心肌组织工程研究日新月异
当前，心脏疾病具有很高的发病率和死亡率，严重威胁人类的生存和生活质量。由于心肌不像心瓣膜或血管，没有可用来替换的组织或生物材料，因此，心血管再生医学与组织工程领域中面临的最大挑战就是如何再造组织工程化心肌组织。近年来，随着组织工程技术、干细胞技术和生物材料等的快速发展，使得?br>体内外制造工程化心肌组织成为可能。军事医学科学院组织工程研究中心王常勇研究员等在日前举行的香山科学会议上，介绍了心肌组织工程研究的新进展。
■工程化心肌组织构建研究仍有难点
早在1999年，美国、加拿大以及欧洲的一些组织工程知名专家提出“活体器官移植工程计划”，希望在十年内复制出完整心脏。但因意识到再造完整心脏技术的复杂性和难度，目前研究人员已经将制造“完整心脏”这一理想目标过渡为再造“具有临床治疗功能的心肌组织”这一现实目标。
据王常勇研究员介绍，Kofidis等在2002年通过在市售的三维胶原支架上种植乳鼠心室肌细胞，构建了工程化心肌组织。这种人造的心肌组织持续有节奏地同步收缩了13周之久。日本研究人员还发明了一种不依靠支架材料提供支持的新方法，用这种方法构建的心肌组织片仍具有节律性收缩能力并且有血管组织的长入。
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近年来，各国研究人员所进行的各种实验为心脏再生医学研究提供了研究肌浆蛋白、心肌生理学、生物学和体内药理学的有效模型，给工程化心肌组织修补或者替换梗死心肌组织带来了希望。尽管如此，人类要想成功再造出具有临床治疗性作用的心肌组织还需要克服许多障碍。Zimmermann等在2004年提出组织工程化心肌组织再造的具体标准要求：再造心肌组织应具备收缩性；电生理稳定性；机械活动有力且有弹性；血管化或者至少在移植后很快生成血管；无免疫原性。但目前的研究尚无法再造出符合上述所有标准的工程化心肌组织，实验中再造出来的心肌组织多是满足了上述标准中一条或者几条的要求。
■生物反应器研究成为焦点
近年来，随着组织工程研究的不断深入，人们逐渐认识到，适宜的体外培养环境对细胞支架复合体进一步发育成人体心肌组织发挥着重要作用。在此基础上，科研人员开展了大量研究以使复合体体外培养环境尽可能模拟体内人体组织自然生长的内环境。搅拌式生物反应器是最常用的一种生物反应器。但是，这种生物反应器对于心肌细胞或许不是最好的，构建物表面强烈的液体流动经常产生漩涡可能损伤种子细胞。随后由美国研究人员研制成功的旋转式细胞培养系统，也被成功用于心肌组织的体外培育。研究结果表明，该生物反应器有利于组织工程化心肌的体外再生，可以形成具有节律性收缩的心肌组织。除旋转式生物反应器、搅拌式生物反应器外，灌注式生物反应器等其他类型的生物反应器也是近年来研究人员关注的焦点。
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■促血管生长因子研究已有收获
体外三维细胞构建物通常缺少血管网络，组织工程支架最重要的一个功能就是促进血管渗透生长的能力。体内植入后，工程化心肌将会生存于缺氧的状态下，直到新的血管长入来维持其活力和功能。植入的心肌细胞对延长的缺氧期非常敏感，可能会坏死或凋亡。因此，必须要使临床应用心肌组织移植物有较强的血管生成能力，以维持其生长和存活。
血管增生的程度取决于移植细胞的方式和宿主细胞释放到工程化组织微环境的起调节作用分子。血管增生包括出芽和非出芽两种方式。出芽方式主是已经存在的血管分支形成的，非出芽方式是由于造血前体细胞参与正在生长的血管层中形成的。在成人中，大量的血管内皮细胞由于细胞之间的接触抑制现象处于静止状态，血管内皮细胞由静止向血管化的转变是在低氧等特殊的刺激条件下发生的，一旦完成血管化过程，新生血管网成熟，血管内皮细胞就重新回复到静止的形态。
