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了解生物人工肝技術(shù)的組成,前景和難題

2015-01-20 19:42 閱讀:2277 來源:中國醫(yī)學論壇報 作者:學**涯 責任編輯:學海無涯
[導讀] 我國是乙肝大國,乙型肝炎病毒攜帶者約占世界總數(shù)的三分之一,其中相當一部分患者會逐步發(fā)展成急性或慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌,最終發(fā)展為肝功能衰竭。

    作者:南京鼓樓醫(yī)院    施曉雷  韓冰  丁義濤

    導讀:我國是乙肝大國,乙型肝炎病毒攜帶者約占世界總數(shù)的三分之一,其中相當一部分患者會逐步發(fā)展成急性或慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌,最終發(fā)展為肝功能衰竭。然而,由于供體器官嚴重短缺等多種原因,目前僅少部分肝功能衰竭患者獲得肝移植機會。因此,能夠取代部分肝臟功能的人工肝支持系統(tǒng)得以迅速發(fā)展。

    人工肝支持系統(tǒng)包括非生物人工肝(ALS)和生物人工肝(BAL)。前者不含生物組分,主要利用濾過和吸附原理清除毒素,類似于血液透析治療。但ALS不能完全替代肝臟,這就促使肝病工作者致力于含有生物成分,能夠綜合發(fā)揮肝臟氧化脫毒、生物轉(zhuǎn)化、分泌與合成等功能的BAL研究。

    BAL核心元件一:生物反應(yīng)器

    生物反應(yīng)器是BAL核心組成部分,理想BAL反應(yīng)器應(yīng)能達到:①為肝細胞提供良好的長期生長代謝環(huán)境;②能發(fā)揮必需的肝臟功能;③體積小,死腔少。就結(jié)構(gòu)而言,目前生物反應(yīng)器分以下4種。

    中空纖維管式  中空纖維管分為內(nèi)腔和外腔,一般將肝細胞黏附生長于外腔,內(nèi)腔有血漿通過,是目前應(yīng)用最多的一類反應(yīng)器。中空纖維管反應(yīng)器最大優(yōu)點是較大的表面積/體積比,便于代謝物轉(zhuǎn)運,且保持最小死腔。但由于肝細胞在反應(yīng)器中分布不均,易造成細胞活力下降。

    單層/多層平板式  該反應(yīng)器是將肝細胞直接種植于平板上,優(yōu)點是細胞分布均勻,微環(huán)境一致,但表面積與體積之比下降。本中心在國內(nèi)第一個自主研發(fā)新型多層平板型生物反應(yīng)器。反應(yīng)器大致由三部分組成:多層平板、中空支架和外殼。本反應(yīng)器特點為:①體積僅480ml,對人體血液動力學無影響;②能承載1010量級細胞,滿足臨床治療要求。此外,每層平板采用電紡方式引入殼聚糖納米纖維支架,促進肝細胞與材料間的黏附力,保證細胞數(shù)量及其功能維持。

    灌流床/支架式  該生物反應(yīng)器提供固相載體使肝細胞黏附固定,肝細胞黏附并生長于孔隙中,大大降低因介質(zhì)流動而造成的剪切力損傷,細胞可維持較高功能活力,輻流式反應(yīng)器即采用此種構(gòu)型,其缺點是灌注不均一,易堵塞。

    微囊懸液式  該生物反應(yīng)器是將肝細胞用一種半透膜材料包裹,制成多孔微囊,然后進行灌注培養(yǎng)。其優(yōu)點是所有細胞具有相同微環(huán)境,有大量細胞培養(yǎng)空間,減少了免疫反應(yīng)發(fā)生。缺點是細胞穩(wěn)定性差,物質(zhì)交換能力受限。

    BAL核心元件二:細胞材料

    細胞材料是BAL的核心部分,細胞在生物反應(yīng)器內(nèi)的活性及自身功能在很大程度上決定了BAL的治療作用。

    人體肝細胞是上皮細胞源性,需要實質(zhì)細胞之間以及與非實質(zhì)細胞的接觸發(fā)揮作用,現(xiàn)有BAL裝置無法完全模擬肝細胞在體內(nèi)的微環(huán)境。在BAL使用時的肝細胞大多功能低下,關(guān)鍵酶活性喪失,嚴重影響B(tài)AL效能的發(fā)揮。

