［摘要］组织工程将工程学和生命科学的原理和方法应用于制造生物替代物以恢复、维持和改善生物体的功能。这是一个极其重要的研究领域，已在全世界范围内兴起。在美国，自1988年以来，在国家科学基金会的积极推动下，通过课题研究以及一系列该领域的专家小组讨论会，组织工程研究已经拉开帷幕。本文首先简要地回顾美国的组织工程研究活动缘起，然后将论题集中在作为组织工程基础的细胞培养技术方面，再讨论一些应用的例子，包括人工皮肤和包封细胞在人工生物器官开发中的应用；对培养中的血管重建方法也作了简要讨论，这种重建血管的方法既在基础研究中应用，也在外科分流术中作为一种人工血管来植入。最后提到了组织工程其它的一些潜在应用以及这门技术未来发展的一般领域。
1. 引 言
在医学和生物工程领域中，组织工程方面的研究活动先于其名称的出现。虽然组织工程仍处在其幼年期并在不断地展开、深入，但仍可给它下一个可操作性的定义：
组织工程是指应用工程学和生物科学的原理与方法来7解正常或病理状态下哺乳动物组织的结构与功能关系，并开发生物组织替代物以达到恢复、维持或改善生物体功能的目的。
上述定义其实暗示了组织工程的基本思路，即将活的细胞与胞外基质成分（自然的或人工合成的）放在一起培养成可植入体内的生物替代材料或部件以进行生物体的功能恢复或功能替代。
在美国，“组织工程”（tissue engineering）一词，最早出现在1987年春天在华盛顿国家科学基金会（NSF）召开的一次生物工程专家小组会议上。这次专家小组会是在NSF工程部范围内召开的，主要议题本意是讨论生物工程与其研究中攻关项目的资助（BRAH）问题以及这些项目的未来发展。讨论是在BRAH与生物技术（BIOTECH）这两方面的项目主管之间进行的，结果，他们指出，似乎有一种称为“组织工程”的活动在他们所管辖的层面之间进行，即BRAH项目着眼于整个器官，而BIOTECH项目则着眼于对同系细胞的培养，显然这两者之间需要以“组织工程”这样的桥梁来衔接。“组织工程”这个词汇所表达的思路一经提出，就引出了同年10月仍然由NSF主持的关于组织工程的一次专题会议，会议代表来自健康研究院（NIH）、海军研究局（ONR）、能源部（DOE）、国家航空与宇航局（NASA）、红十字会以及一些大学中有关细胞生物学、医学和生物工程等领域中的专家学者。结果，组织工程作为一门崭露头角的新技术就由NSF确定了下来，并作为前沿领域来资助。
在组织工程领域内，还将不断地举行专家小组会或专门会议，但上面提到的这三次会议，其中的每一次都很重要，它们按组织工程特有的科学逻辑摆开了这门崭新技术发展的阵列，它们都是组织工程这门崭新技术领域兴起的一个良好开端。这个新技术领域的一个关键技术是对活细胞的使用，这是组织工程的一个重要基础。
2. 细胞培养技术
假如活细胞是可植入材料或部件的组织工程化的关键，那么哺乳动物细胞培养技术的出现（即哺乳动物细胞在体外的生长）是组织工程发展的一个重要的事件，即由此打开了组织工程领域的一扇大门。现代细胞培养可追溯到本世纪早些时候在纽约洛克菲勒研究所工作的法国科学家奥莱克西斯 · 卡瑞尔（Alexis Carrel）所开始的对鸡胚心肌组织小切片的培养（Leff，1983）；虽然除了成纤维细胞能够继续增殖外，对心肌细胞的培养并未成功，但这种培养细胞的方法持续了几十年。历史上卡瑞尔对鸡细胞的培养从开始一直进行了整整34年，在他本人去死之后还延续了2年。