王常勇研究员说，当暴露于血管化的刺激条件下时，微血管的血管内皮细胞就通过其特定的程序建立起血管网。有几种生长因子是内皮细胞转化的刺激因素，血管内皮细胞有特殊的表面受体能捕捉这些因子并将其信号传入细胞核内。过去十年肿瘤生物学的研究已经发现了一大类的血管化因子，其中血管内皮细胞生长化因子(VEGF)和成纤维细胞生长因子(FGF)是两个被认定的重要的血管化因子。
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近年来研究人员正在积极研制有利于血管网形成的新型弹性支架材料，以及通过在构建组织中复合促血管生成的生长因子、血管内皮细胞等措施来促进再造心肌血管化。
除了VEGF和FGF是两个被公认的重要的直接成血管因子外，另一大类的成血管因子并没有直接作用于血管内皮细胞，这些因子是间接成血管因子，包括血小板衍生生长因子(PDGF)、转化生长因子(TGF)-β和促血细胞生成素(Ang)等。
促血管生长因子已经被应用到生物组织工程领域，并且起到了促进血管生长的作用。如Perets等在2003年报道构建出一种新的藻酸盐多孔支架材料，它结合聚乳酸羟基乙酸微球能够控制促血管生长因子，如碱性成纤维生长因子。体外实验中，多孔支架材料中的碱性成纤维生长因子被可控地释放并且能促进心肌成纤维细胞生长，证明其具有生物活性。
■原位再生研究是重要方向
, http://www.100md.com 应用原位再生方法进行心肌再生研究正在被更多的研究者尝试，心脏原位再生被认为是今后的一个研究热点。现在有越来越多的证据表明：心脏具有自我再生的能力。在这种方法中，研究人员将支架植入到受损的心肌上，当支架被血管化后，就为植入的心肌细胞创建了一个舒适的环境和空间。为加速植入支架的血管生成和嫁接，可通过向其注入生物活性分子来提高它的发育和生存能力，以及增强干细胞的自我导引和修复能力。现在有越来越多的证据证明心脏包含固有的祖细胞，能被诱导形成心肌和血管组织。这些祖细胞能分化成心肌细胞，从而修复梗死的心肌。原位组织工程的一个重要优势就是使应用基于导管的方法成为可能，同时也避免了对外科胸廓切开术。
王常勇研究员认为，应用生物活性材料体内移植是原位再生一个重要研究方向，该方法应用生物材料本身或者它的降解产物可以刺激局部组织的修复。应用生物活性分子的原位再生方法是通过直接释放若干种细胞因子来刺激受损心肌的原位再生，这些细胞因子可以诱导骨髓来源的原始干细胞分化为内皮细胞甚至是心肌细胞，从而对梗死心肌进行修复。这些细胞因子包括粒细胞集落刺激因子(G-CSF)等，它们除了能够扩增和动员骨髓来源的祖细胞外，可能还具有直接的心肌保护作用。上述细胞因子介导的再生治疗可能发展成心肌梗死的一种新的治疗策略。
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■可注射支架前景看好
尽管当前心肌组织工程中大部分工作都是围绕可移植的支架展开的，但是，许多利用细胞或基因运输来修复梗死心肌的策略正在朝向基于导管的方法发展。可注射的支架提供了一个基质支持，在支架里细胞得以保留和迁移，新的血管也得以生长。Christman于2004年对纤维蛋白胶的作用进行了研究，证明它可以作为一种可注射的支架材料，而这种生物活性的纤维蛋白支架内也可以发生血管生成。已经有多项研究工作表明，可注射的生物材料能够作为一种细胞移植的基质，促进梗死心肌的新血管生成和修复。王常勇研究员说，可注射的生物活性材料为实现用适当的细胞治疗心肌梗死提供了一种可行的解决方法，同时也给基于导管的可注射的组织工程带来了光明的前景。
王常勇研究员最后表示，近年来的研究表明，人类制造或再生由于损伤、衰老、疾病、基因变异而损伤的心肌组织，具有可行性和广阔的临床应用前景。尽管如此，心脏再生医学和组织工程研究仍然面临着巨大的挑战，设计、制造出能适合心肌细胞生存和心肌组织形成的新型生物活性支架本身就是一个难点，同时研究人员还需不断完善促使再造心肌组织血管生成和神经分布的策略，要优化体外再造心肌组织培育的环境。此外，加强人类对调节心肌组织的形成、功能和衰竭的基本原理的理解，包括将各种细胞类型和生物材料组装成多维结构，从而模拟天然心肌的结构和功能等也非常重要。他强调，人类实现“再造心脏”这一雄心勃勃的目标还有赖于从事生命科学和工程科学众多领域的专家们长期不懈的努力。
