组织工程技术在泌尿生殖系的应用
                     中山大学附属第二医院整形外科
                      储海涵编译 张金明审校

引言

再生医学应用了许多领域的技术，如组织工程、干细胞和克隆，其中组织工程是主要部分。组织工程以细胞移植、材料学和生物工程技术构建生物替代物，修复损伤组织，恢复并保持组织正常功能。组织工程的治疗策略大致分为两种：一：以无细胞基质修复损伤，新组织的生长依赖于自体细胞的增殖分化。无细胞基质分为批量生产的人造支架和以机械或化学方式脱细胞的富胶原组织。基质在植入人体后会缓慢降解并由长入细胞分泌的细胞外基质蛋白取代。二：以种植有细胞的基质修复。细胞也可通过单独或与载体如水凝胶等一起注射来治疗疾病。细胞从供体组织获取，离散成单个，直接植入受者体内或经过分离、扩增并黏附在基质上再植入。细胞来源有多种，分为异种、同种异体和自体。自体细胞更受青睐，因为植入后虽有炎症反应，但避免了排斥和应用免疫抑制剂的不良反应。理想情况下，组织工程可以在并发症最少的情况下获得结构和功能的双重替代。

当前组织工程的治疗策略大多基于宿主患病器官中的自体细胞，但对于大量器官衰竭的病患，往往没有足够的细胞用于扩增和移植；另外有一些人体细胞不能从特定器官中获取，如胰腺，在这些情况下可选择合适的干细胞。干细胞可以来源于胚胎（胚胎干细胞）、胎儿和成体（骨髓、脂肪、皮肤等）。治疗性克隆也在再生医学中扮演了重要角色，它又称核移植或核转移，是把供体细胞的核植入去核的卵母细胞中让其发育，这样获取的干细胞与供体具有遗传一致性，这在未来的治疗上潜力巨大。

最近有人将组织工程技术应用于儿科先天畸形的治疗，包括三个主要领域：心血管、修复重建和泌尿生殖。瓣膜置换和再生是儿科心血管研究的热点，其进展最近已有综述发表[22•,23•]；组织工程应用于整形外科是再生医学的新进展，也已有综述发表[24•]；本文着重回顾再生医学在泌尿生殖系统的应用。

目前，已经用组织工程技术构建出许多泌尿生殖系组织，包括尿道和膀胱，并且许多实验已由动物实验进入临床实验阶段。

尿道

近年提出很多尿道再生的策略，脱细胞膀胱基质被证明是修复兔尿道缺损的合适材料，新生尿道形成了正常的尿道上皮和有序的肌束，这一结果支持了在临床上用人脱细胞膀胱基质修复重建失败的尿道下裂[25]。脱细胞基质可以自身降解，无需进行后期手术，这既缩短了手术时间，又降低了由后期手术引发的潜在死亡率。
以嵌合的方式用未种植细胞的脱细胞基质修复尿道缺损在实验和临床上都取得了成功，然而当在实验中用管状脱细胞基质修复尿道缺损时，未能获得足够的再生尿道组织，诸如移植物挛缩和狭窄等并发症也接踵而至，在组织学上可见新生尿道组织发育低下和纤维化。在动物实验中用种植有自体细胞的管状基质修复效果明显较好，新生尿道形成了与正常尿道相似的的结构。这些发现在临床上也得到了证实。

膀胱

当前，通常用胃肠段组织来修复或置换膀胱。胃肠段的组织可以特异性的吸收化学物质，因此当用其修复泌尿道后，会有很多并发症，如感染、代谢紊乱、尿石症、穿孔，并且增加了粘液分泌量和恶性肿瘤的发病率[28–30]。鉴于这些弊端，很多研究者提出了其他的修复重建方法，如使用扩张组织、浆膜移植物、组织再生基质、细胞组织工程材料复合移植物等。
已经有研究者以种植有细胞的同种脱细胞膀胱基质对狗行膀胱扩大，所有动物随机分为A、B、C三组，三组均切除膀胱三角区，A组仅作简单闭合，B组用未种植细胞的同种脱细胞膀胱基质修复缺损，C用种植有自体膀胱上皮细胞和平滑肌细胞的基质修复。术后，A、B两组膀胱容量分别只有术前的22%和46%，C组为术前的95%，并且A、B两组术后膀胱的顺应性明显降低，分别为术前的10%和42%，C组术后顺应性没有明显改变（106%）。组织学检查可见，B组生成了正常的膀胱粘膜上皮，而粘膜下层纤维化增厚且仅有薄层肌纤维；C组膀胱细胞排列正常，包括三层：粘膜层、粘膜下层和肌层。当前初步的临床实验已应用C组的技术，效果在评价中。

生殖器组织
两性动物的组织工程生殖器已构建成功，目前的研究也证明构建有功能的阴茎和阴道是可行的。

阴茎海绵体平滑肌的重建

平滑肌是阴茎的一个主要成分，其对阴茎体结构和功能的重建非常重要。为了检测工程化阴茎体的功能，在供体脱细胞阴茎体基质上种植分离扩增的自体海绵体平滑肌和上皮细胞，用其置换正常兔的阴茎体。海绵体造影术显示工程化阴茎体结构完整，测得的海绵体压力也与正常对照组相似。术后一个月动物能够进行正常的交配，交配中有精子，能使雌兔正常受孕且胚胎正常。反观用未种植细胞的脱细胞阴茎体置换阴茎的兔，在整个研究期间均不能正常勃起，不能完成正常的交配，精液不能射入阴道。