细胞培养已经为生命科学中许多重要的开创性研究工作铺了一条必经之道，这包括对细胞分子生物学过程的研究、对细胞进行遗传工程操作的可能性研究和近来许多在药物相关性研究基础上的新药开发项目以及基于重组DNA技术的产品开发等。
虽然，工程界进入细胞培养领域的步划一直很慢，但细胞培养技术的发展确实需要工程界的参与，范围包括从细胞培养的基本过程（尤其是将这些过程放大到某种比实验室半敞开系统还要大的系统中）到泵、密封、过滤系统等诸如此类适用于细胞培养的装置的设计与制造。如对哺乳动物细胞的连续培养，无论是贴壁的还是悬浮的都需要工程界末解决相应的工程问题。一个已经弄清的生物力学事实是哺乳动物细胞的易脆性，因此在培养罐中给它提供必要的营养而作物质传输的同时应避免对它的损害；在这样一个过程中还应当及时地去除杂质，并且对温度与p H值要加以控制，显然这会涉及到许多力学与工程问题。
另外，细胞的生长受各种各样因素的影响，包括介质的组成、（对贴壁依赖细胞）细胞所粘附的表面以及细胞锚定处的力学环境。已有许多研究表明力学因素对细胞的生长起调控作用，如在培养的血管内皮细胞（ECs）上作用着由层流引起的摩擦剪切应力，作为对剪切应力作用的一种响应，沿着流动方向，血管ECs的形状将沿其主轴伸长，显然这会引起细胞功能发生重要的变化。
许多年以前，美国密苏里州圣 · 路易斯市的Invitron公司曾以如下的标题作广告：
培养技术的革命已经开始！
这无疑是十分恰当的，没有其它技术比组织工程这门新技术的出现更迫切需要细胞培养技术的进步。组织工程的一个关键是对特定细胞和基质分子在培养过程中重建组织和器官类似物的掌握。
3. 人工皮肤
组织工程中的一个能明确显示细胞培养技术重要性的极好例子是人工皮肤。这里使用“人工”这一词眼的意义必须有所限定，因为由于使用了活的细胞及基质分子，许多进展的取得都是十分“自然”的。最早致力于组织工程研究和人工皮肤开发的是坐落在马萨诸塞州剑桥的Organogenesis公司。这家公司将取自新生儿的包皮细胞、真皮成纤维细胞与胞外基质“混合”在一起，然后将人的表皮细胞添加到这种混合层之上继续进行培养，结果它们生长成为一种活的皮肤类似物。这种方法表明，让细胞与基质分子混合在一起这一步是必须的，只有使基质分子包绕细胞，才可能形成组织。
大约在1990年以前，Organogenesis公司已开始了应用这种皮肤类似物，植到人体上的临床试验。虽然处于初期，但临床试验结果反映良好。此外，他们还开发出丁一种离体的皮肤样品，可以应用于皮肤病学研究和测量细胞的成活力。以Testskin为商标的两种人工皮肤，已在市场上出售，其中一种是活的真皮类似物，亦即无表皮细胞的皮肤；另一种是活的皮肤类似物，如上所描述过的那样。Testskin的用途之一是测试化妆品的毒性。
另一种类型的人工皮肤移植物是由Ioannis Yannas博士和其合作者开发成功的。这种人工皮肤所含的孔隙度较高的胶原基质可用作移植时的模板，当皮肤移植物贴在伤口上时，成纤维细胞从周围组织处迁移过来进入此“海绵状”的胶原之中并分泌新的胶原蛋白，而原有的“模板”基质将慢慢地降解掉；来自于伤口边缘的表皮细胞将向伤口中央生长，并覆盖整个移植区域。在这整个过程中，一种硅胶片自始至终覆盖在伤口上，这可以防止组织液的损失和细菌感染，并且在治愈过程中提供机械强度。在一种更为先进的人工皮肤中，基质由从接受治疗者的活检小组织块中分离出来的细胞所覆盖。