    理想的細胞來源應(yīng)該是功能上接近在體肝細胞,來源廣泛且臨床應(yīng)用時無免疫排斥反應(yīng)及疾病傳播的可能。因此,尋找一種能在BAL中具有高活性、高穩(wěn)定性的細胞系,是目前亟待解決的問題。

    人類原代肝細胞  自體肝細胞理論上講不會發(fā)生免疫排斥反應(yīng),是理想的BAL細胞來源。但臨床上終末期肝病患者自身病態(tài)肝細胞數(shù)量和質(zhì)量均不能滿足BAL肝細胞的要求,不可能作為BAL的細胞來源。

    同種異體肝細胞是另一類較好的細胞來源,但因來源有限、同種異體存有免疫排斥及從人類組織中提取可能會傳播一些疾病,目前已基本被摒棄。

    永生化肝細胞  這類細胞采用成人肝細胞作為源細胞,免疫排斥反應(yīng)小,但肝功能保留不全,還存在致癌及病毒感染風險。

    肝細胞株  在體外具有無限生長潛能的肝細胞株被證實是BAL一個有希望的細胞來源。這些細胞大多是從人類肝臟腫瘤細胞分化而來,而且在體外培養(yǎng)時顯示出了很好的耐受性。

    HepG2、C3A細胞株是腫瘤源性的肝細胞株,具有無限增殖能力,在體外培養(yǎng)顯示出良好的活性及穩(wěn)定性,且具有正常肝細胞的絕大多數(shù)功能,如白蛋白合成、P450活性及尿素代謝能力。但C3A細胞本身的代謝解毒能力較弱,且作為腫瘤源性細胞株,理論上仍存在腫瘤定植可能。

    異種肝細胞  異種肝細胞是指由各種動物肝臟分離而來的,其優(yōu)勢在于細胞來源穩(wěn)定、分離獲取方便且價格低廉。豬肝細胞是目前BAL基礎(chǔ)研究與臨床試驗中應(yīng)用最為廣泛的一種動物源肝細胞。

    本中心從方便、實用、高效等原則出發(fā),選擇異種豬細胞作為新型BAL支持系統(tǒng)的細胞來源。

    干細胞  干細胞是另一類很有希望的BAL細胞來源,在去分化狀態(tài)下無限增值,而且具有良好的分化能力,多種起源的干細胞在組織動員方面顯示有一定的前景,特別是在BAL.

    但是,目前應(yīng)用于BAL的干細胞還處于未成熟階段。其存在問題是還沒有一種完全有效的純化和鑒別干細胞的方法,且目前尚無法使干細胞在體外擴增至1010數(shù)量級,這是其應(yīng)用最大的“瓶頸”.

    BAL臨床應(yīng)用前景和面臨難題

    BAL的臨床應(yīng)用前景是令人鼓舞的,但其廣泛應(yīng)用仍須努力攻克許多難題,如最佳細胞來源、體外細胞長期穩(wěn)定性和活性的提高、生物反應(yīng)器重建肝臟三維結(jié)構(gòu)等。

    現(xiàn)有生物反應(yīng)器設(shè)計只能體現(xiàn)肝細胞實質(zhì)細胞和細胞外基質(zhì)的相互作用,而忽視了非實質(zhì)細胞的重要性。共培養(yǎng)策略可能是一個比較有前途的開拓領(lǐng)域,特別是肝細胞和非實質(zhì)細胞的共培養(yǎng)可以提高細胞與細胞之間的相互作用。

    肝臟中的肝細胞面臨著氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的濃度梯度,而這個梯度是隨著其與門靜脈距離改變而變化,正是由于存在這一梯度,肝細胞顯示了不同功能。為肝細胞可以繼續(xù)發(fā)揮在正常肝臟中的所有功能,未來的生物反應(yīng)器可能需要重建這種微環(huán)境。

    隨著生物工程技術(shù)的不斷創(chuàng)新,未來的生物反應(yīng)器應(yīng)該最大化轉(zhuǎn)化營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣,這就需要發(fā)展一種稱為三維立體***,重建肝臟三維立體構(gòu)象,并能精確定位細胞位置。

    最終,理想的生物人工肝應(yīng)該是由可完全吸收的生物人工肝置入性裝置來實現(xiàn)永久的肝臟替代作用。
 


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