组织工程学(tissue engineering)是-fl将细胞生物学和材料学相结合进行体外或体内构建组织或器官的新兴学科,是将少量种子细胞在体外扩增后种植于天然的或人工合成的细胞外基质上,经过一段时间的培养后,移植到体内,最终形成具有正常结构和功能的组织或器官,以达到替代修复病变和缺损的组织器官,重建解剖和生理功能 。
一、组织工程基本原理
组织工程技术分为两类:一类称为体外组织工程技术,另一类为体内组织工程技术。
1.体外组织工程技术:基本原理和方法是先从宿主组织中取得宿主细胞,经体外培养扩增后,吸附于一种具有优良细胞相容性并可被机体降解吸收的生物材料上形成复合物,然后将细胞一生物材料复合物植入人体组织、器官的病损部位,在作为细胞生长支架的生物材料逐渐被机体降解吸收
的同时细胞不断增殖、分化,形成新的形态、功能与相应组织、器官一致的组织,达到修复创伤和重建功能的目的 J。
(1)种子细胞:干细胞由于具有增殖和分化的潜能,成为组织工程重要的种子细胞。干细胞按其发育阶段分为胚胎干细胞(Esc)和成体干细胞(ASC)。成体干细胞广泛地存在于成人的多种组织中,具有向一种或几种类型的成熟细胞分化的潜能,具有多能性或专能性。成体干细胞目前已经成为组织工程首选的种子细胞,研究较多的有:造血干细胞、骨髓间充质干细胞、表皮干细胞、真皮成纤维干细胞、肌肉干细胞、神经干细胞、成骨干细胞、内胚层干细胞和视网膜干细胞等_4】。胚胎干细胞因具有无限增殖能力和分化全能性,是最理想的种子细胞,具有良好的应用前景,成为目前研究的热点 】。
(2)支架材料:支架材料起着细胞外基质的作用,是组织工程研究一个重要的方面,它为细胞的停泊、生长、繁殖、新陈代谢、新组织的形成提供支持。目前研究较多的有以下两种:天然生物材料和人工合成的可生物降解聚合物。天然生物材料来源于动植物或人体,由于其与细胞兼容性好,常用来构建组织工程支架,包括胶原、琼脂糖、壳聚糖、透明质酸等。传统的人工合成可降解生物材料具有相对强度高、来源充足、易于加工等特点,已广泛地用于组织工程领域。(3)组织构建:通过模拟体内生理环境,在体外构建不同的组织工程化组织。目前组织工程化皮肤和骨已获成
功 。在组织工程体外构建方面起了关键的推动作用的是生物反应器的发明和应用 】。
2.体内组织工程技术:体内组织工程技术着眼于特异性生物材料的研究,在向体内移植的生物材料中不加入任何活细胞,利用机体自身具有再生能力的细胞重建组织,恢复功能。组织工程生物支架材料共同和基本的要求是:(1)无毒以及具有良好的组织相容性;(2)具有良好的生物可降解
性;(3)不会引发机体的免疫排斥反应;(4)多孔性和加工可塑性。
支架材料在体内组织工程中处于中心地位,分为人工合成材料和天然生物材料。天然材料和合成材料各有特点,若能将二者结合,互取其长,互补其短,堪为理想,成为目前组织工程支架材料发展的方向。目前已有研究着手于这方面 】。(1)传统的高分子人工合成材料:有碳纤维网、硅胶
膜、涤纶布和涤纶丝网、聚丙烯网和膨体聚四氟乙烯等,已广泛用于临床,最近的研究方向是用这些发展中的材料来恢复器官功能,并要求手术创伤最小 。(2)天然生物材料包括:① 同种异体材料:目前应用较多的有羊膜、硬脑膜等,尤以羊膜运用较为成熟,其特点是供源丰富,易于获得,且随着组织工程的进展,羊膜会成为理想的组织修复的可降解生物材料。另外,天然支架即脱细胞组织基质(acellular tissuematrix,ATM)成为当前研究的热点,它是由胶原、蛋白聚糖、糖蛋白、透明质酸、硫酸软骨素等按一定比例和结构构成复杂的有机的统一整体。其优势在于含有有利于细胞吸附的物质,且本身含有许多生物信息(如特定的蛋白质),能使细胞产生和维持各种功能。同人工合成的可降解生物材料相比,因不含有细胞表面受体的特异识别位点,而不易引发受体的免疫排斥反应,增加了组织相容性,降低了感染机会,且可能存在某些复合生长因子,诱导调节细胞的生长和分化等,解决了人工合成材料在孔隙和孔径方面的制作难题。现在报道较多的ATM 是人工脱细胞真皮(acellular dermalmatrix,ADM),具有出色的组织引导性再生作用。目前国外
已商品化并在临床上常用的天然生物材料有脱细胞异体真皮细胞外基质(LifeceU公司生产,商品名AlloDerm):其制备是新鲜尸体皮在1 mo]/L氯化钠中处理15 h后撕去表皮,然后在室温下于o.5% SDS连续振摇1 h去除细胞成分,PBS缓冲液清洗后冻干保存备用。因其去除了包括附件上皮细胞、朗格罕氏细胞和微血管内皮细胞等细胞成分和可溶性蛋白,保留了完整的外观形态和组织结构,尤其保留了基底膜,而最大强度地降低了免疫原性,并且具有三维结构,能引导表皮细胞生长、分化 “。广泛用于尿道重建手术、面部重建手术、牙科手术、皮肤移植供区覆盖、肠瘘修补等 ,亦有用于妇科阴道手术中,最近有报道用于联合吊带修补阴道前壁脱垂手术 引。目前国内常用的商品化真皮替代支架材料有:瑞诺(RENOV)医用组织补片:是采用脱细胞技术,将同种异体组织经过生物学和生物化学的工艺方法处理后,得到的一种天然细胞外基质,保留了细胞外基质成分及三维空间框架结构,是一种真皮替代品。其来源充足,组织相容性好,手术操作简单,损伤小,易成活等特点,修复效果满意,在口腔软组织缺损修复应用理想,在眼科中亦有应用。T·1型脱