还有一种进入市场的人工皮肤来自加利福尼亚La jolla的Marrow-Tech公司，这家公司已开发出一种含有真皮细胞和表皮细胞的皮肤类似物，与Organogenesis公司的产品相比较，这种皮肤类似物所不同的是其中的细胞被培养在可以降解的多聚羟基乙酸或聚乳酸的基质网上，这层网可以给病人自身的真皮细胞提供一个生长的基础。Marrow-Tech已应用这种技术开发了一种可在市场上销售的产品，其商标为“Skin2”（皮肤平方）。实际上，这是一种毒性过滤系统，里面所含的培养物可有效地促进人体皮肤组织的生长。另外，该公司已获得政府许可开始了将其产品用于烧伤病人的临床试验。这种三维的真皮替代物在市场上以商标为“Derma Graft”出售。
马萨诸塞州剑桥的Biosurtace公司推出了用另-种方法开发的人工皮肤。事实上这是第一种皮肤替代物，由哈佛医学院格林（Howard Green）博上的实验室所开发。格林博士设计的这种皮肤替代物实际上是一种可以把烧伤患者身上的一小块皮肤生长成人角质细胞层（即外层的表皮细胞）的培养系统。
这样，已有许多公司在人工皮肤的组织工程化方面积极地开拓着商品市场。与这种用组织工程技术开发的第一种产品即人工皮肤同样重要的是，组织工程这门异军突起的技术还有许多其它的应用领域。
4. 包封细胞
组织工程的又一个重要领域是基于对培养细胞的包封来开发生物替代物，在对细胞包封体的设计中存在者许多重要的工程问题，它们是 :’'
（1）形状；（2）孔隙与宏观结构；（3）表面微结构与化学；（4）植入位置的选择。
形状的重要在于相应功能的需要。孔隙与宏观结构影响到所植入细胞的营养传输。微观结构与表面化学会影响到细胞的粘附与生长情况，也会影响到其功能的正常发挥与否。而植入位置选择的合理与否不仅会影响包封体的空间扩展维数与大小，而且会影响到整个包封体的有效性。
包封细胞应用的一个重要方面是生物人工器官的开发，这在人工胰脏、人工肝脏和人工肾脏方面的开发方面尤其一直感兴趣。由于免疫排斥，移植胰脏的手术一直难于成功；一条出路是可植入式胰岛素泵的开发，然而，这也绝对不是没有问题。这样，人们自然把兴趣集中到对人工的生物胰脏的开发上面。
对生物人工胰脏，已有几个可能的设计方案，其中之一就涉及到使用胰岛细胞的微胶囊包封。在这样一种包封体中，分泌胰岛素的胰岛细胞由一层半透膜所包绕，要求这层半透膜必须对胰岛素能够通透，使它能进入血流之中。此外胰岛细胞尚需要营养、氧气和其它能维持代谢功能的必要物质。然而，这种膜尚须避免细菌、淋巴细胞和其它能引起免疫排斥反应的蛋白的感染。在设计中遇到的重要问题是对葡萄糖水平变化的快速反应能力，以及胰岛细胞的生存和分泌胰岛素的持久性。持久性的重要，部分反映在随着荷尔蒙的增加，胰岛细胞的功能会不会发生变化。在所有这些方面，经过微包封的胰岛细胞的功能均表现得相当不错。然而，一个问题是胰岛素的产率仍处于一个较低的水平。
组织工程中细胞包封技术还应用在其它方面。Cima等（1991）的研究表明，至少在小动物中，包封在可降解的多聚物基质中，肝细胞和软骨细胞均可以成功地移植；神经缺陷也可用将包封细胞移植到脑中通过释放所缺失的神经递质的方法来治疗。Aebischen等已研究了分泌多巴胺的包封细胞可以逆转实验性的帕金森病的能力。
最后要提到的是，细胞包封技术可能会在血液代用品即人工血液的市场开发中得到应用。目前，有关人工血液的工作都是基于血红蛋白的化学交联，且绝大多数情况下采用的是牛血红蛋白。然而这方面存在许多潜在的问题，这些问题涉及到交联的充分性，对引入体内的牛血红蛋白的反应等。因此，微包封技术的使用，连同干细胞培养和造血控制一起，在未来将证明是十分重要的。事实上，Marrow-Tech公司希望能成为培养出骨髄的第一家公司，一旦将培养骨髄输入人体即可进行增殖，并且能够提供身体所需要的血细胞。
