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人生小哲理幹細胞者說
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正文
當幹細胞遇到生物材料，很多再生醫學的難題都變成了奇蹟。
來源：生物谷
再生醫學：指利用生物學及工程學的理論與方法，促進機體自我修復與再生，或構建新的組織與器官。幹細胞具有再生各種組織器官的潛在能力。因此，幹細胞在再生醫學中具有重大的應用價值。
再生醫學的優勢，在於通過改善再生微環境，患者藉助自身的再生修復能力引導再生，再生後的組織是人體自身的一部分。隨著幹細胞和材料科學研究的不斷深入，科學家們也嘗試著利用材料來模擬幹細胞微環境，並不斷地取得新的進展。
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二維細胞培養系統
人們最初嘗試著利用二維組織培養系統來模擬幹細胞微環境，這是因為它比較簡單,易於操作。
比如，2007年4月，莊正陵等人利用低糖DMEM/F12觸發多肽自組裝為二維凝膠，然後將小鼠神經幹細胞接種於多肽二維凝膠表明，結果發現神經幹細胞有明顯的突起生長，這表明多肽二維凝膠表明不僅有利於神經幹細胞（如圖1所示）的生長，而且對它們向神經細胞分化有誘導作用。
但是這種二維培養系統並不太適用於研究幹細胞行為，這是因為在二維細胞培養系統中，常發生細胞組織架構、機械和生物化學信號以及細胞與細胞之間的信息交流的丟失，無法反映真實組織生理上的複雜性，從而影響細胞功能。
圖1.神經幹細胞
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三維支架：幹細胞微環境的好幫手
三維支架是三維細胞培養時最常用的材料，相當於人工ECM，能夠模擬活體組織複雜的三維結構及其主要特徵。
三維支架的主要作用是，為幹細胞提供原始支持，也作為可溶性因子擴散媒介，確保幹細胞的粘附、遷移、增殖、分化和長期生存，最終幹細胞會形成組織和器官。三維支架具有生物相容性和生物降解性、高度多孔結構、一個相互關聯的空隙網以促進養分和代謝產物的交換、適當的力學強度以及適當的表面化學和表面形狀以促進細胞的相互作用。
常用的三維支架分為三種：天然ECM支架、天然材料支架和合成材料支架。
目前，人們設計出來的三維支架(3-D scaffold)的數量快速地擴大，包括相對簡單的由膠原蛋白製作成的凝膠、聚合物纖維的有序組裝或無序組裝、水凝膠以及更多。
組織工程的一個關鍵挑戰就是，構建三維支架來促進活的幹細胞生長，並提供一種合適的環境，以便讓它們產生活的組織。此外，為了允許幹細胞在三維支架中遷移，所設計出來的三維支架通常都是帶有孔的，這些孔經常是通過添加鹽、糖或二氧化碳氣體產生的，但是這些添加物有著很多缺點：它們產生不完整的孔結構而且對鹽而言，在孔產生之後還需要採取冗長的工藝去除鹽。
2012年2月，Eun Ji Chung等人在真空中採用一種需要高熱量的低壓發泡(low-pressure foaming)工藝，通過組合使用陶瓷納米顆粒和彈性聚合物構建出一種新型的三維支架，所形成的這種新型三維支架含有一系列高度相互連接的孔，而且不依賴於鹽的使用，此外還能夠將它整合到納米纖維中，從而產生一系列新的機械屬性和生物屬性。
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天然ECM支架與幹細胞
天然ECM支架，也稱作脫細胞支架，它的製作過程為從人類屍體後動物組織器官上清除細胞，由此得到的脫細胞支架與天然組織具有極大的結構和機械相似性，是理想的支架系統之一。
2010年9月，英國利茲大學的John Fisher教授及其同事Eileen Ingham教授利用死亡捐贈者或動物的部分身體，將其上所有軟組織去除後，僅剩下裸露的結構（即裸露支架），接著來自患者的幹細胞就放置在這種裸露支架上，重新長成新的身體部件。
這種方法的優點是，因為支架上已被剝離了所有能觸發排異反應的材料，而軟組織則是從患者自身幹細胞培育出來的，所以患者不會將移植組織作為外來物而加以排斥。這意味著，患者將能避免使用可縮短預期壽命和增加癌症風險的強力免疫抑製藥物。該項技術已成功地為那些遭受創傷和疾病的患者創建出一段新氣管，並有望用於創製更廣範圍的人體器官。
