生物工程为干细胞研究带来新观点

最近，大量的报道已表明人体内聚藏着许多具有生存力的干细胞，它们能发育成品种繁多的细胞类型。这项研究使生物工程研究人员对将来某一天有可能培养出新的组织和新的器官以取代因衰老和疾病而损伤的组织和器官充满了希望。目前，研究人员在生物工程皮肤、软骨和骨骼方面已获得相当大的进展。但这些都是相对比较简单的组织，要培养出由许多不同的细胞类型构成的复杂器官可能需要具有高度分化能力的细胞，如干细胞。

加拿大多伦多大学生物医学工程教授和活的生物工程移植物（LIFE）活动组织者之一michael Safton认为，在干细胞研究方面取得的这项进展使人类器官培养目标的实现似乎有“很小的可能性”。LIFE活动是一种国际合作行动，其目标是在10年内培养出一个适合于移植的人心脏。

但对干细胞一直被掠取的所有大肆宣传而言，成功地设计个体器官的关键可能并不在于细胞，而在于良好的网状结构骨架（mesh Scaffolding）的设计，主要产生于天然蛋白质或合成聚合物。许多年来，从事生物工程研究的科学家们未对该种支架的材料给予特别多的考虑。密执安大学生物工程学院的David mooney报道说，网状结构骨架被看作是为细胞创造一个空隙并在细胞生长时为其提供依附物质的一种被动结构。

但在最近几年，研究人员开始认识到这种支架所起的作用不仅仅是将这些细胞连在一起，而是将能控制细胞生长和发育的关键信息传达给细胞。如同细胞外基质一样，网状骨架是为了模拟而设计的。Mooney认为该支架的每种特性（化学性质、形状和受压时的移动方式）几乎都能影响细胞的行为。这些信号可通过细胞表面的受体进入细胞，当受体与胶原蛋白、胶原质（collagen）及其他细胞外基质蛋白结合时而改变其形态。但形态改变又依次触发细胞内可导致基因表达改变和细胞功能改变的信号级联。例如，Mooney与其他研究人员发现布满各种不同肽的人工支架利用该支架表面上的这些肽密度，可大大影响粘连细胞的行为，这些不同的肽与细胞外基质蛋白的“信息区域”极为相似。据Mooney称，即使简单的结合也具有一种协同作用。

除了其表面特征之外，该骨架形状的简单变化可引致明显的细胞生长变化。华盛顿大学生物工程学副教授Patrick Stayton正在进行一项为期5年的生物工程人心脏组织的科研项目，由美国国立卫生研究所提供资金，其研究经费为1000万美元。该项目还包括来自于多伦多大学、西雅图Hope心脏研究所、美国高级聚合物研究系统等部门的研究小组。

该项研究的第一个目标是开发出一种能被用于修复和加强受损心脏的肌“贴片（Patch）”。但在标准的细胞培养中，心肌细胞可形成一个无价值的、无定形的细胞群。因此，Staytn及其合作者决定观察他们通过在一个培养平皿上铺设薄的、平行的层粘连蛋白通道是否能帮助细胞将自身组织起来，层粘连蛋白是一种细胞外基质蛋白。研究人员发现，这是细胞排列、首尾连接并形成非常类似于在正常心脏组织中所见到的细胞链所需要的一切。更重要的是，在细胞相遇的地方，它们构成嵌入盘，这是收缩细胞内的肌原纤维从一个细胞到另一个细胞传导张力的特殊化结构。Stayton说，最令人感到出乎意料的是，这些细胞必须将自身组织起来才能具有对一个非常有限的空间暗示作出反应的内在能力。Stayton及其合作者还发现，当他们将通道充分紧密地设置在一起时，这些连接的细胞便能形成有空隙的接合，使协调肌收缩。最终，可获得一大片具有高度组织性且同时收缩的肌细胞。

除了这种骨架的表面特征和形状之外，其力学特性（如在对压力反应中如何伸展、压缩和屈曲等）也能影响细胞的生长和发育。David Mooney认为，化学与力学之间有一个交叉，因为这些运动通过粘附在骨架上的受体传导到细胞。例如，在暴露一种类似于正常血液循环的搏动液体流动构架上生长的平滑肌细胞呈现出的形状和结构，与生长在静态构架上的那些细胞所显示出的形状和结构相比更接近于天然血管中发现的平滑肌细胞。

最后，为了研制出复杂的器官（由各种不同的细胞类型构成，如肝脏和肾），研制已植入生长因子的构架就显得非常的必要。无论是以单一的化合物、蛋白质形式还是以将生长因子封入DNA质粒中的形式，生长因子都应被缓慢地释放出来以诱导细胞生长和发育。多伦多大学的Michael Sefton指出，研究人员知道如果使细胞进入正确状况，那么，他们将需要确知何时及耗时多少来发现线索，现有的问题是应搞清楚什么是正确状况。

国外医学情报

2002.09.17