生物行移动版

由于人体组织器官的病变、损伤及衰老导致的器官功能失用，临床上对组织器官替代治疗存在巨大缺口。生物人工器官的研究是再生医学的热点，具有广阔的临床应用前景。为实现对天然器官的功能替代，需达成两个主要终点：生成正确的成分细胞类型，以及建立具有生理特性及功能的立体组织架构，二者均具有高度器官特异性。

近年来，多种研发策略为该领域创造了良好开端，为移植生物人工器官提供了理论可能性。目前主要策略包括：（1）全器官脱细胞及基于器官特异性天然细胞外基质（ECM）支架的器官再生；（2）通过不同细胞类型自组装形成特异性结构，最终形成类器官；（3）基于计算机辅助支架构建的3D器官打印和所需细胞类型的定向植入。以下综述其研究进展。

1. 全器官脱细胞及再细胞化

组织工程结合生命科学和工程学原理，利用具有特定生物活性的组织特异性细胞与生物材料结合，在体外或体内构建组织、器官或其生物替代物，以维持、修复或再生损伤组织和器官功能。随着组织工程技术发展，学者们倾向于采用种子细胞-支架材料-生物反应器的工程化体外器官再生模式，直接从组织水平进行器官再生重构。

该策略需三个基本条件：特异性功能细胞（种子细胞）、理想的含ECM蛋白的生物支架，以及高度模拟体内状态的生物活性环境。生物支架为组织修复和种子细胞生长提供适宜空间和微环境，是体外器官再生的基本要素。支架能控制移植细胞生长位置，引导组织再生，其大小和形态对组织结构和功能有重要影响，可为新生组织提供机械支撑，维持形状完整性，并作为活性因子载体缓释生长因子，促进细胞生长、增殖和分化。ECM是复杂网络结构，在不同组织中发挥不同生物学功能。

全器官脱细胞通过将除垢剂经天然血管灌注，移除所有细胞成分，留下完整或部分完整的ECM支架。脱细胞器官独特的三维结构和孔隙需较好保留，其仍有活性，是细胞生长的理想环境，可使不同细胞迁徙定植到生理位置。最近有学者通过生物工程方法，将器官特异性细胞选择性灌注到靶器官ECM支架中，成功在体外生成有功能的生物人工心脏、肺脏和肾脏等。这是首次通过生物工程方法在无自体细胞的组织特异性全器官脱细胞基质中生成有功能的生物人工器官。研究将生物人工器官植入模型动物体内，模拟肺脏换气、肝脏代谢及肾脏泌尿等功能。

目前，再生策略已应用于大型动物和人类研究。许多策略可实现器官脱细胞化，但具体方案和试剂配比尚未达成共识，以完全去除细胞成分并最大程度保留ECM。

2. 类器官工程

类器官工程是新兴技术，在3D培养条件下从胚胎干细胞（ESCs）或诱导多能干细胞（iPSCs）分化构建迷你器官，即“类器官”。通过此途径，已实现小肠、垂体、甲状腺、视网膜及脑等体外类器官生成，突出了3D培养中分化细胞的自组装能力。

通过3D培养人iPSCs衍生的肝脏细胞、内皮细胞、间充质干细胞生成的血管化类肝脏器官，可模拟天然肝脏结构和功能的多个方面。这些研究强调了间充质细胞在器官构建中的重要性，并证明了不同细胞类型在器官形成中协同组装的固有能力。类器官工程是对传统2D培养模式的补充，可加深对器官发育的理解，促进机制研究和药物筛选疾病模型的建立。

从再生医学角度看，在合适3D培养条件下，这些迷你器官的形成显示出细胞令人瞩目的自组装能力。但在生成可供移植的生物工程类器官前，还有许多问题需解决。尽管类器官可模拟天然器官的多个方面，甚至如人脑般复杂，但其仍是相对简单的结构。将类器官规模从毫米级升级到临床应用大小是首要问题。为使类器官具备成熟器官的复杂度和层次，需结合支持支架或结构指引细胞定向自组装。在发育中，许多器官通过模块化方式组装，以互相连接形成功能单元，如人类肺脏有约5亿肺泡，这些功能单元体积小、功能相对简单。通过自组装构建功能单元或集簇单元，可通过类器官工程实现，这些单元可作为构建模块，实现后续器官工程。