2010年10月，美國維克森林大學醫學院主管兼教授Shay Soker團隊使用人體幹細胞製造出微型人體肝臟，在一個「支架」上形成新的肝臟組織，而這個「支架」由一個動物肝臟製造而成。
具體而言，他們首先將動物肝臟中的細胞除去，僅僅留下支持細胞生長的膠原蛋白框架以及一個細小的血管網絡。接著將新的幹細胞，也就是不成熟的人類肝臟細胞和內皮細胞（主要用於形成血管的內壁）逐漸填入「支架」中。隨後，再將整個支架移入一個生物反應器中，並使用營養物質和氧氣的混合物來培養這些細胞。一周後的觀察發現，細胞的生長狀況非常好，甚至表現出了很多真正人體肝臟的功能。
圖2. 利用雪貂肝臟製備含有血管的脫細胞支架並進行超微結構分析
脫細胞支架，保留了組織或細胞特異性的ECM蛋白組分和微結構，因而得到廣泛應用。但是它的缺點在於，天然組織的質量難以控制，天然組織結構本身是非常複雜的，實際製備過程對技術要求比較高。
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天然材料支架與幹細胞
用於構建天然材料支架的天然材料，來源於細胞或組織，包括動物源性I型膠原蛋白及其基底膜提取物，從海藻中提取的藻酸鹽，蟹殼蝦殼中提取的殼聚糖等。
2012年3月，Hong Fang Lu等人將幾丁質的生物聚合物(從蟹殼中提取出來的)和海藻酸鈉(sodium alginate)的聚合物的液滴加到無菌的基質上，從而形成幾丁質-海藻酸鈉復合物。隨後，他們獲得一種新型的三維支架。
移植到這種三維支架上的幹細胞能夠大量生長，而且當經過多次傳代培養後，被包裹的幹細胞仍然保持多能性，而且並不產生任何基因突變。再者，依賴於所獲得的培養基，幹細胞能夠自我更新或者分化。
2013年2月，Kate A. Meade等人開發出一種類似於網狀的支架，其由糖衣分子包被，叫靜電紡絲」。可以增強幹細胞的培養環境。「靜電紡絲」可以通過糖分子來修飾。通過將糖分子結合至纖維網絡中，人們希望使用生化和結構信號來指導幹細胞的行為，類似於在集體中那種天然的行為模式，這將成為使用幹細胞技術開發新型療法研究的聖杯。
2014年7月17日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所戴建武團隊用自身骨髓幹細胞復合膠原生物支架修復子宮內膜之後，一名產婦在南京鼓樓醫院成功產下一名健康男嬰，這也是世界上第一例在幹細胞修復子宮內膜技術下誕生的嬰兒。同年10月30日，第二例嬰兒又成功分娩。這標誌著該技術具有充分的臨床可行性，是世界再生醫學領域的重大突破。
2015年1月17日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所在天津宣布，世界首例使用神經再生膠原支架結合間充質幹細胞治療脊髓損傷臨床研究取得成功。這種神經再生膠原支架是戴建武團隊經過十餘年努力研製出的基於膠原蛋白的神經再生支架。
同年，戴建武團隊設計了可注射智能型膠原支架材料，以水凝膠形式存在，接著讓臍帶間充質幹細胞附著在這種可降解的膠原支架材料上並注入患者卵巢內，形成一個供幹細胞生長發育的「溫床」，就這樣利用支架幫助幹細胞定植、分化，激活原始卵泡，修復早衰的卵巢，從而使卵巢早衰的女性能夠重新獲得生育的能力。此外，膠原支架在完成「任務」之後，通常持續數月左右就會自然降解，對人體無傷害。
圖3. 神經再生膠原支架.(A為實體圖, B為電鏡下照片;)
鑒於天然材料來源於細胞或組織，能夠促進細胞形態發生，提升細胞功能，降低脫細胞天然支架的複雜性，但是它本身複雜的生化反應、質量不一致、不明確來源等數量限制了它的應用。
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合成材料支架與幹細胞
合成材料支架，具有良好的可控性和降解性，精確的組成組分和物理特性，可操作性高，靈活大，沒有免疫方面的問題。
合成材料包括合成有機材料：聚乳酸羥基乙酸支架（PLGA）、聚乙醇酸（PGA支架）、聚L-乳酸支架（PLLA）和聚己內酯支架（PCL）等等。除此之外，合成材料還包括合成可降解無機材料，常用的主要有磷酸鈣水泥(CPC)，羥基磷灰石(HA)，磷酸三鈣( TCP)等。
