以組織工程（tissue engineering）為基礎的再生醫學（regenerative medicine）發展情況及應用前景如何？

01-12

再生醫學是結合bioengineering, biochemistry, nanoengineering, cell biology 等的綜合學科…

謝謝 @袁霖邀請！要充分地回答這個問題需要寫個綜述了，顯然這不是你們想看到的。所以，答主就自己的了解做出一些概括性的解釋和討論。

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首先，還是先講一下兩個重要的概念：組織工程(Tissue Engineering) 和再生醫學(Regenerative Medicine)

組織工程（Tissue Engineering）是一個多學科交叉的研究領域，它充分應用工程科學，生物科學，基礎醫學的原理，開發製造出具有生物活性的組織或器官替代物，用於保持，替代，修復，甚至於加強病變組織器官的功能。這個概念是由 Robert Langer (麻省理工學院)和 Joseph Vacanti （麻省總醫院）於八十年代末，九十年代初提出，並在 Science上發表研究論文闡述這個概念和基本原理。

再生醫學（Regenerative Medicine）是一個更廣的定義，它包括組織工程（Tissue Engineering），但同時還包括身體組織系統的自身修復（Self-healing）. 組織工程（Tissue Engineering）和再生醫學（Regenerative Medicine）目前被大範圍的混用，主要是因為目前來看組織工程的最終目標就是替代或加強組織的自身修復，用以治癒複雜的慢性疾病。

（Tissue engineered human ear, credit: Harvard University）

經過二十多年的發展，組織工程無論在基礎研究，臨床應用，和市場轉化方面都取得了非常大的發展，其研究成果已經在很大程度上改變了臨床治療思路，使大量病人受益。雖然是一個相對來說比較新的學科，但是自誕生以來就一直吸引了大量的關注度。各國（美國，日本，新加坡，中國，等等）都在投入高額的研究資金來推動這個學科的發展，與此同時，大量相關的研究人員（臨床醫生，工程師，生物學家，化學家，材料學家，等等）都被吸引到這個充滿潛力的領域，用他們在各自領域更專業的知識和技能來不斷推動組織工程學科的發展。

值得指出的是，中國在近年來，在組織工程領域投入的前所未有的人力和財力，1999-2009 這十年間，中國政府投入了過5億RMB 在組織工程的研究和臨床應用上。Science雜誌在2012年就曾發表評論「China"s Push in Tissue Engineering」對中國在這方面的發展做了報道，還報導了中國在此領域的先驅人物：南通大學顧曉松（神經系統），上海交大曹誼林（骨骼系統），清華大學崔福齋（腦組織）。

對於再生醫學來說，目前組織工程主要在以下幾個方向不斷取得發展和突破：

1. 細胞來源

再生目標組織或器官，通常需要使用相應的細胞，比如心肌細胞（心臟），上皮細胞（皮膚），骨骼肌細胞（肌肉），等等。然而，很多細胞脫離了自體的原生環境，並不能在體外長期保持其功能和活性，比如肝臟細胞的體外培養一直是一個難題。所以新的細胞來源的取得就顯得異常重要。多能幹細胞（Pluripotent Stem Cells）的使用可以很大程度解決這個問題。胚胎幹細胞（Embryonic Stem Cells）, 誘導多能幹細胞（iPS cells）都是目前研究的熱點，尤其是 iPS 細胞，因其獨特的功能和不會造成倫理問題，已經成為全世界研究人員的寵兒，不斷開發其新的應用，用於特定組織和器官的定向分化。與此同時，比多能幹細胞更有特異性的組織幹細胞，比如骨髓間充質細胞（Bone marrow stromal cells），脂肪幹細胞（Adipose-derived stem cells）, 臍帶血幹細胞（Umbilical cord blood stem cells）等等，也被研究人員用於不同組織的再生。更特異性的細胞比如軟骨祖細胞（chondrogenic progenitor cells），心肌幹細胞（cardiac progenitor cells）也已被成功分離，並用於相應組織的再生。

(iPS cells forming a colony, credit: Flickr)

2. 新型生物材料

成功地組織工程，一定離不開生物材料學科的發展。再生具有不同特性的生物組織，材料的選擇至關重要。組織工程發展初期，材料通常被用做支架用以支持細胞的貼附和生長。目前新材料的開發主要側重於材料的生物學特性，新的材料不但要能作為支架，還要能與細胞相互作用，誘導細胞遷移，擴增，定向分化。同時新材料還被賦予了調節細胞生長的微環境的功能，比如釋放生長因子，傳遞信號因子，抑制炎症，等等。更有能自組裝（self-assembly）的新型生物材料，能在外部刺激的情況下，實現在特定時間，特定微環境中自我組裝成目標組織或器官的形態。雖然這些研究還在早期的探索階段，但可以預見未來會出現激動人心的突破成果。

( Biomimetic liver tissue engineered from novel biomaterials, credit: NIH)

