組織工程學

A simplified overview of the general methods used in regenerative medicine

組織工程學（Tissue engineering），是指利用生物活性物質，通過體外培養或構建的方法，再造或者修復器官及組織的技術。這個概念由美國國家科學基金委員會在1987年提出，在此後的二十多年間快速發展。

組織工程學涉及到生物學，材料學和工程學等多學科；目前已經能夠再造骨、軟骨、皮膚、腎、肝、消化道及角膜、肌肉、乳房等組織器官。

綜述

Micro-mass cultures of C3H-10T1/2 cells at varied oxygen tensions stained with Alcian blue.

目前被普遍運用的組織工程學的定義，是由 Langer 和 Vacanti 所提出的：

組織工程是結合了工程學以及自然科學為一體的綜合性學科，致力於發展生代材料以修復，替代，提高人體器官及其功能。

組織工程也被定義為理解組織生長的原理，並生產具備功能性以供替代原先組織的臨床使用。另一個描述接著說，組織工程的基本假設是，利用該系統的生物將在更換，維修，保養，和/或增強組織功能的治療策略下取得更大的效益。

組織工程再多領域多層面的研究下，已經發展出一套對於原料與材料之間的應用有著組織性並且十分新穎的策略，例如生物材料科學的進步，幹細胞應用，特殊生長和轉化因子（differentiation factors）的應用，模擬獨特的仿生環境（biomimetic environments），或是利用物理或化學工程改造的細胞外基質（支架的製程），細胞和生物活性分子之間的組合製備等等。而組織工程目前所遇到的困難主要是如何穩定培養更具複雜性的組織以及如何有效利用實驗室培養出的組織進行移植以及新生組織在生物力學穩定性。

組織工程的持續發展將增長從工程和組織基礎研究同時也會增進組織（tissue）、基質（matrix）、生長因子（growth factor）、幹細胞（stem cell）和發育生物學（developmental biology）、材料科學（materials science）和生物信息學（bioinformatics）的這些學科的融合與應用。

組織工程學的三個要素

細胞

細胞是一切生物組織最基本的結構單位。幹細胞是人體內一種有潛力能夠分化為其他類型細胞的特別的細胞，也是生物工程廣泛研究和利用的一種手段。

細胞收集與純化

從液體組織，例如血液，通常會利用離心或單採血液成分萃取（apheresis）出目標細胞後再進行細胞增生。而從固體組織，純化困難程度較高。通常將組織切碎，然後用胰蛋白酶（trypsin）消化酶或膠原蛋白酶（collagenase）以除去細胞外基質（extracellular matrix）以方便保存的細胞。此時細胞是自由浮動的，之後利用離心法或單採血液成分萃取。

胰蛋白酶作用對溫度敏感性高。在較高的溫度下分解胞外基質速度快，但高溫下相對對細胞的傷害較大。膠原酶作用對溫度敏感性低，對細胞的傷害也較少，但需要更長的時間進行反應，期間會消耗大量昂貴的試劑。

使用細胞的種類

一般會利用細胞的來源作為分類依據

• 自體細胞（Autologous cells）是從同一個人的細胞取出後重新植入目標區進行組織再生，自體細胞移植具有最少的問題，像是免疫排斥或是病原體的傳播，但是，在某些情況下可能不可用。例如，有遺傳性疾病的自體細胞不可使用，或者是很患部病灶嚴重的患者（例如:嚴重燒傷）或年長者，可能沒有足夠數量的自體細胞建立有用的細胞株。此外，由於這一類的細胞必須從患者體內採集，此時也需要顧慮在執行這樣的手術操作是否會導致供體部位（donor site）的感染或慢性疼痛，而這兩者間的取捨必須經過縝密評估後再進行抉擇。

由於這類細胞株要從採集到的樣品中進行培養後才能使用，十分花費時間。最近出現了傾向使用來自骨髓和脂肪間葉幹細胞在進行分化（包括骨骼、軟骨、脂肪和神經）的方法，能利用誘導的方式大量分化並產生所需要的細胞。

支架

支架是用於支撐細胞成長為一個完整的組織的框架材料。

生長信息

用於引導和協調組織內細胞活動的各種方法，目前已知的能夠影響細胞活動的生長信息包括各種蛋白質因子和電信號。

組織工程學的醫療應用情況

骨骼缺損修復

傳統臨床使的植骨材料主要分為自體骨、同種異體骨、經特殊處理的異種骨和人工骨材料等，這些手段但都存在適用性和併發症等缺陷。隨著組織工程學技術的發展，改變了治療骨缺損的傳統治療模式。而通過組織工程學手段體外培養骨骼組織作為修復材料，則沒有其它手段的各種缺點，可以達到理想的效果。

角膜

通過體外培養角膜，再移植回人體，讓因為角膜缺失或損壞而失明的人士恢復視力。

皮膚

對於被燒傷、炎症等因素損害的皮膚，通過體外培養皮膚組織移植人體，達到修復皮膚的外形和功能的目的。

血管

心血管疾病包括冠狀動脈閉塞、外周動脈疾病、和其他血管損傷等是急需應用人造血管的例子。不同類型的人造血管已透過許多不同血管組織工程的方法研發出來。 可作血管移植人造血管的例子包括預先種植細胞的人造血管、 由脫細胞血管或用合成生物材料製成的血管。

參見

• 生體模仿學

參考文獻

• Davis, M.E., et al., Injectable Self-Assembling Peptide Nanofibers Create Intramyocardial Microenvironments for Endothelial Cells. Circulation 111:442-450 (2005).