人工阴茎的构建

硅胶作为构建人工阴茎的生物材料已得到承认，但其生物相容性仍让人担心[33,34]，显然种植有自体细胞的天然假体更有优势。在最近一项研究中，研究者探索以自体软骨细胞构建组织工程化软骨柱原位取代阴茎体的可行性[35]。方法如下：把取自兔耳的软骨细胞体外扩增，种植在用多聚乳酸包被的可降解的柱形聚乙醇酸多聚物上，然后将此柱移植入兔阴茎体空腔内。检查发现，1个月后多聚物形成乳白色形态良好的软骨结构，两个月后完全降解，移植部位无侵蚀和感染迹象。进行后续研究，评价在体情况下软骨阴茎的长期功能，到目前为止，动物表现良好，能完成交配并成功使雌兔受孕。

女性生殖组织

子宫先天畸形在临床上非常复杂，泄殖腔外翻和两性畸形往往没有足够的子宫组织用于再造。为此有人探讨以自体细胞构建有功能的工程化子宫的可行性[36]。体外分离扩增兔子宫平滑肌和上皮细胞，种植到子宫样生物可降解聚合物支架上，然后用此支架修复相应兔次全切的子宫。术后6个月，对移植物行组织学、免疫细胞化学和蛋白印迹分析结果显示为正常子宫组织成分；生物力学分析和器官浴槽研究表明重建子宫的功能特性与正常子宫相似；工程化子宫是否能够孕育胚胎仍在研究中。
与子宫相似，许多疾病会对阴道的发育或解剖造成不利影响，如先天畸形和恶性肿瘤，这时就需行阴道再造术。传统的阴道再造术受限于自体可用组织的匮乏，组织工程技术可以解决这一难题。取雌兔阴道上皮和平滑肌细胞体外培养扩增，种植到生物可降解聚合物支架上，然后将此支架植入裸鼠皮下。6周后植入物行免疫细胞化学、组织学和蛋白印迹分析，结果证实为阴道组织表型；在电刺激研究中，组织工程阴道和正常阴道组织的功能性质相似。用这种支架行自体全阴道置换，术后阴道的开放式结构明显；反观用未种植细胞置换组，阴道明显狭窄。
输尿管

已经有人把未种植细胞脱细胞输尿管基质用于鼠输尿管组织的内向生长，植入基质能促进输尿管壁成分的再生[38]。也有人用聚四氟乙烯支架对狗行输尿管置换[39]，功能较差。在最近的一项研究中，研究者用未种植细胞的脱细胞输尿管基质置换狗一段长约3cm的输尿管，发现其不能有效取代原有输尿管[40]。
然而用种植有细胞的生物可降解聚合物支架重建输尿管取得了较大成功。一项研究中，体外分离扩增膀胱上皮细胞和平滑肌细胞，种植到管形PGA支架上，然后植入裸鼠皮下，发现上皮细胞增殖分化为多层移行上皮，多层平滑肌结构环绕上皮细胞四周，并且有丰富的血管形成，支架材料也完全降解并为正常的输尿管组织所取代。这一实验方案已应用于狗的输尿管置换术[41]。

肾脏的构建

肾脏结构和功能的复杂，使其成为泌尿系中最难于用组织工程技术构建的器官。最近提出了生物人工肾的概念，有人致力于以体外设备部分取代肾脏功能，另有研究者把目光放在了以组织工程构建的生物人工结构完全取代肾脏功能上。
具有肾脏功能的体外设备
当前，主要以透析来补偿肾功能的不足，但较高的发病率和死亡率促使研究者寻求更好的治疗方法，如体外设备的应用。肾脏具有滤过、转运、代谢和内分泌功能，为了评价一个种植有细胞的装置是否能够在生命力和生理功能上取代患急性尿毒症狗的肾脏，引入一个体外系统，包括人造血液过滤装置和肾小管细胞治疗装置，后者由存在于体外灌注回路的猪肾小管组成。结果表明这一系统可以控制血钾和血尿素氮，并可以部分重吸收钠、水及主动转运钾、碳酸氢根和葡萄糖，还检测到逐渐增强的氨分泌能力。这些结果证明这种体外系统在技术上是可行的。
利用相似的技术，由一般的血液过滤设备和含有人肾近端小管细胞的肾小管辅助装置组成组织工程化生物人工肾，用于治疗重症监护室的急性肾衰竭病人，初期临床试验表明这一装置可以以即时的生理和生化指标为参考，为病人提供动态的和个体化的治疗计划。
体内人工肾的构建
体外扩增肾细胞然后自体移植是改善肾功能的又一解决方案，当前人们正在探索利用组织工程以体外培养扩增的肾细胞在体内重建肾脏是否可行。在一项最近的研究中，研究者尝试利用肾上皮细胞重生有功能的肾单位。方法如下：体外培养扩增肾细胞，种植到管形聚碳酸酯膜上，这一管形装置一端以硅胶管与容器相连，然后植入裸鼠皮下。经过一段时间组织学检查发现植入物中肾小球形成并有广泛的血管化，小管样结构排列有序，免疫组织化学也确认这些结构具有肾组织表型。收集植入物一端硅胶管流出的黄色液体，经检测发现内含肌酐和尿酸，只是浓度较正常尿液低[44]。更深入的研究有应用核转移技术在牛身上显示肾结构的形成[45••]。这一技术还面临许多挑战，如如何构建具有立体结构的大体肾脏。

总结
当前，再生医学正努力在实验室中再造各种组织器官，包括人体组织器官。不同组织进展不一，有的已进入临床试验阶段，有的在进行临床前试验，有的刚刚发现。就当前研究来看，组织工程临床应用前景广阔，为需要组织修复或置换的病人提供了更具活力的选择。

参考文献(略)