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曹谊林:组织工程再造完美血肉之躯

来源:科技日报 2005-09-28 12:10

访“组织工程学重要基础科学问题研究”项目组 曹谊林

        ■编者按  

  上世纪九十年代末那只从老鼠身上长出的最著名的人耳朵,轰动了整个国际医学界。这是中国组织工程研究的主要开拓者曹谊林和他的同伴们,应用组织工程技术再造组织器官的一个突破,这项研究唤起了人们对组织工程再生人体器官的无限遐想和期待。  

  今天,组织工程研究的深入早已大大超出了人们的想象,也许有一天,我们可以让细胞作为种子,长出我们需要的各种组织和器官,到那个时候,组织器官移植就不再是“无源之水”,可以想见,组织工程这座梦工厂,将会带给人们怎样的惊喜!  

   乍一听到组织工程这个词,你会觉得迷惑吗?但这个领域的两项奇迹许多人并不陌生:1998年,一只背上长着人耳朵的老鼠震撼了全世界;2001年,一个颅骨破损达6×6厘米的男孩在上海被利用组织化人工颅骨修补成功。  

  奇迹的创造者是上海第二医科大学组织工程研究中心主任、973计划“组织工程学重要基础科学问题研究”项目首席科学家曹谊林。  

  由于他的工作、他的成就,曹谊林也或多或少有了些传奇的色彩,对他的采访令人期待又不免感到紧张。遗憾的是,由于曹谊林教授一直出差在外,虽几经约访,记者终未能和曹教授面谈,而是通过E-mail完成了对这位首席科学家的采访。  

  记者:人们可能最早是从那只人造耳朵开始认识组织工程的,短短的几年间,组织工程已经从实验室走向了临床应用,您是中国组织工程研究的学术带头人,能跟我们介绍一下究竟什么是组织工程?组织工程研究的重要意义何在?  

  曹谊林:组织、器官的丧失或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一,也是人类疾病和死亡的最主要原因。现代医学主要通过自体和异体的组织移植与生物材料替代等治疗手段,以恢复组织结构完整性、重建组织功能。但所有目前广泛应用的临床治疗方法,仍然存在许多难以根本解决的问题,比如对自体供区组织造成新的创伤,异体组织或器官来源有限,生物材料不能完成功能性修复等。寻找一种创伤小、形态与功能恢复良好的永久性生物替代方法,就成为外科修复技术研究的重要方向,在这种背景下,组织工程应运而生。  

  通俗地讲,组织工程就是组织的生产或再造,也就是通过应用正常有活性的组织细胞与生物材料相结合,在体外或体内构建组织和器官,以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能,其最终用途是治疗临床组织与器官缺损。组织工程技术彻底摆脱了“以创伤修复创伤”的救治方法,能通过很小的损伤永久性修复较大的组织缺损,使得再生医学得以进一步发展并最终用于疾病的临床治疗,被誉为继细胞生物学和分子生物学之后,生命科学发展史上又一个新的里程碑,标志着医学将走出器官移植的范畴,步入制造组织和器官的新时代。  

  记者:从上个世纪80年代提出组织工程的概念到目前为止,组织工程学已经有了突飞猛进的发展,今后的发展趋势和方向是什么?  

  曹谊林:多学科的交叉和渗透是推动组织工程学发展的最大动力,随着研究的不断深入,传统的组织工程概念也在不断地延伸和扩展。  

  今后,组织工程的种子细胞、生物材料和组织构建这三大要素的研究,都会有更大的飞跃。比如种子细胞已经从早期的分化成熟细胞研究转向目前的干细胞研究,这为彻底解决种子细胞来源问题提供了可能;生物材料也不再局限于传统的单纯高分子可降解聚合物,天然生物材料如各种脱细胞组织以及各种复合材料已经被广泛应用,而且通过快速成形技术,材料学家已经能够制造出与缺损组织三维结构完全匹配的组织工程支架材料;另外,组织工程化组织的构建不再局限于体内,体外模拟机体内环境的体外组织构建以及规模化、产业化的组织工程产品研制与应用将成为组织构建发展的新方向。  

  记者:看来组织工程的大部分工作都是由研究人员在实验室完成的,那么组织工程产品是如何最终应用到人体的呢?有哪些组织工程组织在临床已经应用?  

  曹谊林:我举一个例子,比如组织工程化骨修复颅骨缺损。我们先经骨髓穿刺获取5~10ml病人自体骨髓,同时通过颅骨的CT扫描确定缺损面积和形状,然后将骨髓细胞扩增后接种在与缺损处有同样三维形状的支架材料上,体外培养一周,待细胞与生物材料充分黏附后植入颅骨缺损处,随着细胞不断增殖,材料逐渐降解吸收,最终将缺损永久性修复。这种修复是真正意义上的结构与功能重建,使许多传统疗法无法治疗的病人获得了真正的康复。  

  目前,我们实验室已进行的临床应用主要在骨和皮肤两个方面。在组织工程骨的临床应用中,我们进行了颅骨缺损、齿槽裂骨缺损及四肢骨缺损等多种临床常见骨缺损的修复,最长随访已达4年半,疗效稳定。组织工程皮肤主要应用于供皮区创面覆盖、黑毛痣切除后皮肤缺损修复及色素脱失患者的治疗,目前也取得了满意的疗效。  

  记者:组织工程学创始人、美国哈佛大学著名科学家瓦康迪教授,曾经对您用组织工程骨成功修复患者颅骨缺损的工作给予很高的评价,那么目前我国组织工程研究在国际上地位如何?这个项目有哪些特色和创新之处?  