(潘锋), http://www.100md.com
■工程化心肌组织构建研究仍有难点
早在1999年，美国、加拿大以及欧洲的一些组织工程知名专家提出“活体器官移植工程计划”，希望在十年内复制出完整心脏。但因意识到再造完整心脏技术的复杂性和难度，目前研究人员已经将制造“完整心脏”这一理想目标过渡为再造“具有临床治疗功能的心肌组织”这一现实目标。
据王常勇研究员介绍，Kofidis等在2002年通过在市售的三维胶原支架上种植乳鼠心室肌细胞，构建了工程化心肌组织。这种人造的心肌组织持续有节奏地同步收缩了13周之久。日本研究人员还发明了一种不依靠支架材料提供支持的新方法，用这种方法构建的心肌组织片仍具有节律性收缩能力并且有血管组织的长入。
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近年来，各国研究人员所进行的各种实验为心脏再生医学研究提供了研究肌浆蛋白、心肌生理学、生物学和体内药理学的有效模型，给工程化心肌组织修补或者替换梗死心肌组织带来了希望。尽管如此，人类要想成功再造出具有临床治疗性作用的心肌组织还需要克服许多障碍。Zimmermann等在2004年提出组织工程化心肌组织再造的具体标准要求：再造心肌组织应具备收缩性；电生理稳定性；机械活动有力且有弹性；血管化或者至少在移植后很快生成血管；无免疫原性。但目前的研究尚无法再造出符合上述所有标准的工程化心肌组织，实验中再造出来的心肌组织多是满足了上述标准中一条或者几条的要求。
■生物反应器研究成为焦点
近年来，随着组织工程研究的不断深入，人们逐渐认识到，适宜的体外培养环境对细胞支架复合体进一步发育成人体心肌组织发挥着重要作用。在此基础上，科研人员开展了大量研究以使复合体体外培养环境尽可能模拟体内人体组织自然生长的内环境。搅拌式生物反应器是最常用的一种生物反应器。但是，这种生物反应器对于心肌细胞或许不是最好的，构建物表面强烈的液体流动经常产生漩涡可能损伤种子细胞。随后由美国研究人员研制成功的旋转式细胞培养系统，也被成功用于心肌组织的体外培育。研究结果表明，该生物反应器有利于组织工程化心肌的体外再生，可以形成具有节律性收缩的心肌组织。除旋转式生物反应器、搅拌式生物反应器外，灌注式生物反应器等其他类型的生物反应器也是近年来研究人员关注的焦点。
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■促血管生长因子研究已有收获
体外三维细胞构建物通常缺少血管网络，组织工程支架最重要的一个功能就是促进血管渗透生长的能力。体内植入后，工程化心肌将会生存于缺氧的状态下，直到新的血管长入来维持其活力和功能。植入的心肌细胞对延长的缺氧期非常敏感，可能会坏死或凋亡。因此，必须要使临床应用心肌组织移植物有较强的血管生成能力，以维持其生长和存活。
血管增生的程度取决于移植细胞的方式和宿主细胞释放到工程化组织微环境的起调节作用分子。血管增生包括出芽和非出芽两种方式。出芽方式主是已经存在的血管分支形成的，非出芽方式是由于造血前体细胞参与正在生长的血管层中形成的。在成人中，大量的血管内皮细胞由于细胞之间的接触抑制现象处于静止状态，血管内皮细胞由静止向血管化的转变是在低氧等特殊的刺激条件下发生的，一旦完成血管化过程，新生血管网成熟，血管内皮细胞就重新回复到静止的形态。
王常勇研究员说，当暴露于血管化的刺激条件下时，微血管的血管内皮细胞就通过其特定的程序建立起血管网。有几种生长因子是内皮细胞转化的刺激因素，血管内皮细胞有特殊的表面受体能捕捉这些因子并将其信号传入细胞核内。过去十年肿瘤生物学的研究已经发现了一大类的血管化因子，其中血管内皮细胞生长化因子(VEGF)和成纤维细胞生长因子(FGF)是两个被认定的重要的血管化因子。
