总结

组织工程是一个广泛的跨学科领域,在再生医学、药物发现和疾病病理学方面取得了重大进展。虽然组织工程(TE)在实践中复杂多变,但TE范式依赖于三个基本步骤,即支架、种子和刺激。

组织工程范式

范式是从一组特定的理论、方法和标准中提取的模型。组织工程范式包括从零开始培养体外活组织的历史和未来努力。例如,开发一个功能器官,如心脏,需要多种细胞类型与特定时间的化学和物理信号相互作用,所有这些信号都在复杂而精细的3D框架内(1)。

步骤1:搭建新的组织形状和结构

脚手架是TE范式中技术复杂的组成部分。支架应紧密复制天然组织中的精细结构特征。它还必须促进细胞粘附、扩散和成熟,而不会引起不良反应(2)。陶瓷是硬组织支架的常见选择,而生物相容性聚合物或凝胶用于软组织,新的支架材料仍在开发和发现中(2)。事实上,渥太华大学的一个研究小组甚至提出了使用苏打面包作为一种成本低且易于生产的组织支架(3)

步骤2:在支架上种植活细胞

再生医学、细胞应该从人类的耐心,而不是一个孤立的动物模型(1)细胞来源可以从相同的成人初级细胞组织,例如皮肤细胞从活检可用于种子TE植皮(2)。然而,成人初级细胞生长缓慢,难以分离,(1)干细胞更多才多艺,因为它们能自我更新,并能分化成多种细胞类型(2)。但最近的发现证明,一些成年细胞类型也可以还原为干细胞(1,4)。这些诱导多能干细胞(iPSCs)目前被用于组织工程、药物发现和许多组织类型的疾病研究(4)。

步骤3:用物理化学刺激发送正确的信号

人体内的细胞不断地相互接触,并与外界环境保持联系。化学信号,如钙的流入2+启动肌肉收缩和身体信号(如温度激活的免疫细胞)具有很强的诱导作用,有助于我们的组织发挥作用。其他由已知和未知生化刺激控制的过程包括跨膜和细胞形状、大小、生长和死亡的输入/输出(2)。在生物反应器中孵育TE构建物,调节条件以匹配体内的动态环境,可以让工程师对组织发育进行精细控制(2)。

把它们放在一起

TE范式的重大进展包括新型支架材料的开发、诱导多能干细胞的出现以及能够更好地控制细胞培养条件的生物反应器技术(2,3)。然而,TE范式的所有三个步骤仍然存在挑战,主要源于模仿生物系统的纯粹复杂性。组织工程是一个快速发展的领域,在未来几年中,组织工程范式很可能成为新一代生物人工科学的中心。

工具书类

  1. Benam K.G, Dauth, S, Hassell, B。工程体外疾病模型。为基础。启分册。动力机械。说。10(2015), 195 - 262。https://doi.org/10.1146/annurev-pathol-012414-040418
  2. Caddeo,S.,Boffito,M.,Sartori,S.健康和病理性体外组织模型设计中的组织工程方法。前面。比昂。生物技术公司。第1 - 40 40(2017)。https://doi.org/10.3389/fbioe.2017.00040
  3. 霍姆斯,JT.,贾伯兰萨里,Z.,科林斯,W.,等。自制面包:重新利用古老的技术以降低成本体外组织工程。bioRxiv(2020).https://doi.org/10.1101/2020.11.13.353698
  4. 高桥K.,山中S。。通过特定因子从小鼠胚胎和成人成纤维细胞培养物中诱导多能干细胞。细胞. 126:4 (2006) 663-676.https://doi-org.oca.ucsc.edu/10.1016/j.cell.2006.07.024
  5. 美国实验生物学协会联合会。证据表明,体温升高有助于某些类型的免疫细胞更好地发挥作用。每日科学.(2011).从检索https://www.sciencedaily.com/releases/2011/11/111101130200.htm