱细胞处理，同时保留其天然结构，然后利用患者自身的细胞对肺进行再细胞化。这种方法可减少排斥反应，并避免对供体匹配的依赖。

您刚刚观看了 JoVE 关于组织工程学的概述视频。现在，您应该对该领域中的一些基本概念和方法，以及一些关键挑战和应用有了一定的了解。感谢您的观看。