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近年来研究人员正在积极研制有利于血管网形成的新型弹性支架材料，以及通过在构建组织中复合促血管生成的生长因子、血管内皮细胞等措施来促进再造心肌血管化。
除了VEGF和FGF是两个被公认的重要的直接成血管因子外，另一大类的成血管因子并没有直接作用于血管内皮细胞，这些因子是间接成血管因子，包括血小板衍生生长因子(PDGF)、转化生长因子(TGF)-β和促血细胞生成素(Ang)等。
促血管生长因子已经被应用到生物组织工程领域，并且起到了促进血管生长的作用。如Perets等在2003年报道构建出一种新的藻酸盐多孔支架材料，它结合聚乳酸羟基乙酸微球能够控制促血管生长因子，如碱性成纤维生长因子。体外实验中，多孔支架材料中的碱性成纤维生长因子被可控地释放并且能促进心肌成纤维细胞生长，证明其具有生物活性。
■原位再生研究是重要方向
, http://www.100md.com 应用原位再生方法进行心肌再生研究正在被更多的研究者尝试，心脏原位再生被认为是今后的一个研究热点。现在有越来越多的证据表明：心脏具有自我再生的能力。在这种方法中，研究人员将支架植入到受损的心肌上，当支架被血管化后，就为植入的心肌细胞创建了一个舒适的环境和空间。为加速植入支架的血管生成和嫁接，可通过向其注入生物活性分子来提高它的发育和生存能力，以及增强干细胞的自我导引和修复能力。现在有越来越多的证据证明心脏包含固有的祖细胞，能被诱导形成心肌和血管组织。这些祖细胞能分化成心肌细胞，从而修复梗死的心肌。原位组织工程的一个重要优势就是使应用基于导管的方法成为可能，同时也避免了对外科胸廓切开术。
王常勇研究员认为，应用生物活性材料体内移植是原位再生一个重要研究方向，该方法应用生物材料本身或者它的降解产物可以刺激局部组织的修复。应用生物活性分子的原位再生方法是通过直接释放若干种细胞因子来刺激受损心肌的原位再生，这些细胞因子可以诱导骨髓来源的原始干细胞分化为内皮细胞甚至是心肌细胞，从而对梗死心肌进行修复。这些细胞因子包括粒细胞集落刺激因子(G-CSF)等，它们除了能够扩增和动员骨髓来源的祖细胞外，可能还具有直接的心肌保护作用。上述细胞因子介导的再生治疗可能发展成心肌梗死的一种新的治疗策略。
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■可注射支架前景看好
尽管当前心肌组织工程中大部分工作都是围绕可移植的支架展开的，但是，许多利用细胞或基因运输来修复梗死心肌的策略正在朝向基于导管的方法发展。可注射的支架提供了一个基质支持，在支架里细胞得以保留和迁移，新的血管也得以生长。Christman于2004年对纤维蛋白胶的作用进行了研究，证明它可以作为一种可注射的支架材料，而这种生物活性的纤维蛋白支架内也可以发生血管生成。已经有多项研究工作表明，可注射的生物材料能够作为一种细胞移植的基质，促进梗死心肌的新血管生成和修复。王常勇研究员说，可注射的生物活性材料为实现用适当的细胞治疗心肌梗死提供了一种可行的解决方法，同时也给基于导管的可注射的组织工程带来了光明的前景。
王常勇研究员最后表示，近年来的研究表明，人类制造或再生由于损伤、衰老、疾病、基因变异而损伤的心肌组织，具有可行性和广阔的临床应用前景。尽管如此，心脏再生医学和组织工程研究仍然面临着巨大的挑战，设计、制造出能适合心肌细胞生存和心肌组织形成的新型生物活性支架本身就是一个难点，同时研究人员还需不断完善促使再造心肌组织血管生成和神经分布的策略，要优化体外再造心肌组织培育的环境。此外，加强人类对调节心肌组织的形成、功能和衰竭的基本原理的理解，包括将各种细胞类型和生物材料组装成多维结构，从而模拟天然心肌的结构和功能等也非常重要。他强调，人类实现“再造心脏”这一雄心勃勃的目标还有赖于从事生命科学和工程科学众多领域的专家们长期不懈的努力。
(潘锋), http://www.100md.com