3. 3D生物打印

许多组织工程策略基于生物支架，细胞在其上黏附、存活并发挥功能，形成活性器官。不同于脱细胞技术的天然器官支架，生物打印技术通过层层叠加的机械方式生成3D支架。设计策略是明确目标器官关键结构构成特点，将其内外部特点分解后形成一系列平行切片，这些切片为制作提供模板。

间接生物打印通过3D打印生成模式化支架后，将种子细胞再植到支架上，但将细胞有效、均质地输送到支架中仍具挑战，尤其对于构建实质性组织和器官。直接生物打印将细胞结合的支架材料和细胞同时打印，跨越了间接生物打印的障碍；相较于传统模具支架构建方法，这种叠加构建的3D支架打印技术可精确控制支架内部架构，并具有良好重复性。可进一步筛选和优化支架的孔隙率、孔隙大小及渗透性等结构变量，这些是决定后续细胞定植及组织再生的重要因素。该技术优势在于可结合生物活性分子，在支架打印或后续细胞输送过程中，根据预定模式和浓度梯度添加生长因子和细胞黏附分子，控制后续再植细胞行为。

在直接生物打印中，整个制作过程需具备生物相容性且无细胞毒性。非接触式喷墨打印是常用方法，但空间分辨率较低。目前，3D生物打印出的移植物规模仍较小，结构相对简单。若要打印具有更复杂体系结构的移植物并接近天然器官规模，必须改进直接细胞打印的分辨率和级别。更为重要的是，需对目标器官的细胞及ECM构造有更深认识，才能更好模拟天然器官的层次体系结构。

4. 中枢神经系统体外再生研究

到目前为止，国内外尚无中枢神经系统（CNS）组织器官体外再生的报道。CNS特殊而复杂的生理功能和解剖结构对组织工程策略提出极高要求。在CNS内，ECM约占总组织体积的20%，但分布广泛，ECM形成基底膜贯穿整个中枢系统，包绕脑组织和血管，通过受体介导与神经干细胞、神经元、胶质细胞及内皮细胞相互作用，参与脑组织生长、发育及生理功能。在基于脱细胞的CNS再生研究中，不同于皮肤、血管、韧带、肌腱等韧性较强的组织，CNS组织结构疏松、质地柔软、机械强度较弱。应用传统脱细胞方案，CNS的ECM组成成分及三维网状结构极易受破坏而失去原有排列方式。

目前，尚无公认的CNS脱细胞方法。用于CNS再生的脱细胞支架需具有与正常CNS高度一致的大体形态和天然三维空间结构，为种子细胞黏附、生长、迁移提供框架，且无明显免疫原性。旨在促进CNS再生的脱细胞支架研究策略大部分利用周围神经及非神经组织，但也有部分研究使用中枢神经脱细胞支架，但多为早期尝试。

已有研究通过化学处理或冷冻干燥法与化学方法相结合，实现大脑、脊髓或视神经组织脱细胞。脱细胞支架包含层黏连蛋白、纤连蛋白和生长因子（如血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子）。脱细胞CNS支架具有促进小鸡胚胎绒毛膜尿囊膜血管生成，促进神经细胞体外扩散、迁移及分化，皮下移植后不引起体内免疫反应的作用。但其类似于周围神经脱细胞移植物，不能完全清除髓磷脂，这将阻碍CNS来源的ECM支架移植后的获益。

Lancaster等在旋转生物反应器中采用低水平碱性成纤维细胞生长因子诱导人类ESC和iPSCs，在神经培养液中进行3D培养，培育出类似9周胎龄人脑的类脑器官，包含多个脑区结构，如背侧皮层、腹侧前脑、中脑、脉络丛等，并显示出神经元的电生理活性。这为CNS再生提供了新思路，但距离构建可移植的生物人工小脑仍有距离。生物人工小脑的构建需考虑小脑特有的浦肯野细胞、颗粒细胞等神经元类型及其精确的突触连接，以及小脑皮层分层结构。未来研究需结合脱细胞支架、类器官工程和3D生物打印技术，逐步实现小脑的体外再生。