第12章 组织工程学原理
Anthony Atala,MD
再生医学:组织和器官的重建策略
治疗细胞的来源
泌尿生殖系统再生医学的生物材料和血管化
泌尿系统结构的再生医学
泌尿外科是最早成功进行人体器官移植的专科。1955年,肾脏成为第一个被完整移植的器官(Guild et al,1955)。20世纪60年代初期,Murary进行了1例无亲属关系患者的肾脏移植手术,因此获得了诺贝尔医学奖。这次移植克服了免疫屏障,标志着医学治疗的新纪元,为人体各系统器官移植开了先河。但是,缺乏有效的免疫抑制,又无监测和控制排斥反应的手段以及供体器官的严重短缺等限制了移植的发展,促使人们寻找新的方法。(https://www.daowen.com)
随着时代的进步,合成材料开始用于重建或替代病变组织及器官。新的材料不断涌现,以聚四氟乙烯树脂(特氟龙)和硅胶材料为原料的医疗制品开始在体内大量应用。虽然有些材料可以在结构上替代原有组织,但在功能上还是不尽如人意。
随着生命科学及技术的进步如细胞收集、培养、扩增等新技术开展,人们对机体的认识也不断更新。细胞生物学、分子生物学以及生物化学领域也在迅速发展。而且,对细胞外基质(extracellular matrix,ECM)及其与细胞间相互作用、生长因子及其配体的研究使我们对细胞和组织生长、分化有了更深刻的理解。20世纪70年代细胞移植概念在研究领域占据了主导地位,首次进行了人类骨髓细胞移植。
20世纪70年代,研究者们将材料学和细胞生物学结合起来,创造了一个新的领域,命名为组织工程学。当更多的来自不同学科的科学家为了组织替代这一共同目标而努力时,组织工程学领域的发展变得更加稳固。组织工程学的定义为:应用工程学和生命科学的原理来研究开发用于维持、恢复或改善组织功能的生物替代的一个多学科领域(Atalaand Lanza,2001)。首次使用组织工程这个词汇可以追溯到1985年的角膜组织移植(Wolter et al,1985)。
20世纪80年代早期,小鼠胚胎干细胞(hESCs)的发现推动了干细胞领域的蓬勃发展(Martin,1981)。然而,在1998年对人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESCs)进行描述(Thomson et al,1998)之前,该领域一直停滞不前。对这些细胞的描述成了医学领域最激烈的伦理争议之一。仅仅一年之后,媒体宣布成功培育了第一只克隆哺乳动物——多利绵羊(Wilmut et al,1997),全世界都为之惊讶。虽然克隆或核移植在两栖动物和其他动物模型中进行了很多年的研究,这次哺乳动物试验的成功就再次表明,那些科学上被认为禁区的理念确实是可能的。
细胞移植、组织工程和核移植领域都有一个统一的概念——活体组织(器官)的再生。因此,1999年,当时人类基因组学的创始人兼首席执行官William Haseltine创造了“再生医学”一词,实际上将所有这些领域都纳入了一个特定领域(Haseltine,1999)。不久,该领域的首个在线期刊“再生医学”与再生医学协会一起成立。
器官移植仍然是器官功能严重受损患者的主要治疗方法。尽管提倡增加获取移植器官的数量,但是,需要器官移植患者的数量远远超过了器官供应量,而且随着全球人口老龄化,这种器官供体短缺情况预计会恶化。再生医学可以用来代替器官移植。在过去的20年中,科学家们试图通过应用再生医学技术为人体的各种组织培养干细胞、工程组织并设计治疗方法。本章回顾了泌尿生殖领域再生医学取得的一些进展。