细胞异体组织补片:取材于天然的皮肤组织,经特殊的理化处理,将组织中可引起宿主免疫排斥反应的所有成分清除掉,同时完整地保留了原有组织相同的立体支架结构,具有组织诱导作用,主要用于口腔软组织损伤、疝气修补。② 异种异体材料:有猪心包膜、膈肌中心腱、牛腹膜等,最近较新的有小肠黏膜下基质(small intestinal submucosa,sis)。Sis属天然细胞外基质材料,由猪小肠黏膜下层去细胞、化学交联等处理制备而成,具有一定的机械强度,主要成分是胶原(含量超过90%),还含有一定的纤维黏蛋白、硫酸软骨素、透明质酸和多种细胞因子。现国外报道很多,是体内组织工程的代表性材料,在血管替代、生殖泌尿道重建、跟腱和关节韧带修复、腹壁缺损修补、硬脑膜修补方面已得到很好的运用” J。它能很快被所替代的组织吸收,结构具有自我调整的能力,是最有希望实现组织完全性再生的修复材料。
二、组织工程在妇科缺损性疾病中的应用
1.剖宫产术后致腹壁子宫内膜异位症手术造成的腹壁缺损:腹壁子宫内膜异位症临床属少见,虽然由剖宫产术后引起的腹壁内膜异位症发生率低,仅为o.o3% 一o.钾% ,但随着近年剖宫产的增加,剖宫产术后引起的腹壁子宫内膜异位症也越来越引起人们的重视。目前报道病例数较多的是腹壁切口瘢痕内膜异位症,最佳治疗是手术治疗切除病灶,术中若病灶深度达到前鞘下,则有可能腹膜或前鞘切除范围比较大,这时需考虑选择合适的材料覆盖创面。既往多选择皮瓣法,现已有聚丙烯网片法修补切除异位病灶后的腹壁缺损的报道ⅢJ。近年来脱细胞基质材料在外科腹壁缺损的修补中已经得到应用,并取得良好的治疗效果。Hirschu引、An等 应用美国LifeCell公司生产的脱细胞基质材料(Alloderm)进行腹壁缺损的修补,认为对于全层的腹壁缺损,脱细胞基质材料较之合成材料有更好的临床效果。
Butler等 回顾性地观察了13例癌症术后1年以Alloderm进行躯干重建的病人,他们具有补片相关并发症的高风险,结果发现,Alloderm能成功地用于巨大的、复杂的盆腔、胸腹壁等多处缺损的重建,甚至是能直接用于内脏表面(肠管、肺),不管手术部位是否遭受过放射或细菌感染。Franklin等 及Ueno等 应用Sis进行疝修复和腹壁缺损的修复,亦取得了良好的临床效果。由此可以推测,脱细胞基质材料在剖宫产术后腹壁子宫内膜异位症手术所致的腹壁较大缺损修补中有临床应用前景。2.直肠膨出阴道后壁修补:直肠膨出为直肠前壁形成疝凸向阴道腔,导致阴道后壁的膨出,从而引起排便困难,排便不净等多种肠道功能紊乱,常合并有盆腔器官脱垂。有些学者认为经阴道分娩导致直肠阴道壁的局部损伤,是直肠膨出形成的最重要的因素 ],也有其他学者认为直肠膨出是直肠阴道壁全面减弱的结果 J。既往直肠膨出修补手术的客观及主观效果都令人不甚满意,因此,要求手术创新的呼声越来越高。由于对泌尿生殖健康的关注日益增多,人工移植材料修补加强直肠阴道组织的缺损变得日益广泛。现在,由于生物材料可能具有更好组织兼容性,人们对其修补阴道后壁膨出的兴趣越来越浓,近些年来,用生物材料来加强盆底的理念已蔚然成风。用于盆底手术的生物材料可分为三类:同种移植材料(供体是人),自身移植材料(自身供体),异种移植材料(供体是动物)。同种移植材料(Alloderm)有报道应用于阴道后壁修补术,显示了很好的安全性和有效性,使得脱垂的复发率达到最小,能够改善包括便秘、排便不净、大便失禁等肠道功能紊乱,性交困难和反复直肠痛也得到有效缓解 。异种移植材料的优点为供源较易获得,术后感染、移植排斥的风险较低,缺点是用于临床的资料较为缺乏,生产成本较高,病人的耐受性不确定,可能会携带微生物如细菌等。Airman等 在一项直肠膨出修补的研究中评价了生物材料的组织兼容性,研究发现,在异种移植材料修补术后6个月,移植材料与组织的接触面肉眼炎症评估、组织病理学定量(组织炎细胞定量、纤维细胞量、总的细胞量)、相邻组织的密度与术前比较差异无统计学意义,术后1年也无任何临床并发症的产生。也有其他运用人或猪的移植材料来做直肠膨出修补术的临床研究,术后1年并无负面并<
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