3. 信號因子

對於體外細胞培養來說，缺乏了體內的原生環境和相關的信號因子，很難成功地有效率的分化為目標組織器官。經過多年的研究，部分組織定向分化所需的生長因子已經逐漸被確定。傳統的組織工程方法通常直接應用已確定的生長因子組合，用於培養細胞或者裝載了細胞的支架材料。然而，生長因子分離純化耗時耗力耗錢，所以並不是長期使用的最佳選擇。目前這個領域的發展主要側重於化學小分子，基因，物理刺激，等等。通過化學小分子的作用，可以激活與生長因子作用相當的生物信號通路，因而誘導細胞分化。基因的轉導，使細胞本身能在不需要外界刺激的情況下實現分化，以及功能的獲取。對於不同目標組織分化過程中的物理刺激，比如失重，加壓，支架材料的表面結構，等等也可以促進細胞的分化。結合新型生物材料，將不同信號因子和材料合併，也是一個研究的熱點，所謂的「Smart Material」。比如，具有藥物緩釋功能的支架，載入的質粒DNA的水溶膠，等等。

(Recellularization of decellularized rat kidney, credit: Harvard Medical School)

4. 生物製造方法

生物製造 (Biofabrication)是一個相對較新的名詞，顧名思義就是利用構成生物體的基本元素（細胞，生長因子，生物材料，等等），製造出具有功能的生物組織或器官，或者用於研究的生物系統，這裡主要談一下前者。最傳統的組織工程製造方法就是將細胞裝載到3D支架，並在具有生長因子的環境中培養。經過多年的發展，大量針對於不同組織的製造方法被開發出來。舉例來說，去細胞器官（Decellularization）的重新細胞化（Recellularization）已經在實驗中用於肝臟，腎臟，心臟，等的組織工程；細胞膜片（Cell sheet）的3D組裝也已經被成功應用於軟骨，血管，皮膚等組織，並已經有臨床產品用於病人；微組織 (micro-tissue) 作為基本結構單元，也被成功用於血管，肝臟組織，肌肉組織等的再生。目前很熱門的3D生物列印技術的出現，給組織工程和再生醫學帶來了又一輪新的革命。由於其精確地控制能力和個性化特點，使得定製人體組織器官成為可能。雖然3D生物列印處於初期研究階段，有很多困難要克服（請參見: 3D生物列印的主要難點是什麼），但是隨著技術的成熟和組織工程自生的發展，成功3D生物列印出人體器官並不是幻想。

(3D bioprinting for tissue engineering, credit: Wake Forest University)

組織工程（Tissue Engineering）一直在不斷發展和進步，雖然大量的研究成果還僅限於實驗室階段，但已經有很多技術進入了臨床轉化，甚至於市場化。不僅僅在其醫學領域的應用，利用再生出的組織進行藥物測試和毒物測試也被認為是未來5-10年的一項研究熱點，這也將給生物醫藥產業帶來革命性的突破。

(Human-on-a-chip drug testing model, Credit: Wyss Institute, Harvard University)

參考：

1.China"s Push in Tissue Engineering

2. The Laboratory for Tissue Engineering and Organ Fabrication

3. Langer Lab: Professor Robert Langer

4.http://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/tissue-engineering-and-regenerative-medicine

5. http://www.popsci.com/tags/tissue-engineering （推薦閱讀）

6. http://www.sciencedaily.com/terms/tissue_engineering.htm （推薦閱讀）

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轉載請標明出處

Dr. YY

再生醫學的寶庫面前，人類還是小孩子。

組織工程非常坑爹。基本都還在科研階段，而且是科研的最初級階段，就是在生物材料上面養細胞然後看細胞的反應。這種實驗基本無法在動物體內複製結果，更不用提在人體上的應用了。看現在發表的文章，很多都是重複實驗，基本就是改變一下某生物材料的結構，或者是換種細胞，培養個十天半個月的，選擇某些蛋白質的生成和基因表達測試一下。毫無實用價值。

有些在現階段手術中所應用的使用組織工程背景的所謂的「細胞支架」，最後基本都被證明沒有用處甚至有害，比如用在大型腱鞘修復手術中的那些支架。

現在國內外很多搞組織工程的人都只是想著怎麼寫基金申請騙錢，雖然吹得很美好，但是還沒有使用價值。就算是樓上說的幹細胞，除了法規之外，技術方面的缺陷還有很多，離設想中的應用還差得很遠。

什麼事情都是慢慢做的，人類也不是一早一夕登上月球的。

前景很大，大到看不到啥時候能臨床應用。（不否定一些成果應用於臨床，比起終極目標還差很遠很遠）

不是從事相關研究，但是立個flag，組織工程與再生醫學絕對是能掀起醫學技術革命的研究。

總的來說，前景還是很大的，商用的化杜邦公司的一個簡單皮膚支架賣好幾千，但是商用比較好的據我所知也就是皮膚方面了，希望以後商用產品越來越多吧

組織工程目前的研究進展很快很多，應用進展還不算多好，受到技術、法規政策等影響很大。目前的組織工程臨床應用主要在支架材料方面。幹細胞絕對有前景，但是目前受法規政策限制。