  曹谊林:中国的组织工程研究虽然起步很晚,但发展速度很快,这与国家政策的支持、资金的投入以及全国各重点实验室的共同努力是分不开的。由于国内的基础研究实力同国外差距较大,要想在国际上占有一席之地,只能在应用研究方面赶超。鉴于国外在大动物缺损修复方面的研究开展相对较少,而临床应用又必须经过这一阶段。因此,我们决定把研究重点放在这里。  

  经过几年的努力,我国的组织工程经历了从无到有,从小到大的发展历程,初步形成了以组织构建和临床应用为特色的研究道路。我们率先在免疫功能完全的哺乳动物体内,成功构建了骨、软骨、肌腱、皮肤、角膜、血管等多种组织并修复了相应的组织缺损;率先应用组织工程技术在人体内构建出骨、软骨与皮肤组织,完成了多例临床组织缺损病例的修复。更重要的是,我们在组织构建研究中全面地应用了干细胞的最新研究成果,真正实现了“小损伤修复大缺损”。我们的成果得到了国际学术界的关注和认可,今年的国际组织工程年会将由我们课题组来主办,这证明了中国组织工程在国际上的地位和影响力。  

  记者:通常情况下,再造一种组织从科研到临床应用需要多久?组织工程发展如此迅速,您是否可以预测一下,人类什么时候能够实现心、肝、肾等复杂器官的再造及临床应用?  

  曹谊林:不同组织的形态、结构、功能及复杂程度差别很大,所需要的种子细胞、生物材料及构建环境也各不相同,因此,很难一概而论地讲一个组织从科研到临床应用的研究周期。骨、皮肤等简单组织只用了不到十年的时间,但也并不是说,结构越是简单的组织,研究周期就越短,因为组织工程技术的各个环节都可能成为限制某一组织临床应用的瓶颈。至于心、肝、肾等大器官的再造及临床应用,因为其结构非常复杂,功能要求也特别高,研究周期将会更长。  

  记者:组织工程研究的目标是“从临床应用的初步成功,到完美的组织再生与修复”,您是如何定义“完美的组织再生与修复”的?  

  曹谊林:这里的完美是指修复组织在形态、结构、生物学功能以及体内生物学行为等各个方面均与正常组织完全一致,其超微结构、基因组学、蛋白质组学等分子水平也达到正常组织水平。从目前的研究与应用结果来看,组织工程技术再造的组织随着时间的延长,在各个方面越来越接近周围正常组织,但两者之间仍存在一定程度的差异,未来的研究有可能通过模拟组织发育微环境来不断改善组织构建技术,从而逐步接近完美的组织再生与修复这一最高目标。

“973”成就了周广东

        32岁的周广东是“组织工程学重要基础科学问题研究”课题组里最年轻的课题负责人。这个清秀的山东“大汉”讲话很耐心,很生动,很有条不紊。  

  从1992年到现在,周广东从本科到博士,从科研的门外汉到多项科研项目的负责人。2001年,他还在读博士的时候,就成为973计划《组织工程技术修复关节软骨全层缺损》子课题的负责人,今年又与军事医学科学院裴雪涛教授一起共同主持《组织微环境对干细胞形成特定组织的影响及其作用机制》课题的研究。  

  973项目成就了周广东。  

  周广东事情很多,课题设计,新技术开发,管理实验室,写论文,参加各类学术会议等等,每天都安排得满满当当。“今天下午我本来要修改两篇论文,因为你们来,就放到了晚上。”正聊着,就有个人找周广东要稿子,一打听才知道,实验室年初申请到了中国组织工程的第一种专业杂志———《组织工程与重建外科杂志》,已经发行了4期。  

  “研究越做越有兴趣。在实验过程中总会有新的发现让我兴奋,973给了我机会去更深入地研究组织工程的基础问题。”周广东坦言。因为兴趣,考博的时候他放弃了令人眼热的整形外科,选择了基础研究,“我博士课题的方向和硕士相近,都是做软骨,现在也还是。”不同的是,硕士时以软骨细胞作为组织工程的种子细胞,博士时转向了干细胞研究,目前则主攻体外软骨再造。每一次延续,又都是一次新的跨越。时至今日,周广东已经成为组织工程界知名的青年学者,荣誉和光环接踵而至。  

  难道没有挫折和困惑的时候?周广东笑得灿烂:“我一直对自己很有信心。”这个曹谊林教授的爱徒果然不同凡响。由于课题设计在理论和技术上都经过了严格的论证,因此实验过程一直比较顺利。  

  周广东最佩服的人就是恩师曹谊林。回国以后,曹谊林敏锐地意识到中国基础研究相对于国外的差距,也发现了在我国开展大动物实验的优势,于是决定把组织工程的研究重点定位于应用基础研究,对研究中发现的现象再进行深入的机制研究。这种明智的切入点,使中国的组织工程研究在短短几年间就站在了世界的前沿。  

  曹谊林忘我的工作精神和严谨的科学态度也深深感染着周广东,使他对自己做的每一件事都要求尽善尽美。“同事们都说我越来越像曹老师了。”周广东有点不好意思。  

  自称“运动型”人的周广东已经很久没有摸过心爱的乒乓球拍,连回家的时候都很少。“我基本上都待在实验室,以前那帮朋友们说我像变了个人似的。”周广东有点感慨。  

  采访结束时,已经是晚饭时间了,周广东却仍在实验室商谈新仪器的订购。这个精力充沛的小伙子,就这样兴趣盎然地继续着他的研究生涯。  



  ■链接  

  咱们的课题组  

  项目执行期间,1人获得“国家杰出青年科学基金”,1人获得“长江学者特聘教授”,6人获得国家863计划资助,4人获得国家自然科学基金资助;已培养博士后3名,博士研究生23名,硕士研究生12名,目前在读博士后1名,博士研究生24名,硕士研究生11名。

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