2011年6月，Huixia He等人發現相比於羥基磷灰石/磷酸三鈣支架，粘附到納米羥基磷灰石/膠原/聚乳酸支架上的狗牙周膜幹細胞，數量更多，增殖活力更強，可以作為一種牙槽骨再生的高效能支架。
圖4.在不存在成骨添加劑(osteogenic supplement, OS)的情形下，hBMSC在組織支架上培養1天或50天時的螢光顯微圖（40×）。
2011年12月，Girish Kumar等人，比較了5種流行的由生物相容性聚合物聚己酸內酯(PCL)或聚內消旋乳酸(PDLLA)組成的組織支架，對人原代骨髓間充質幹細胞(hBMSC)的影響，如圖4所示。他們發現改變支架的結構能夠改變hBMSC的形態，從而控制hBMSC的分化途徑，產生所需的分化細胞。而在這一過程中除了所需的細胞生長培養基外，還不用添加生物化學添加劑，從而可以避免加入生物化學添加劑可能帶來的副作用。
2013年1月，Rong Zhang等人鑑定出一組基於2-(二乙胺基)丙烯酸乙酯的熱反應性合成水凝膠，發現它們支持在2至6個月內，促進人類胚胎幹細胞生長和維持它們的多能性。
合成材料支架的缺陷，在於器官特異性結構和細胞類型特異性的相對缺乏。因此，合成生物材料支架需要經過修飾後攜帶整合素結合肽、生物因子結合位點、促進細胞-ECM相互交聯的ECM降解蛋白酶結構域等。
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三維支架：石墨烯三維支架
自2004年石墨烯被發現以來，已迅速成為材料科學與凝聚態物理等領域的研究對象。同時，石墨烯能夠表現出良好的生物相容性，已被用於細胞成像、藥物輸運、幹細胞工程及腫瘤治療等領域。
2013年，中科院蘇州納米所程國勝團隊與中科院遺傳與發育研究所戴建武團隊合作，成功開發出新型石墨烯三維神經支架材料，如圖5所示，結果表明這種三維石墨烯支架不僅能促進神經幹細胞的增殖，還能夠在一定程度上誘導神經幹細胞定向分化為功能神經元。
他們進一步利用石墨烯碳材料良好的導電特性，對神經幹細胞進行原位電刺激和誘導分化，成功獲得了可逆特性的鈣離子振蕩響應。
圖5.石墨烯三維神經支架的掃描電鏡顯微圖.
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三維支架：3D列印支架
3D列印常常被認為，具有通過再生性植入物顛覆醫學世界的潛力，甚至有可能導致人造器官和組織的出現。近年來，科學家在利用3D列印製備三維支架上不斷地取得進展。
2016年，荷蘭馬斯垂克大學Lorenzo Moroni實驗室的研究人員展示了3D列印技術是如何能夠被用來設計和製造帶有嵌入結構和物理-化學梯度的支架，如圖6所示。
據悉，正是這些梯度影響著成體間充質幹細胞朝著骨細胞方向的分化。他們展示了孔隙大小和形狀的梯度能夠影響成體間充質幹細胞朝著骨細胞方向的分化。更重要的是，這是一個相當靈活的過程。
33D列印支架的孔隙尺寸可以增加或減少，從而讓間充質幹細胞分化成骨或軟骨。同樣地，當孔隙形狀從偏正方形變化到更偏菱形形狀時，間充質幹細胞的分化方向也會從軟骨逐漸轉向骨。
圖6.三維列印支架
更好地控制幹細胞與3D列印支架材料之間的相互作用，是維持組織結構所必要的。它是控制幹細胞在3D列印支架材料中休眠、增殖和分化，同時將細胞保持在原位的關鍵。在這個過程中，3D列印支架材料可以發揮巨大的作用，但新的技術和硬體的開發仍是必需的。
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小結和展望
幹細胞微環境如此複雜，在體外複製需要我們有對其非常深入透徹的理解，還得具備打造出這樣一套能夠行使恰當功能的立體生態結構的能力，而材料科學專業知識和技能就是其中不可或缺的一個必備條件。
隨著幹細胞、材料工程學、生物技術、物理化學、電子、3D列印技術、計算機輔助設計等技術研究的不斷深入，相信在不遠的將來可以實現再生醫學的終極目標，即修復或再生各種組織和器官，解決因疾病、衰老、創傷或遺傳因素造成的組織器官缺損和功能障礙。
當幹細胞遇到材料科學，讓骨骼長起來
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