5. 在培养中重建血管
组织工程技术还可应用于人工血管的开发之中，人工血管可以用于血管分流和患病动脉的替代。许多研究小组一直来对用细胞培养技术开发这种组织工程化的血管替代物发生兴趣。许多的工作都集中在血管移植物的杂合上，即移植物不再用诸如涤纶（聚苯二甲酸乙二酯纤维）或聚四氟乙烯（PTFE）这样的合成材料来构造，而是先将培养的内皮细胞（ECs）种植到移植物上以提供一个与血液相接触的自然层面。显然，从移植物的公开数量在增加这一事实，可见其初步结果是令人鼓舞的，但显然这仅仅是对真实的、活的血管的部分模拟。
另有一些研究小组试图将ECs和平滑肌细胞（SMCs）进行共培养用于构建人工血管。Jones在组织培养皿中使克隆了的牛肺动脉ECs生长在鼠的ECs上，试图以此来构建血管。他发现当这两种细胞在一起生长时，表现出不同的行为。ECs很快地贴到塑料上，而平滑肌细胞层则贴得慢些；然而，这种混合培养很稳定，可以维持到6个月而不从培养皿上脱落。Weinberg和Bell用牛主动脉的ECs、SMCs和外膜成纤维细胞构建了一条人工血管。它由三层构造，一层是ECs层，一层是带有胶原纤维的SMCs层，另一层是成纤维细胞和胶原纤维层。ECs层长成了扁平的单层，覆盖了表面的90%以上，并且对大分子如白蛋白等起着通透屏障的作用。ECs也被观察到可以释放Prostacyclin（PGLs）和产生Von Willibrand因子。后来Van Buul Wortelboer等将人脐静脉ECs培养在处于牛皮肤胶原中的人脐动脉SMCs之上。他们发现与培养在塑料器皿中时ECs所呈的卵形相比，当与MCs—起生长时它变长了。这种人工血管可稳定到10天，之后，其胶原由SMCs胶原酶所降解。并且，在与ECs—起共培养时，SMCs的生长率是较低的，这种抑制效应可在融合的和低融合的ECs中观察到。
生物人工血管的开发，作为一个例子，涉及到本文引言中所给定义中的所强调的两个方面；在达到生物替代物（在这种情况下，人工血管至少部分由活细胞构成）的目标之前，人们必须对血管生物学的结构/功能关系的内在本质有深入了解。这就涉及到对血管ECs和SMCs的结构与功能、它们之间的相互作用、胞外基质所起的作用（包括机械应力在内的环境对ECs和SMCs的影响）。如前所述，在稳定层流的作用下，血管ECs形状变长，其主轴则沿着流动方向排列，并且作为对流动的部分适应，EC发生着许多在结构与功能上的变化，表1对此作了概括。此外，在脉动流的作用下，虽然定性的变化是相似的，但定量时就有所不同，因而血管ECs可以区分出不同类型的流动环境。
在体的ECs处在一个流动的环境中。因而，对静态培养中的血管内皮细胞生物学的研究，可以想象得到，最好的结果是模拟出流动粘滞区域的情形，最坏的情形则是给出一种膺象。此外，ECs对不同的流动环境作出不同的反应，因而，当我们谈到流动时，不应当只把它视为一种简单的刺激。正如存在着不同类型的化学性主动肌（它们每一种都有各自独立的效应）一样，也存在着不同类型的流动性“主动肌”，即各种类型的流动环境；它们每一种都有各自的“主动肌”效应。因而，假如我们要把细胞培养的环境进行工程化以使它能真实模拟生理条件的话，那么对血管生物学的研究与对细胞培养的研究实际上同样重要；显然，这里有许多工作需要去做，除了要造就一个真实的流动环境，还必须弄清它对相应的基质、胞外基质成分和相邻细胞的作用等。
