[發明專利]灌注-灌流-脈動聯合構建的組織工程心肌生物反應器

無效

• 申請號: 201010133838.X
• 申請日: 2010-03-25
• 公開（公告）號: CN101824382A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發明（設計）人: 熊卓;胡京奇;張婷;張人佶;林峰;顏永年
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明屬于組織工程和生物制造領域，涉及一種灌注-灌流-脈動聯合構建的組織工程心肌 生物反應器，同時實現組織工程心肌體外培養過程中細胞種植階段的細胞灌注、組織培養階段 的灌流培養及脈動訓練，模擬體內環境，其主要運行參數可以自動調節和控制。

背景技術

心臟是人體血液循環的動力器官，是維持人體生命活動的重要器官。目前，各種心臟疾病 成為人類健康最可怕的殺手。目前諸多臨床治療手段都存在一定的局限性。心肌組織工程是組 織工程領域的研究熱點，它的基本原理是在體外構建細胞和材料的三維結構體，并進行適當的 力、電、離子等物理化學刺激，試圖培養出具有初步組織功能的心肌組織替代物，或者用于藥 物篩選和疾病研究等。

由于心肌細胞為終末細胞，不具備增殖分化能力，心肌組織對缺氧敏感，一旦壞死就不可 再生，組織工程心肌的體外構建具有特殊的難度。國內外十幾年間關于心肌組織工程展開了一 系列研究，得到了一些重要的成果，但也遇到了以下問題：

(一)心肌細胞無法自增殖的特點，使得在組織工程支架上種植心肌細胞時，需要高的密 度及細胞長入的深度，但傳統辦法，細胞很難進入支架內部，只能將細胞種植在支架表面一定 厚度內。

(二)由于細心細胞對缺氧敏感，細胞容易在培養過程中缺血凋亡，并隨著細胞距離支架 表面深度的增加，凋亡幾率越大。研究發現，心肌細胞在組織工程支架中存活的厚度最多不超 過200μm，這與真實的心肌組織有很大差距。

(三)組織工程心肌在體外培養過程中缺乏類似真實體內的環境，心肌細胞難以建立連接， 鋪展形成組織。在真實體內環境中，心肌自主跳動，對心肌細胞具有周期性應力作用。目前組 織工程心肌研究界普遍認為(Ali?Khademhosseini，Joseph?P.Vacanti?and?Robert?Langer. Progress?In?Tissue?Engineering.Scientific?American，May?2009：64-71)，一定的應力環 境中，心肌細胞可以沿主應力方向伸展、互相連接、形成心肌纖維束。

文獻(王常勇.心臟再生與心肌組織工程研究進展.解剖學雜志，2008年第31卷第1期.) 研究發現，體外構建模擬體內真實環境的生物反應器，在提高細胞種植密度、促進氧氣循環、 模擬細胞生存真實環境等方面具有顯著效果。

目前在組織工程中普遍使用的生物反應器包括：攪拌式反應器、旋轉培養式反應器、灌流 式反應器、應力刺激式反應器和空心纖維式反應器。前四種反應器都見到有應用于工程化心肌 組織體外培養的報道。其中以灌流式反應器和應力刺激式反應器報道最多，取得效果也最好。

灌流式反應器在工作時，全部培養液將緩慢通過三維支架材料，培養組織周邊與中心同時 進行直接的營養交換，三維支架內部的氧分壓水平較好。同時灌流過程中的液體微量循環流動 有利于種子細胞均勻分布，并可能導致心肌細胞進入支架較深層的位置。灌流式生物反應器被 廣泛應用于心肌組織培養。多倫多大學和哥倫比亞大學的Radisic等人(Milica?Radisic，Anna Marsano，Robert?Maidhof，Yadong?Wang，Gordana?Vunjak-Novakovic.Cardiac?tissue engineering?using?perfusion?bioreactor?systems.Nature?Protocols，Vol.3， No.4，2008：719-738)設計了一種灌流生物反應器，在實驗中實現了對組織工程心肌的灌流，證 明了灌流提高了組織工程支架中的氧分壓和營養物質的循環，提高了組織工程深度方向上細胞 的存活率。同時，一些科學家在培養液灌流基礎上，進一步提出了在細胞種植階段進行細胞灌 注的概念，試圖提高細胞的種植深度，并正在展開相關研究。灌流式生物反應器在心肌組織培 養中可能存在的問題是：液體流動給細胞造成的剪應力可能對細胞造成一定的傷害。