这些结果对组织工程化的血管移植物的开发也有意义。如果必须要求ECs处于低的翻转率，以与在体血管内皮中的情形有可比性，那么仅简单地将EC预种植到一种合成材料上是不可能满足这种要求的*而必须采用EC-SMC共培养，方可达成完整血管的重建，有几个研究小组正致力于这方面的研究。
心血管病治疗的一条可选途径是基因治疗，在这种方法中，细胞先进行遗传修饰以增强所需物质如血栓降解的组织血浆酶原、（血）纤维蛋白溶酶原的活性，然后植入体内。虽然重组DNA技术的使用基本上是分子生物学方法，但这种技术的一个重要的方面是运载体的开发，以将细胞引入心血管系统，开发运载体的一条途径是通过植有被遗传修饰了的ECs的血管移植物来引入，因而这又要求我们回过头来进一步发展组织工程化的血管修复术。
目前，我们在Georgia Tech的实验室里正在运用血管细胞生物学知识及对物理力作用的深入认识来开发一种组织工程化的血管替代物，初步的目标集中在对血管壁模型的开发。这种模型血管壁包括一单层ECs，其下是一层居于I型胶原基质中的SMCs。该模型被置于平行板流动腔中以作流动对它的影响研究。
组织工程血管的下一步工作是向构建管状构造的共培养EC-SMC模型方向迈进；虽然这种管状的共培养模型已成功地构建，但尚有许多问题需要进一步弄清；其一是血管收缩表型中的什么因素在维持着SMC？其二，什么方法可以用来提高胶原基质中的SMC密度？其三是这种管状构造的力学特性问题，显然，胶原不能提供适当的弹性，这就需要将其它适合的材料添加到这个复合的结构之中，……等等。
6. 其它
目前，组织工程还有其它许多方面引起了人们的注意，包括矫形植入物和神经假体。虽然每一个方面在各自的领域中都十分重要，但神经方面也许会提出最大的挑战。
在适当的条件下，中枢神经系统与周围神经系统似乎有相当大的再生能力，对于周围神经系统，Aebicher等用合成材料来连接损伤处的间隙，在效果上相当于提供了一个引导性的通道，它可以帮助受损的轴突周围重新生长。Khan等对用于使受伤轴突重新生长的支架物碳胶片的作用能力进行了研究。他们得出这样的结论，通过这种碳胶片提供的表面，既可以促进细胞粘附也可作为一种生长的引导物，因而具有临床利用价值。事实上，一个极其重要的方面是细胞表面之间的相互作用，以及如何修饰这种表面以产生特定类型的细胞行为。
组织工程另一个重要领域是药物传输。新近的研究进展表明存在着许多类型的药物传输方法，其一是通过对药物进行化学修饰有选择地改变那些对它在体内分布具有重要影响的特性。这方面的一个例子是在进行药物设计时让它能通过一般情形下不能通进的屏障，这会在克服血脑屏障方面有重要应用。其二是把药物包封在微囊中，将它注入血流。这种微囊是微小的散粒或胶体运载体，一般由蛋白质、脂质、碳氢化合物和聚合物这样的物质组成，控释系统是新近发展起来的另一种药物传输方法，在这种方法中，通过将药物置于一种聚合材料中可以预先决定药物传递的速率。应当注意到聚合物控释技术的另一个重要应用是体内化学浓度连续测量的传感器开发。这方面的一个例子是通过测定控释系统释放物的荧光能量可以帮助确定药物靶向的位置。
组织工程研究活动在医学装置与生物技术产业之间的界面上，它也涉及到从基础科学到工程化产品，即科学技术的商品化这样一个转化过程。为了在得组织工程化的活组织，需要对组织的结构——功能关系有基本的了解，只有当人们提高了对细胞活动的控制能力，并能控制细胞与组织的行为，各种各样的组织工程应用才能成为现实。